МИКРОПОРЫ ПРИОТКРЫВАЮТ СВОИ ТАЙНЫ

Актуальные публикации по вопросам развития современной науки.

Разместиться

ВОПРОСЫ НАУКИ новое

Все свежие публикации


Меню для авторов

ВОПРОСЫ НАУКИ: экспорт произведений
Скачать бесплатно! Научная работа на тему МИКРОПОРЫ ПРИОТКРЫВАЮТ СВОИ ТАЙНЫ. Аудитория: ученые, педагоги, деятели науки, работники образования, студенты (18-). Minsk, Belarus. Research paper. Agreement. Система Orphus

226 за 24 часа
Автор(ы): • Публикатор: • Источник:

Тематика работ ГНЦ "Институт катализа им. С.К. Борескова" СО РАН включает и фундаментальные исследования, и создание новых, невиданных доселе, материалов и технологий. В частности, здесь изучают термодинамические свойства и размерные эффекты в растворах электролитов, помещенных в поры различных веществ определенной геометрии. О важности и перспективах данного направления говорит и то, что тема "Исследование термодинамических свойств и структуры растворов и кристаллогидратов неорганических солей, диспергированных в монодисперсных нанопорах: размерные эффекты", выполняемая группой молодых ученых института, получила грант СО РАН. О целях и задачах этой работы рассказал сотрудник лаборатории энергоаккумулирующих процессов и материалов М. М. Токарев.

Один из основных вопросов, на который сейчас пытается ответить наука: как и почему изменяются свойства вещества при переходе из массивного, цельного состояния в ультрадисперсное. В настоящее время достаточно подробно изучены свойства малых металлических кластеров (частичек, состоящих из нескольких десятков атомов) и тонких пленок, а также понижение температуры замерзания воды или органических растворителей в тонких капиллярах. Гораздо меньше информации о многокомпонентных ультрадисперсных системах, скажем, растворах электролитов.

Для исследования размерных эффектов в последних применяют так называемые селективные сорбенты воды (СВС), созданные в лаборатории энергоаккумулирующих процессов и материалов Института катализа. Они представляют матрицу, в поры которой помещают высокогигроскопичное вещество, обычно неорганическую соль. У получающихся материалов - высокая сорбционная и энергоемкость, низкая температура регенерации и другие уникальные свойства.

Но до непосредственного начала работ здесь подробно изучили две системы типа СВС, содержащие соль в микро- и мезопорах силикагеля. При этом было обнаружено много интересного. Так, сорбционная способность кристаллогидратов мезопористой системы существенно возрастает, а в микропористой конструкции образование кристаллогидратов вообще не наблюдается. Калориметрическим методом было обнаружено понижение температуры плавления растворов и кристаллогидратов в мезопористых системах на 15-20 С.

И тогда перед учеными встал вопрос: присущи ли такие изменения свойств в порах силикагеля только данной соли или это явление общее для всех ультрадисперсных систем? Как и в рамках какой модели описать и объяснить происходящее?

Имея опыт и отработанные методики экспериментов, рассказывает далее М. М. Токарев, была поставлена цель - синтезировать и изучить максимально широкий круг систем, состоящих из пористых матриц с разной, но хорошо охарактеризованной структурой, и внесенных в них различных солей.

В процессе работы установили, что именно пористая структура матрицы, а не ее химическая природа существенно влияет на свойства помещенных в нее солей.

Поскольку разное "поведение" растворов и кристаллогидратов в нанопорах, по мнению ученых, связано с изменением их структуры и молекулярной подвижности, более детальное исследование проводили уже с применением комплекса взаимодополняющих физико-химических методов: ядерно- магнитный резонанс, инфракрасное излучение, диэлектрическая спектроскопия и динамический термомеханический анализ.

В результате оказалось: сильное изменение свойств изучаемых веществ наблюдается при помещении их в микропоры, что качественно может быть объяснено неоднородным распределением там ионов соли и молекул воды, входящих в состав электролита. Количественное же описание таких систем невозможно без теории негомогенных жидкостей.

С этой целью ученые создали модели поведения раствора электролита в порах с помощью математического моделирования. Было показано: действительно, система "соль-вода" в нанопорах не гомогенна. К тому же, удельная внутренняя энергия модельной системы повышается при уменьшении радиуса поры в определенных пределах, что совпадает с результатами экспериментов.

А на данных термодинамического анализа были построены температурно- независимые характеристические кривые сорбции воды растворами солей в нанопорах с использованием единственного независимого параметра - свободной энергии сорбции.

