РОССИЯ - ЧЕХИЯ
ДОГОВОР О НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОМ СОТРУДНИЧЕСТВЕ
Международный научно-технический проект НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ
Сроки начала и окончания работ по проекту: 1998-2001 гг.
Программа реализации.
Этап 1
Научно-исследовательские работы: разработка принципов и технологических процессов создания новых функциональных материалов для интегрированных систем переработки отходов, анализ тенденций и направлений развития в этой области и выбор направлений дальнейшего развития (1999)
Результат Э1
Концепция и прогноз направлений развития видов и свойств новых материалов, методики синтеза адсорбционно-активных фильтров и каталитически активных пористых керамических мембран.
Этап 2
Синтез волоконных бипористых адсорбентов, химически и радиационностойких керамик с каталитическими и ионно-обменными свойствами (2000)
Результат Э2
Акты экспертизы технико-экономических показателей новых волоконных адсорбентов и керамических мембран.
Этап 3
Комплексный эманационно-термический анализ новых функциональных материалов; оптимизация топологии пористой структуры бипористых материалов (2000)
Результат Э3
Комплект документации по методике синтеза пористых материалов с оптимальной архитектурой пор и заданным отношением транспортных путей и адсорбционно и/или каталитически активных центров.
Этап 4
Использование оборудования для опытно-промышленного производства функциональных материалов (2001)
Результат Э4
Акт испытания и принятия оборудования
ОТЧЕТ
по договору о научно-техническом струдничестве между химическим факультетом МГУ, Москва, Россия, и Институтом ядерных исследований, г.Ржеж, Чехия
Тема договора: НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ СИСТЕМ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Цель работы состояла в исследовании принципов и технологических процессов создания новых функциональных материалов для интегрированных систем переработки отходов; анализ тенденций и направлений развития в этой области; обоснование и выбор направлений дальнейшего развития.
Критических анализ научных публикаций и современных патентов показал, что в настоящее время одной из глобальных экологических проблем является загрязнение атмосферы газообразными токсинами. Особую опасность для окружающей среды представляют выбросы серосодержащих кислых газов, окислов азота и углекислого газа. Главные источники выбросов серосодержащих кислых газов (H2S, SO2, SO3) - дымовые газы тепловых электростанций, металлургических и химических призводств, остаточные выбросы переработки сероводородержащего природного газа. Другая сторона этой проблемы заключается в том, что объемы выбросов сернистых соединений с промышленными газами таковы, что извлечение из них серы могло бы в значительной степени обеспечить потребности всех стран Восточной Европы в серном сырье для производства серной кислоты и иных нужд. Вторая группа токсинов представляет собой органические гидрофильные или гидрофобные соединения, в первую очередь - пары растворителей. Наконец третью группу токсинов образуют радиоактивные инертные газы (85Kr, 133Xe, 222Rn), тритий, пары радиоактивного иода и иодсодержащих органических соединений, выделяющиеся в атмосферу при работе предприятий ядерно-топливного цикла, атомных электростанций и термоядерных установок. Поэтому создание высокоэффективных энерго- и ресурсосберегающих, малоотходных и безопасных технологий очистки выбросов промышленных предприятий от всех основных групп газо- и парообразных токсинов несомненно представляет актуальную задачу.
Основное направление современной философии химико-технологического дизайна - разработка интегрированных систем, объединяющих о одном устройстве нескольких различных методов переработки и очистки веществ и оптимизации всех потоков флюидов в подобной интегрированной системе. Например, в области адсорбционной техники один из перспективных подходов основан на применении пространственно организованных аппаратов с регулярной упаковкой планарных сорбирующих материалов (так называемых "активных фильтров").
Теоретические расчеты, проведенные в рамках настоящей работы, показали, что оптимальная структура размещения адсорбирующего материала в аппарате позволяет достигнуть значительного снижения таких параметров процесса, как
- диффузионное сопротивление рабочего слоя и, следовательно, удельные затраты адсорбента;
- термическое сопротивление и, следовательно, затраты тепловой энергии на регенерацию;
- гидродинамическое сопротивление и, следовательно, потери механической энергии.
Химически (адсорбционно или каталитически) активные фильтры отличаются высокой компактностью и низкой материалоемкостью.
Основная масса промышленных адсорбентов выпускается в гранулированной форме, тогда как для создания высокопроизводительных адсорберов с регулярной структурой требуется разработка новых планарных адсорбентов (ткани, войлок, вата и т.п.) с оптимальным комплексом адсорбционных, фильтрационных и контрукционных свойств.
