Электрические сети энергосистем Турбины тепловых и атомных электростанций Развитие атомной энергетики Анализ мирового энергетического рынка Воздействие радиации на человека Машиностроение для энергетики

Нанопористые материалы

Ученые нередко стремятся работать над теми проблемами, которые, по их мнению, окажут наибольшее воздействие на научно-технический прогресс. Как правило, такая активность приводит к довольно строгой корреляции между количеством публикаций и активностью в соответствующей области экономики. Анализ показал, что в прошлом резкий рост публикаций в области исследования, например конструкционных и полупроводниковых материалов, коррелировал с резким ростом финансовой и промышленной активности в соответствующих областях.

Так, например, удвоение количества публикаций в области исследования полупроводниковых материалов коррелировало с увеличением общемирового роста экономики полупроводниковой промышленности с 88,7 миллиарда до почти 160 миллиардов долларов. Сопоставление динамики роста публикаций в области исследования конструкционных и полупроводниковых и наноматериалов показывает, что активность в области исследований наноматериалов превзошла активность в области исследования конструкционных материалов в середине 1990-х. В 2002 году количество публикаций по наноматериалам сравнялось с количеством публикаций по полупроводниковым материалам, а уже в 2004 году активность в области наноматериалов уже вдвое опережала показатели в области полупроводниковых материалов. Обращает на себя внимание, что общее количество публикаций в области нанопроцессоров, наносенсоров, новых лекарственных препаратов и других приоритетных направлений нанотехнологий в 2004 году составило менее половины от общего числа публикаций по наноматериалам. Большая часть публикаций в 2004 году отражает исследования в области нанопористых материалов. Это связано, прежде всего, с тем, что основные области применения нанопористых материалов связаны с такими бурно развивающимися отраслями, как водородная и углеводородная энергетика, новые технологии переработки минерального и органического сырья, появлением принципиально новых подходов к стерилизации продуктов фармакологии, пищевой промышленности и биотехнологии.

Приведем лишь несколько примеров практического использования нанопористых материалов. Ассоциация «АСПЕКТ» создала пилотное производство металлокерамических наномембран TrumemÒ, включающее уникальный технологический комплекс «АСПЕКТ» для нанесения керамических слоев на пористую металлическую подложку. Основная идея создания комплекса состоит в последовательном нанесении на подложку различных слоев, отличающихся толщиной, размерами пор и объемной пористостью. Каждый из слоев может быть изготовлен из различных металлических или диэлектрических материалов. Достижением является создание градиентной пористости в любом из наносимых слоев.

Роботизированные узлы комплекса обеспечивают программируемую сдвиговую деформацию на поверхности формируемых слоев, что позволяет управлять параметрами их пористой структуры. Слои наносятся на непрерывно движущуюся ленту, причем каждый элемент подвергается воздействию нагрева, нанесения нанодисперсий и сдвиговой деформации по заданной программе. Выбор материалов слоев, размещение каталитических кластеров, соотношение толщин слоев и характеристик их пористой структуры позволяет получать металлокерамические структуры для создания мембранно-каталитических реакторов и широкого спектра мембранно-фильтрационных устройств.

Мембранные установки, разработанные в Ассоциации «АСПЕКТ» на базе мембран TrumemÒ, позволили создать универсальное оборудование, которое можно использовать практически для любых видов сырья. Под конкретную проблему в установке заменяются только мембраны с соответствующим размером пор, структурой и композицией слоев. Высокая степень очистки жидкости (ультрафильтрация) и производительность оборудования всегда зависят от свойств фильтрующего материала. Многослойные металлокерамические мембраны позволили создавать высокопроизводительные, долговечные, недорогие и компактные конструкции, которые способны либо полностью заменить громоздкие сооружения, обслуживание которых требует постоянных затрат. Но самое главное преимущество состоит в том, что мембраны самоочищаемы, то есть процесс фильтрации не требует остановки для регенерации или замены фильтрующего элемента.

