Разработка технологий и аппаратурного оформления процессов наноуглеродного модифицирования фильтровальных материалов тонкой очистки газовых и водных сред

Федеральный закон «ОБ ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ» от 10.01.2002 N 7-ФЗ, а также «Основы государственной политики в области обеспечения химической и биологической безопасности Российской Федерации на период до 2010 года и дальнейшую перспективу» однозначно определили политику и стратегические цели страны в области защиты жизни и здоровья человека. Кроме того, они обозначили ограничения отрицательного влияния человеческой деятельности на природу. Однако реализация определенных положений этих документов может быть осуществлена только с применением новых современных материалов, обладающих уникальными структурными и функциональными свойствами, созданием инновационных аппаратурно-технологических систем, разработанных для комплексного мониторинга и обеспечения безопасности человека и минимизации вредного воздействия на окружающую среду.

Основная проблема, являющаяся причиной постоянного ужесточения требований к экологической безопасности и охране здоровья человекаотсутствие современных материалов тонкой очистки, обеспечивающих требуемое эксплуатационное качество водных и газовых сред.

Приоритетное значение в вопросах тонкой очистки воздуха и газов, в том числе сжатых, приобрела проблема сверхтонкого обеспыливания (очистки от субмикронных аэрозольных частиц). Рост научного и практического интереса к данной проблеме обусловлен следующими причинами:

— отсутствие качественной очистки атмосферного воздуха (объемы газовых выбросов промышленных предприятий составляют сотни тысяч кубических метров в час — как следствие, катастрофический уровень техногенного воздействия на окружающую среду);

— интенсивное развитие в последние десятилетия высокотехнологичной производственной деятельности, требующей больших рабочих объемов особо чистого воздуха (атомная промышленность, микроэлектроника, производство чистых веществ и лекарств, и т. д.).

— несовершенство средств индивидуальной защиты органов дыхания (высокое сопротивление потоку газа, малый ресурс работы и т. д.).

Несмотря на большое разнообразие фильтрующих материалов, которые могут быть использованы в технологии сверхтонкого обеспыливания, наибольшее распространение для тонкой газовой очистки получили материалы из ультратонких волокон. Волокнистые фильтрующие материалы оказались наиболее эффективным средством очистки, поскольку при одинаковом сопротивлении потоку эти материалы обладают наибольшей эффективностью улавливания частиц по сравнению со всеми другими типами фильтровальных перегородок [1,2].

Вся история совершенствования фильтрующих материалов, предназначенных для вредных и опасных производств, нанотехнологических процессов и средств индивидуальной защиты органов дыхания, связана с утончением используемых в материале фильтра волокон, вплоть до нанометрового диапазона размеров. Поэтому для формирования новых и модифицирования уже существующих структур фильтровальных материалов, необходимо применение наноматериалов, обладающих комплексом уникальных качественных показателей.

Характерным представителем этого класса веществ является углеродный наноматериал (УНМ) «Таунит» (производство ООО «НаноТехЦентр», г. Тамбов), представляющий собой одномерные наномасштабные нитевидные образования поликристаллического графита цилиндрической формы с внутренним каналом — углеродные нанотрубки (УНТ) (рис.1).

Рис. 1. Углеродный наноматериал «Таунит».

Очевидно, что повышение эффективности фильтров тонкой очистки газовых сред, которые станут основой новых высокотехнологичных систем мониторинга экологической безопасности и здоровья человека, является актуальной и приоритетной задачей.

Второй актуальной проблемой современности является качественная очистка различных водных сред, в том числе регенерация промышленных стоков, опреснение морских вод, подготовка питьевой воды.

Наиболее перспективной и инновационной технологией на мировом рынке очистки жидких сред является мембранное разделение. Такие присущие мембранной технологии свойства, как отсутствие безвозвратных потерь компонентов разделяемой смеси и отсутствие необходимости введения каких-либо дополнительных компонентов делают мембранное разделение потенциально приоритетным для решения любых технологических задач, в том числе, связанных с разделением дорогостоящих компонентов или предварительным концентрированием при разделении многокомпонентных или азеотропных смесей. Именно поэтому мембранная технология получила статус критической технологии федерального уровня в рамках приоритетного направления развития науки и техники РФ «Новые материалы и химические продукты» .