В текущем году на химическом факультете МГУ им. М.В.Ломоносова были получены новые адсорбенты на основе выщелоченных стеклянных и базальтовых волокон и тканей и изучены перспективы их применения для выделения из воздуха и природного газа кислых газов и гидрофильных паров органических растворителей. Отрабатывалась оптимальная методика выщелачивания, включающая несколько стадий обработки кислотами. На каждой стадии варьируемыми параметрами являлись: тип кислоты (серная или соляная), концентация кислоты, температура и время процесса. Использовали стеклянные волокна различного состава и волокна, приготовленные из природного базальта различных месторождений.
Предварительные измерения равновесных и термокинетических характеристик волокнистых материалов показали, что полученные образцы тканевых адсорбентов обладают хорошими конструкционными свойствами, высоким сорбционным объемом и низкой температурой десорбции серосодержащих кислых газов, углекислых газов и паров воды. Выщелоченные волокна имеют химическую природу, аналогичную природе широко используемых в промышленности силикагелей. Базальтовые волокна изготавливаются из широкодоступного недефицитного природного сырья, обладают высокой механической, химической и термической стойкостью.
По кислым газам выщелоченные базальтовые волокна обладают адсорбционной емкостью выше природных цеолитов, но ниже искусственных. Однако температура регенерации их на сто-сто двадцать градусов ниже, чем у лучших образцов цеолитов, что обеспечивает их высокую энергетическую экономичность Поэтому подобные волокна являются перспективным объектом исследования для создания рабочих элементов активных фильтров, предназначенных для извлечения широкого класса гидрофильных газов из промышленных сбросов.
Другое направление работы состояло в подборе волоконных сорбентов на основе активированного угля, предназначенных для извлечения из воздуха паров гидрофобных веществ, тяжелых радиоактивных благородных газов, паров иода и паров некототых летучих токсичных металлов. Образцы представляли собой волокна, ткани и войлок, пластину или трубку (капилляр) изготовленные из угля, активированного термической обработкой или обработкой горячим паром при большом давлении. Сорбционно-десорбционные характеристики измеряли на примере паров таких веществ, как хлорсодержащие органические вещества (в основном - дихлор метан), летучие кетоны, бензол, толуол, ксилол, бутанол и метанол. Показано, что некоторые образцы угольных волокон обладают сорбционной емкостью и температырой регенерации на уровне лучших образцов гранулированных активированных углей, но рабочии элементы адсорберов, изговленные из таких волокон имеют значительно меншее динамическое сопротивление, что поволяет экономить энергозатраты на работу компрессоров.
Предварительные результаты анализа литературы и собственных экспериментальных данных показали,что основным недостатком адсорбционных аппаратов стохастической структуры использующих гранулированные сорбенты является их высокое динамическое сопротивление и неэффективное использование функционального материала. Проектируемые адсорбционные аппараты на базе планарных адсорбентов (активные фильтры) позволят управлять пространтвенным расположением рабочих элементов и, как следствие, оптимизировать транспортные и тепловые потоки в газоразделительном устройстве. Функциональный элемент активного фильтра строится на базе волоконных адсорбентов. Материал волокна имеет бипористую структуру, т.е. содержит транспортные и адсорбционно-активные поры. Малый диаметр волокна (порядка 0.5 микрона) обеспечивает использование в адсорбционном процессе всего объема адсорбента. Эффективное снижение динамического сопротивления осуществляется за счет изготовления на базе волокон нитей, ткани, ваты или войлока. Аппараты регулярной структуры весьма компактны и способны перерабатывать большие потоки газовых смесей.
На базе рассматриваемых в данной работе материалов возможно создание композитов, в которых переплетаются нити различных сорбентов. Изменяя тип плетения нити в ткани можно управлять транспортными потоками внутри сорбента. Другое направление - создание слоистых рабочих элементов, в которых чередуются слои базальтового адсорбента (поглощение гидрофильных веществ) и актвированного угля (поглощение гидрофобных веществ и радиоактивных благородных газов).
Активные фильтры перспективны для использования в качестве аппаратов регулярной структуры в химической промышленности для переработки больших объемов газовых систем и осчистки природного газа. В энергетике активные фильтры можно встроить в систему подавления активности атомных электростанций. В медицине планарные сорбенты возможно применять как лекарственное депо или как бинты и хирургические салфетки.
Можно ожидать, что планарные адсорбенты найдут широкое применение и для решения проблем химической экологии и охраны окружающей среды. Основными направлениями их применения могут быть:
-мониторинг токсичных примесей в окружающей среде;
-очистка сбросных газов химико-технологических предприятий, химчисток и заводов по переработке бытовых отходов от органических и неорганических токсикантов;
-извлечение и концентрирование тяжелых металлов из сбросных газов процесса инсенерации;
-в качестве интерьерных поглотителей для очистки воздуха рабочих помещений и поглощений токсических паров непосредственно в месте их выделения.
