Применение нанотехнологий (1075549), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Приставка «нано...» обозначает размер порядка 10 -9 метра. Углеродный нанослой - это слой, толщина которого составляет около 10 -9 метра. Такой атомарный углеродный слой называют графеном.
Строение графита очень похоже на хорошо известный нам предмет, а именно -на обыкновенную настольную книгу, только страницами в случае графита являются графены.
Атомы углерода в графенах расположены в виде шестиугольников (гексагоналов), поэтому и говорят, что графены имеют гексагональную структуру.
Связи между графенами - слабые (когда мы пишем карандашом, то разрываем эти связи), их называют ван-дер-ваальсовыми связями.
Связи между атомами в гексагоналах - сильные. Физики долгое время не верили, что В.И.Петрику удалось разорвать межатомарные (или, как их называют, ковалентные) связи, т.к. считалось, что они реально могут быть разорваны только в эпицентре ядерного взрыва.
В.И.Петриком было синтезировано химическое соединение, способное к взрывообразному разложению. Это соединение способно проникать путем обычного смачивания в межслоевые пространства графита (СУС) и находиться в таком состоянии сколь угодно долго, никак себя не проявляя. Однако, достаточно взорвать некоторое критическое количество молекул этого соединения, и начнется настоящая цепная реакция.
Запустить такую реакцию автокаталитического распада соединения можно, например, механическим воздействием, т.е. простым ударом, химическим воздействием, нагреванием до 150-200°С, даже направленным мощным звуком. И при каждом взрыве заложенной молекулы от общей массы графита (СУС) отделяется один атомарный углеродный слой - графен.
Выглядит фантастически, когда в результате неуправляемой(!) холодной(!) цепной реакции происходит радикальная деструкция СУС, и объем СУС (графита) увеличивается в 500 раз.
Процесс получения УСВР из СУС путем неуправляемой холодной цепной реакции. Кусок графита превращается в легчайший черный пух, содержащий до 20% наноструктур.
Наноструктуры, содержащиеся в УСВР - это не только графены, но и нанотрубки, ветвящиеся нанотрубки, нанокольца, нанофракталы.
Представим себе, что мы оторвали от книги страницу и оставили ее в сухом месте. Спустя некоторое время высыхающая страница свернется в наиболее энергетически удобную для нее форму - форму трубки. Точно то же самое происходит и с графеном, отделенным от общей графитовой структуры - он сворачивается в нанотрубку.
Взрывы молекул химического соединения разрывают не только ван-дер-вальсовы связи между графенами (в результате чего графит «распушается», увеличиваясь в 500 раз в объеме), но они также частично разрывают ковалентные связи между атомами углерода в самих графенах, в результате чего в массе УСВР образуется огромное количество свободных радикалов - ненасыщенных атомарных связей.
Основные физико-химические свойства УСВР
УСВР химически инертен, электропроводен, гидрофобен (краевой угол смачивания более 90 градусов), устойчив к агрессивным средам, экологически чист. Содержание углерода не менее 99,4%, насыпная плотность - 0,01 - 0,001 г/куб.см (в зависимости от способа изготовления). Удельная поверхность - 2000 кв.м на 1 г. Диапазон рабочих температур: от -60 град.по Цельсию до +3000 град.по Цельсию. Возврат присоединенного вещества - до 98%.
УСВР и терморасширенный графит (ТРГ)
Отметим, что метод деструкции графита путем разрыва ван-дер-ваальсовых связей был известен с 40-50 годов ХХ в. Этот метод вкратце сводится к следующему: СУС смачиваются серной кислотой с окислителями - азотной кислотой, перекисью водорода, бихроматом калия и пр., затем полученная масса за 2-3 секунды нагревается до 2000°С (термоудар).
Молекулы серной кислоты при столь резком нагревании не успевают испариться, и резкое увеличение от нагревания объема серной кислоты «распушает» СУС, в результате чего получается вещество, внешне похожее на УСВР, которое называют терморасширенным графитом (ТРГ).
Отличить УСВР от ТРГ можно по запаху: УСВР не имеет запаха, а ТРГ имеет сильный кислотный запах (остатки серной кислоты из массы ТРГ никоим образом не удалить). Кроме того, ТРГ - серый, тогда как УСВР имеет глубокий черный цвет.