SEM f® La" - Mo 9f"l*-hUnC'il> КНиЯВ"" 19Q9.

4-rliim «Ю «li-i FipFi-bes VWii""'» Wft-n*u еиТаПЛПЧ FC IM.

Однако реальные возможности расширения сферы применения мембранной технологии, как правило, ограничиваются двумя основными факторами:

• недостаточной селективностью и производительностью существующих мембран;

• недостаточной устойчивостью мембран к воздействию отдельных компонентов разделяемых сред.

Поэтому существенный интерес представляют различные технологии модифицирования мембран наноматериалами, которые благодаря своим уникальным свойствам смогут удовлетворить новым высоким стандартам мембранного разделения.

Каждая из обозначенных выше проблем требует своего комплексного технологического решения, которое позволит максимально увеличить качество очистки жидких и газовых сред путем интеграции современных наноматериалов в традиционные элементы, оборудование и процессы фильтрования.

Целью работы являлось повышение эффективности установок тонкой очистки газовых и водных сред путем наноуглеродного модифицирования фильтровальных материалов, разработка соответствующих технологических процессов и их аппаратурного оформления.

Достижение поставленной цели определило следующие задачи:

• проведение комплексного анализа современных тенденций совершенствования фильтровальных материалов тонкой очистки газовых и водных сред, выбор фильтровальных материалов, наиболее соответствующих современным требованиям очистки водных и газовых сред;

• теоретическое обоснование повышения качественных показателей очистки выбранных фильтровальных материалов при их поверхностном модифицировании УНМ;

• разработка эффективных технологий наноуглеродного модифицирования фильтровальных материалов, получение опытных образцов с требуемым ресурсом;

• исследование количественного изменения эксплуатационных свойств модифицированных фильтровальных материалов;

• разработка аппаратурного оформления и модернизированных конструкций для процессов наноуглеродного модифицирования фильтровальных материалов.

Научная новизна работы: установлен эффект улучшения качественных характеристик фильтровальных материалов тонкой очистки за счет направленного поверхностного наномодифицирования их структуры. При этом получены следующие научные результаты:

1. Впервые показана и научно обоснована возможность применения УНМ «Таунит» для улучшения качественных показателей фильтровальных материалов тонкой очистки газовых и водных1 сред.

2. Получены зависимости, описывающие влияние проницаемой оболочки из УНТ на характеристики фильтровальных волокнистых материалов.

3. Предложен и теоретически обоснован метод направленной организации высокопористой структуры УНТ на фильтровальных волокнистых материалах, позволяющий обеспечить заданную эффективность тонкой очистки газов для определенных условий эксплуатации.

4. Предложен метод поверхностного модифицирования полимерных мембран различных типов углеродным наноматериалом «Таунит», позволяющий увеличить их производительность (более чем в 1,5 раза) и степень очистки водных сред (до 8 раз).

Практическая ценность работы.

1. Осуществлен выбор фильтровальных материалов для дальнейшего наномодифицирования, обеспечивающих наилучшее качество тонкой очистки водных и газовых сред.

2. Разработаны технологии процессов наноуглеродного модифицирования фильтровальных материалов, позволяющие модернизировать установки тонкой очистки водных и газовых сред.

3. Предложена методика формирования систем (вода — УНМ), используемых в процессе модифицирования полимерных мембран, определены основные параметры этого процесса.

4. Установлено минимальное количество УНМ «Таунит», необходимое для организации высокопористой структуры УНТ на полимерной мембране (<0,01% масс, от массы мембраны).

5. Получены опытные образцы наномодифицированных фильтровальных материалов, обладающие улучшенными качественными характеристиками, что обеспечивает значительный технико-экономический эффект (в частности, ЧДД от реализации 100 м ESPA составляет 9 120 227 руб.- л годовой экономический эффект от использования 100 м МФФК составляет 29 673 руб.).

6. Разработано аппаратурное оформление процессов наноуглеродного модифицирования фильтровальных материалов тонкой очистки водных и газовых сред в объеме опытно-промышленной установки.