Активные фильтры достаточно просто и без какой-либо переделки оборудования компануются с другими известными методами переработки газовых смесей: абсорбцией и мембранной технологией. Так слоистый фильтр: ядерный фильтр для поглощенитя аэрозолей, базальтовый фильтр гидрофильных токсинов, угольный фильтр гидрофобных токсинов и сплошная полимерная мембрана обеспечивает глубокую очистку воздуха от аэрозолей, химических токсикантов и болезнетворных бактерий. Система, представляющая собой сендвич из двух полимерных мембран, между которыми движется слой абсорбционно или каталитически активной жидкости, обладает высокой степенью селективности, обеспечивающей возможность разделения стереоизомеров и изотопов, а также переработку и разделение многокомпонентных смесей газов и паров.
Для комплексной диагностики полученных классов волоконных адсорбентов, образцы материалов были переданы в Институт ядерных исследований, г.Ржеж, Чехия.
Проект научно-технического сотрудничества между Российской Федерацией и Чешской Республикой, 2003
Название пронета: СИНТЕЗ И СВОЙСТВА НОВЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Проект ориентирован на создание и ииследование свойств новых материалов, которые будут использоваться в области экологических технологий, а также в качестве матриц для иммобилизации и захоронения радиоактивных отходов.
В течение первого года будут разрабатываться новые фотокаталитические материалы, основанные на окиси титана. Этот материал будет применен для разложения экологически вредных и токсичных веществ, находящихся в жидких и газообразных отходах. При изготовлении этих материалов в форме прошков с высокоразвитыми поверхностями будет применяться дегидратация веществ, полученных гидролизом солей титана. Эти новые материалы, разрабатываемые в Чешской Республике, являются предметом патентования. При изготовлении тонких слоев с пористой микроструктурой будут применены модифицированные золь-гель методы. Поверхностно активные вкщества, такие как цетилтриметиламония хлорид будут применяться, как модификаторы, контролирующие пористость материала. Будет изучно изменение микроструктуры материалов, влияние модификаторов и условий для термической обработки промежуточных продуктов на конечные свойства фотокаталитических материалов. При этом будет получена информация, необходимая для создания технологии производства новых фотокаталитических материалов. Для исследования микроструктуры будет применен оригинальный метод, основанный на применении радиоактивных индикаторов, который в настоящее время развивается в ИЯИ Ржеж. Результаты, полученные этим методом, будут сравнены с величинами измерений удельной поверхности, пористости, данными рентгеновской дифракции и др. Данные всех методов будут обработаны в сотрудничестве с партнерами МГУ, создавшими новые оригинальные математические модели для обработки и интерпретации результатов. Кроме того, применение разработанных моделей позволит прогнозировать влияние различных факторов и условий приготовления на свойства новых материалов.
Второй год предполагает завершение подготовки новых материалов на базе титана и переход к материалам, которые могут быть применены в качестве сорбентов токсичных веществ и радионуклидов. Основой новых материалов служит оксид алюминия и модифицированные алюмосиликаты. Экспериментально будут оцениваться фотокаталитические и сорбционные свойства материалов, приготовленных в оптимальных условиях, предложенных в первой части проекта. Разработанные математические модели будут применены для обработки результатов по прогнозированию свойств новых материалов. Полученные результаты будут переданы в организации, заинтересованные в производстве и применении вышеуказанных материалов. Предварительные переговоры с заинтересованными фирмами в Чешской Республике выявили интерес к передаче технологий.
В третьем году предполагается разработка технологии приготовления керамических материалов как матриц для иммобилизации радионуклидов, преимущественно трансурановых элементов. Предварительные эксперименты показали, что окись циркония, стабилизированная оксидом иттрия, является подходящей керамической матрицей для фиксации и иммобилизации радионуклидов, полученных после переработки высокорадиоактивных отходов. Кроме того, будут изучены керамические материалы на базе титаната кальция и силиката циркония с целью определения оптимальных условий для получения химически и термически стойких керамических матриц. В рамках этого исследования будет изучаться влияние термической и механической обработки промежуточных продуктов на структуру и химические свойства матриц. Трансурановые элементы, такие, как плутоний и америций, будут в этих исследованиях замещены в матрицах элементами церия и неодима. Выщелачиваемость элементов из матриц будет оцениваться в гидротермальных условиях, с применением методов, рекомендованных МАГАТЭ. Термическая стойкость керамических матриц будет оцениваться на образцах двух типов (подвергнутых и не подвергнутых выщелачиванию). Для оценки термической стойкости будут применены методы рентгеновской дифракции и радиометрический эманационный метод, который уже успешно применялся в ИЯИ Ржеж. Сотрудники кафедры радиохимии будут принимать участие в экспериментальных работах, обработке экспериментальных результатов, оценке свойств новых материалов и выборе условий технологической обработки и захоронения иммобилизированных радиоактивных отходов.