Одно из самых масштабных и «прорывных» применений нанопористых мембранных материалов — разработка и создание так называемых наномембранно-каталитических реакторов — устройств, совмещающих процессы химической переработки сырья и разделение продуктов реакции.

Как известно, объединение мембраны и катализатора в одном модуле открывает новые возможности повышения селективности использования сырья, а также понижения энергозатрат на стадии каталитического синтеза.

Градиентно-пористые керамические мембраны — «ансамбль наноразмерных каналов» плотностью до 1010 на 1 см2 мембраны. После нанесения катализаторов на стенки таких каналов мембрана превращается в совокупность наноразмерных реакторов.

При использовании таких реакторов в фильтрационном режиме резко снижается температура, при которой становится возможным осуществление реакции, а также изменяется селективность реакции. Такие установки позволят осуществлять окислительные превращения метана и его гомологов во взрывобезопасном и экологически благоприятном режиме.

Основные преимущества мембранно-каталитических мультиреакторных блоков:

минимальное число энергоемких стадий разделения;

повышение выхода целевого продукта за счет непрерывного отвода из зоны реакции одного или нескольких продуктов реакции;

возможность осуществления окислительных превращений легких углеводородов во взрывобезопасных условиях;

существенное понижение капитальных затрат на создание таких установок;

легкая взаимозаменяемость модулей и гибкие технологические схемы;

высокая селективность протекания процессов при умеренных температурах.

Новые гибкие технологии позволят:

поднять на новый уровень переработку углеводородного сырья (природный газ, нефть, попутный нефтяной газ);

впервые существенным образом обойти труднопреодолимые этапы масштабирования процессов;

существенно снизить расходы материалов и энергетические затраты.

Предложенная Ассоциацией «АСПЕКТ» и исследовательскими институтами РАН принципиально новая технология утилизации попутных нефтяных газов позволит, кроме решения серьезных экологических проблем, дополнительно удовлетворить растущий спрос на олефины (этилен, пропилен, бутилены) и ароматические углеводороды (бензол, толуол и др.) на рынке продуктов нефтехимии и попутно получать высокочистый водород, как топливо для водородной энергетики. В течение 2005–2007 годов планируется провести комплекс работ по апробации и масштабированию наномембранно-каталитических модулей, объединяющих в одной конструкции устройство превращения смеси насыщенных углеводородов в олефины или ароматические соединения и отделения этих продуктов от водорода.

Еще одно направление работ Ассоциации «АСПЕКТ» связано с созданием отечественного портативного топливного элемента. Особенность оригинальной конструкции элемента состоит в использовании металл-углерод-керамических пористых матриц в качестве носителей для создания всех элементов мембранно-электродных сборок. Например, твердоэлектролитная часть сборки представляет собой матрицу, заполненную новыми протонпроводящими полимерами. Следует подчеркнуть, что этот проект является единственным проектом из России по топливным элементам, выбранным в качестве международного проекта по программе IPHE (Международное партнерство по водородной экономике/ International Partnership for Hydrogen Economy). Ассоциация «АСПЕКТ» объединила ведущие научные центры России для участия в программе IPHE. Зарубежными партнерами в этом проекте являются такие известные центры, как Ливерморская национальная лаборатория (США), Институт Фраунхофера (Германия), Корпорация CMR (Англия) и другие. Программа включает разработку пластичной нанопористой керамики, разработку новой технологии для наноуглеродных слоев с нанокластерами катализаторов, расположенных в порах, теоретические и экспериментальные исследования размерных эффектов массопереноса и электропроводности в градиентных нанопористых структурах. В России проект реализуется по заказу Федерального Агентства по науке и инновациям.

Совокупность имеющейся обширной информации об уникальных свойствах нанопористых материалов и об их качественно новых практических приложениях позволяет выделить нанопористые материалы в отдельный класс наноматериалов.


На главную