Заметим, что, несмотря на увеличение сорбирующей способности ТРГ по сравнениюс «нераспушенными» углеродными соединениями (за счет большой сорбирующей поверхности), ТРГ как сорбент запрещено применять во многих странах, - именно из-за остатков кислот, которые не удаляются даже при высокой температурной обработке. Активность этих остатков так велика, что ТРГ транспортируют в антикоррозийных контейнерах.
Некоторые люди, услышав про УСВР, считают, что УСВР - примерно то же самое, что ТРГ. Это - принципиально не так. ТРГ - это не новая модификация углерода, это уже известная модификация - графит, только «распушенный», резко увеличенный в объеме за счет разрушения ван-дер-ваальсовых связей. Ковалентные связи между атомами углерода в ТРГ сохраняются.
Аналитический центр химического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова провел сравнительный анализ сорбционных свойств УСВР и ТРГ (см. табл.1), и в экспертном заключении (подписанном 20.10.2000 г. руководителем центра профессором Шпигуном О.А.) по данным такого анализа сделал вывод, что «УСВР обладает существенно более высокими сорбционными показателями по всему ряду компонентов..., поэтому УСВР является уникальным сорбентом для комплексной очистки как питьевой воды, так и промстоков».
УСВР как сорбент
Частично разорванные ковалентные связи образуют в массе УСВР огромное количество ненасыщенных межатомарных углеродных связей по периметру гексогоналов углерода. Эти ненасыщенные межатомарные углеродные связи (свободные радикалы) при контакте с очень широкой группой веществ (можно сказать - со всеми нерастворимыми и некоторыми растворимыми в воде примесями) удерживают их в массе УСВР, пропуская молекулы воды. Лучше всего удерживаются примеси, родственные УСВР по химическому составу (основа - углерод), например, нефтепродукты и эфирорастворимые вещества. Очень важно, что УСВР не вступает в химические реакции с сорбируемыми веществами, иными словами, в отфильтрованной воде не может быть никаких веществ, которых не было на входе: может быть сама УСВР в незначительных количествах, которую не удержали прокладки (это не страшно, т.к. УСВР можно принимать внутрь), могут быть в незначительных количествах те или иные не до конца сорбированные примеси, но чего-то третьего, каких-то веществ, образовавшихся в результате химической реакции УСВР и тех или иных примесей (или химической реакции между самими примесями, где катализатор - УСВР) быть не может. Хотя УСВР удерживает примеси за счет свободных радикалов на молекулярном и атомном уровнях, так сказать, электрохимическими методами (а не просто чисто механически), но при этом в химические реакции не вступает.
Связь УСВР и сорбируемых примесей достаточно прочная для того, чтобы их задержать в массе УСВР, но при этом достаточно слабая, чтобы при определенных условиях отделить примеси от УСВР. Так, например, УСВР, поглотившая нефть из нефтесодержащей воды (1 г УСВР поглощает примерно 80 г нефти), может быть регенерирована простым отжимом (пресс, центрифуга и др.). После отжима УСВР на 30-40% теряет сорбирующую способность (часть нефти останется в массе УСВР), но способен "работать" и дальше.
УСВР как фильтр
При смачивании УСВР образует массу, обладающую огромным гидравлическим сопротивлением, которое намного выше, чем, скажем, у активированного угля. В этой массе, как в очень плотно сплетенной сети "запутываются" - чисто механически - даже самые мелкие взвеси. Это означает, что масса УСВР толщиной в несколько сантиметров работает не только как сорбент, удерживая примеси при помощи ненасыщенных межатомарных углеродных связей, но и как фильтр, чисто механически удерживая даже мельчайшие примеси и взвеси. В этой второй своей ипостаси УСВР-фильтр работает подобно мембранным бытовым фильтрам. Подобно - не значит, что также, нет - намного лучше. Дело в том, что мембраны удерживают примеси только одной плоскостью или несколькими плоскостями, а УСВР удерживает их объемом.
Чтобы засорить мембрану или систему мембран мелкими и мельчайшими примесями, достаточно пропустить через них объем воды, на несколько порядков меньший, чем для того, чтобы засорить объемный УСВР-фильтр. Мембранные фильтры не только необходимо регулярно промывать (ясно, что система обратной промывки резко удорожает очистку воды), но и менять значительно чаще, чем картриджи УСВР-фильтров, не требующие никакой промывки.