Проект научно-технического сотрудничества между Российской Федерацией и Чешской Республикой, 2005
1. Название проекта: ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ.
2. Исполнители проекта:
В Российской Федерации: Профессор И. Н. Бекман, Кафедра радиохимии и радиоэкологии, Химический факультет МГУ, Московский государственный университет им. М.И. Ломоносова, 119899, Москва, В-234, Воробьевы горы, Тел: 007095 939 32 12, Факс: 007095 939 31 87, E-mail beckman@radio.chem..msu.ru
В Чешской Республике: Доцент, доктор Владимир Балек, Институт ядерных исследований, Ржеж. Ustav jadernoho vyzkumu, a.s25068 Husinec : tel. +420 26617-3656 E-mail bal@ujv.cz
3. Продолжительность проекта: 3 года
4. Дата начала проекта: 1.1.2006
5. Описание проекта и способ решения:
Проект ориентирован на создание и исследование свойств новых материалов, которые будут использоваться в области экологических технологий, а также в качестве матриц для иммобилизации и захоронения радиоактивных отходов.
При выполнении проекта будут разрабатываться новые фотокаталитическае материалы, основанные на окиси титана. Этот материал будет применен для разложения экологически вредных и токсичных химических веществ, находящихся в жидких и газообразных отходах. При изготовлени этих материалов в форме порошков с высокоразвитыми поверхностями будет применяться методика, разработанная в Чешской Республике. Будет исследовано влияние исходного сырья и условий изготовления на развитие микроструктуры материалов и их свойства. Результаты исследований будут использованы для оптимизации технологического процесса
В рамках проекта будет изучено изменение микроструктуры материалов, влияние модификаторов и условий для термической обработки промежуточных продуктов на конечные свойства фотокаталитических материалов. При этом будет получена информация, необходимая для оптимизации технологии новых фотокаталитических материалов. Для исследования микроструктуры будет применен оригинальный метод, основанный на применении радиоактивных индикаторов, который в настоящее время развивается в ИЯИ Ржеж. Результаты этого метода будут сравниваться с величинами измерений удельной поверхности, пористости, рентгенной дифракцией и др. Результаты измерений всех этих методов будут обработаны в сотрудничестве с партнерами из МГУ, которые создали новые оригинальные математические модели для обработки и интерпретации результатов. Это комплексное исследование позволит оперативно характеризовать новые материалы и прогнозировать влияние различных факторов на свойства новых материалов. Исследования направлены на характеризацию химических процессов, происходящих в материалах в процессе их изготовления и эксплуатации, их тепловую стабильность, радиационную стойкость и стабильность их работоспособности в условиях агрессивных сред. Будет также уделено внимание получению сорбентов на основе модифицированных алюмосиликатов. В дальнейшем будет уделено внимание развитию и диагностике керамических материалов в качестве матриц для иммобилизации радионуклидов. Предварительные эксперименты показали, что окись циркония, стабилизированная оксидом иттрия является подходящей матрицей для фиксации и мобилизации трансурановых элементов, полученных после переработки высокорадиоактивных отходов. Кроме того, будут изучены керамические материалы на базе титанатов со структурой перовскитов и силиката циркония с целью определения оптимальных условий для получения химически и термически стойких керамических матриц. Будет исследовано влияние условий термической и механической обработки на структуру и химическую стабильность керамических матриц. Тепловая стабильность матриц будет исследована в Институте ядерных исследований в Ржеже радиохимическим эманационным методом.
6. Обоснование сотрудничества между химическим факультетом МГУ и Институтом ядерных исследований Ржежа, Чехия. Между сторонами существует неформальное сотрудничество и выполнение данного проекта будет иметь практическое значение для развития и конкретного применения новых экологических материалов. Благодаря использованию уникальных и взаимодополняемых методик при решении проекта будет достигнут синергический эффект. Результаты исследований в ИЯИ Ржежа в сотруднечестве с кафедрой радиохимии и радиоэкологии в Московском государственном. университете будут представлены для использования заинтересованным организациям в Российской Федерации и в Чешской республике.
7. Ожидаемые результаты.
1) Характеризация полуфабрикатов новых фотокаталитических материалов и сорбентов с целью оптимизации процесса их изготовления.
2) Характеризация выбранных неорганических керамических материалов в качестве матриц для иммобилизации радиоактивных отходов.
Ответственный исполнитель
профессор ___________________И.Н. Бекман
Декан Химического факультета МГУ
академик РАН ___________________В.В.Лунин