Далее М. М. Токарев делится ближайшими планами по разработке этой темы. Есть уверенность: уже установленные закономерности исследуемого процесса и изменения физико-химических свойств растворов, а также гидратов солей в матрицах с различной химической природой и пористостью в последующем позволит количественно охарактеризовать размерные эффекты в таких системах. Эта работа, помимо фундаментальной значимости, имеет и ряд конкретных практических приложений. Вот несколько примеров, показывающих, как можно реализовать уже достигнутое в ближайшем будущем.

Одна из старых и пока еще не решенных проблем в мире - суточное и сезонное аккумулирование тепла. Идея проста - запасти его летом, а зимой, с помощью накопленного отапливать помещения. Проекты создания жилья, обогреваемого по такому принципу, серьезно рассматривают на Западе, в частности, в Германии. Там уже созданы экспериментальные модели, где тепло хранят, используя огромные резервуары с водой. Объем каждого из них, с учетом теплоизоляции, превышает 70 м3. Расчеты, проведенные специалистами, показывают: вместо этой гигантской конструкции достаточно будет всего 3-4 м3 СВС, причем без значительных капиталовложений.

Еще одно возможное применение сорбентов - создание на их основе адсорбционных тепловых насосов и безфреоновых холодильников. Теоретические изыскания, в которых участвовали и итальянские коллеги, выявили очевидные преимущества российских материалов над традиционными системами, где используют цеолиты, силикагели и т.д. Во-первых, они работают при более низкой температуре: если для достижения высокого КПД тепловой машины на основе рабочей пары "цеолит-вода" требуется 230 С, то при замене их на сорбенты, созданные в Институте катализа, тот же эффект достигается при 120 С, что, конечно, значительно расширяет область применения соответствующих агрегатов. А поскольку те же СВС повышают удельную мощность установок, то можно вести речь об уменьшении габаритов последних и использовать их в малых помещениях, в частности, в автомобилях.

Но этим потенциальные возможности сорбентов не исчерпываются. Их очень выгодно использовать при глубокой осушке газов. Испытания показали, что весь процесс по новой технологии проходит в несколько раз быстрее, чем по традиционной, причем температура регенерации сорбента может быть на 50- 150 С ниже обычной, что позволит значительно снизить энергозатраты. В настоящее время на базе Омского филиала Института катализа СО РАН налажено промышленное производство такого осушителя с объемом выпускаемой продукции до 500 т в год.

И еще. На основе СВС созданы теплозащитные покрытия, работающие на принципе испарения воды. Опыты показали: время их действия на порядок выше, чем у общепринятых материалов, а эффективный коэффициент теплопроводности может быть ниже 5 мВт (м-К). Совместно со специалистами из Новосибирского института легкой промышленности, продолжает Токарев, были изготовлены и испытаны в лабораторных условиях эластичные теплозащитные ткани, содержащие одну из модификаций нового сорбента. Очень важное обстоятельство - все они являются многоразовыми, ибо после использования восстанавливают свое исходное влажное состояние, поглощая воду из атмосферы.

Последнее обстоятельство навело ученых на, казалось бы, совсем фантастическую идею: нельзя ли сначала извлечь, а потом использовать влагу, находящуюся в атмосфере? Ведь последняя является гигантским резервуаром воды. И это вполне реально: ночью, когда относительная влажность высока, сорбент будет поглощать воду, а днем, при нагреве, она станет испаряться и собираться в специальном конденсере. Уже в первых лабораторных прототипах соответствующего устройства была достигнута производительность до 400 г воды на 1 кг сорбента в сутки. Значит, тонна нового уникального материала может стать источником пресной воды для небольшого поселка в засушливом районе.

Большинство перечисленных разработок молодых ученых Института катализа защищены патентами.


Опубликовано 13 декабря 2013 года

Нашли ошибку? Выделите её и нажмите CTRL+ENTER!

© А. К. МАЛЬЦЕВ • Публикатор (): БЦБ LIBRARY.BY Источник: http://portalus.ru

Искать похожие?

LIBRARY.BY+ЛибмонстрЯндексGoogle

Скачать мультимедию?

подняться наверх ↑

ДАЛЕЕ выбор читателей

подняться наверх ↑

ОБРАТНО В РУБРИКУ

Уважаемый читатель! Подписывайтесь на канал LIBRARY.BY в Facebook, вКонтакте, Twitter и Одноклассниках чтобы первыми узнавать о лучших публикациях и важнейших событиях дня.