7. Опытные образцы наномодифицированных фильтровальных материалов используются при проведении совместных исследований с РНЦ «Курчатовский институт», г. Москва (тонкая очистка газовых сред от взвешенных субмикронных частиц), ЗАО НТЦ «Владипор», г. Владимир (мембранное разделение водных сред) и рядом других организаций.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях, конкурсах и школах: II Международная практическая конференция «Прогрессивные технологии развития» (Тамбов, 2005 г.), II Международная конференция «Спиртовое и ликероводочное производство. Производство топливного биоэтанола» (Тамбов, 2006 г.), Российская научная конференция «Новое поколение систем жизнеобеспечения и защиты человека в чрезвычайных ситуациях техногенного и природного характера» (Тамбов, 2006 г.), VIII Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи (Москва, 2008 г., золотая медаль лауреата), Международный форум Кизпапо1ес11−2008 (Москва, 2008 г.), Всероссийская школа-семинар молодых ученых и преподавателей «Функциональные и конструкционные наноматериалы» (Белгород, 2008 г.), I Российский молодежный инновационный конвент (Москва, 2008 г.), II Всероссийский молодежный инновационный конвент (Санкт-Петербург, 2009 г.), IX Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи (Москва, 2009 г.), Международный форум Кшпапо1ес]>2009 (Москва, 2009 г.), II Всероссийская школа-семинар для студентов, аспирантов, молодых ученых по направлению «Наноматериалы» (Рязань, 2009 г.), Научная конференция «Размерные эффекты в наноструктурах и проблемы нанотехнологий» (Тамбов, 2009 г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 20 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, получено 1 положительное решение о выдаче патента на ИЗ № 2 009 123 955.

Работа выполнялась в соответствии с приоритетным направлением развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Индустрия наносистем и материалов», исследования поддержаны в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»), ГК Ж12 089 от 03.11.2009 г.

ВЫВОДЫ.

Общим результатом работы является научно обоснованное и экспериментально подтвержденное решение проблемы повышения эффективности установок тонкой очистки газовых и водных сред путем наноуглеродного модифицирования фильтровальных волокнистых материалов и полимерных мембран.

1. Разработана технология модифицирования неорганических высокотемпературных волокнистых материалов углеродными нанотрубками, позволяющая создавать фильтровальные материалы, обеспечивающие заданную эффективность тонкой очистки газов для определенных условий эксплуатации.

2. Получены опытные образцы модифицированных волокнистых материалов (кремниевый фильтровальный материал специального назначения (ФМСН), кремнеземные волокна SuperSil) с заданными эксплуатационными характеристиками (а0 = 0.5−4 мкм, р = (0.4−0.6)*а0, sob ~ 90%, диаметр УНТ 50−80 нм), соответствующими требованиям, предъявляемым к финишным фильтрам установок тонкой очистки газовых сред.

3. Разработана технология модифицирования полимерных мембран углеродным наноматериалом «Таунит», позволяющая повысить эффективность мембранного разделения за счет направленной организации высокопористой структуры УНТ на активной поверхности мембраны.

4. Проведены экспериментальные исследования сравнительных показателей производительности и качества очистки на стандартных и модифицированных образцах полимерных мембран. Производительность наномодифицированных мембран типа МФФК возросла в среднем в 1,5 раза. Качество очистки после модификации повысилось в среднем более чем в 2 раза для обратноосмотических мембран, в среднем более чем в 8 раз для нанофильтрационных мембран.

5. Разработаны структурные схемы производства наномодифицированных фильтровальных волокнистых материалов и полимерных мембран.

6. Модернизирована конструкция промышленного реактора синтеза УНМ для целей наноуглеродного модифицирования различных видов фильтровальных высокотемпературных материалов тонкой очистки газов.

7. Проведенная оценка технико-экономического эффекта от модернизации установок модифицированными полимерными мембранами показала, что чистый дисконтированный доход от реализации 100 м² ESPA составляет 9 120 227 руб.- годовой экономический эффект от использования 100 м² МФФК составляет 29 673 руб. Сроки окупаемости капитальных затрат: МФФК — 28,43 мес., ESPA — 0,002 мес.