Уникальные возможности УСВР
СВР в качестве и сорбента, и фильтра наголову превосходит все известное в мире в области водоочистки.
При однократной фильтрации питьевой воды мутность уменьшается в 25-60 раз, количество взвешенных частиц - в 10-30 раз, достигается высокая степень удаления сульфатов, сульфидов, фторидов, хлоридов, нитритов, аммонийного азота, железа, цинка, меди, алюминия, марганца, свинца, молибдена, свободного хлора.
УСВР обладает еще одним уникальным свойством: после прохождения раствора через слой УСВР толщиной в 10-15 см, такой важный показатель, как биологическое потребление кислорода (БПК) уменьшается в два раза. Только специальные бактериальные фильтры способны действовать подобным образом. При этом стоимость такого, даже маломощного, (проток 2 л/мин) фильтра "PENTA PURE" американского производства составляет около 1000 долларов США.
Сравнительный анализ некоторых характеристик УСВР-фильтра и фильтра "Барьер" (США) выявил превосходство первого над вторым по уменьшению следующих показателей:
- цветности - в 5 раз;
- содержанию взвешенных веществ - в 7 раз;
- мутности - в 16 раз;
- содержанию железа - в 187 раз.
В ряде случаев превосходство УСВР-фильтров над другими видами фильтров является даже не кратным, а абсолютным.
Так, например, ни один в мире фильтр не в состоянии полностью очистить воду от гумуса. УСВР-фильтр может, а другие фильтры не могут сделать питьевой гумусовую (болотную) воду - преимущество абсолютно. При очистке УСВР-фильтрами промышленных стоков было установлено, что они поглощают нефтепродукты и эфирорастворимые вещества до уровней, ниже, чем уровень ПДК (кратность очистки более 1000). УСВР эффективно удаляет многие катионы, в том числе меди (в 30 раз), железа (в 3 раза), аммония (в 2-3 раза), ванадия (в 5 раз), марганца (в 2 раза), фосфатов (в 35 раз), органические и неорганические анионы, в том числе сульфиды (в 6 раз), фториды (в 5 раз), нитраты (в 3 раза), уменьшает концентрацию взвешенных частиц более чем в 100 раз. Только очень немногие комплексные промышленные фильтрующие агрегаты (состоящие из трех и более различных фильтров) обладают такой универсальной способностью - одновременно очищать сточные воды от анионов, катионов и органических веществ. УСВР хорошо очищает воду от нерастворенных примесей и плохо - от растворенных. Если бы УСВР хорошо удаляла из воды и истинные растворы, то ее нельзя было бы использовать для очистки питьевой воды: в результате получился бы дистиллят. Суть в том, что в воде, прошедшей УСВР-фильтрацию, сохраняются натуральные соли и микроэлементы. То, что растворено в воде, обычно проскакивает через УСВР-фильтр (за рядом исключений, например, УСВР частично задерживает растворенные в воде крупные молекулы органики). Но в воде есть и вредные растворенные примеси. Для того, чтобы очистить воду от растворенных в ней примесей, их, перед пропусканием воды через УСВР-фильтр, следует перевести в нерастворенную форму. Например, для понижения содержания в воде солей кальция и магния (жесткости), а также - двухвалентного (растворенного) железа, можно предварительно использовать фильтр с ионно-обменными смолами, т.е. поступить так же, как это и делается во всем мире.
Фильтры на основе углеродных наноструктур многократно, а в некоторых аспектах — абсолютно, превосходят аналоги; они позволяют получить воду, обладающую целебными свойства.
-
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО, легкая и пищевая промышленность
Наноматериалы в текстиле. Текстиль на основе наноматериалов приобретает уникальные по своим показателям водонепроницаемость, грязеотталкивание, теплопроводность, способность проводить электричество и другие свойства[19].
Наноматериалы могут иметь в своем составе наночастицы, нановолокна и другие добавки. Например, компания Nano-Tex успешно производит ткани, улучшенные с помощью нанотехнологий. Одна из таких тканей обеспечивает абсолютную водонепроницаемость: благодаря изменению молекулярной структуры волокон, капли воды полностью скатываются с полотна, которое при этом «дышит».
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
