Детоксикации техногенно-загрязненных жидких сред

Проект нацелен на:

а) разработку новых технологий и создание экономически эффективных и экологически безопасных производств;
б) разработку комплексной технологии детоксикации техногенно-загрязненных жидких сред с использованием магнитоактивных сорбентов на основе природных гуминовых веществ и наночастиц магнетита и соответствует направлениям исследований, поддерживаемых в рамках Технологических платформ “Биоиндустрия и биоресурсы – БиоТех2030” и “Технологии экологического развития”.

[penci_related_posts title=”Вам также может быть интересно” number=”4″ style=”list” align=”none” displayby=”cat” orderby=”random”]

Основания для выполнения проекта

Создание современной научно-технологической базы для производства функциональных гибридных материалов на основе наночастиц магнетита и природных полимеров, оптимизированных по показателям детоксицирующей способности и магнитоактивной компоненты, позволит обеспечить существенное повышение сорбционной и дектоксицирующей способности получаемых магнитоактивных сорбентов.

Проект реализуется в соответствии с государственными документами, определяющими основные направления развития экологических технологий и наноиндустри, соответствует современному направлению критических технологий, связанному с созданием технологии получения и обработки функциональных наноматериалов, технологии безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом.

Разрабатываемые в рамках проекта технологии относятся к приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, в частях: «индустрия наносистем» и «рациональное природопользование», а также критическим технологиям Российской Федерации, перечень которых утвержден Указом Президента Российской Федерации от 7 июля 2011 г. № 899, в частях: « Нано-, био-, информационные, когнитивные технологии”, “Технологии безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом», «Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов», “Технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера”, а также «Технологии предотвращения и ликвидации загрязнения окружающей среды».

For the happiest life, days should be rigorously planned, nights left open to chance.

Краткая характеристика продукции

Успех детоксикации загрязненных объектов во многом определяется эффективностью использованных детоксицирующих агентов, среди которых большое количество антидотов и сорбентов. При этом антидоты весьма эффективны, но обладают селективным действием по отношению только к определенным классам токсикантов и могут представлять собой опасность вторичного загрязнения природных сред; сорбенты (например, активированный уголь, цеолиты) связывают загрязняющие вещества по механизму физической сорбции. Основным недостатком этих связывающих систем является, с одной стороны, невысокая прочность связывания химических (часто имеющая равновесную природу) и радиохимических загрязнений, а с другой – трудности удаления (особенно в случае радионуклидов) конгломератов загрязнитель-сорбент, а также высокая стоимость подобных сорбентов.

Существующие технологии удаления токсичных ионов металлов из загрязненных сред, такие как методы химического осаждения, адсорбции, экстракция растворителями, ионно-обменные и мембранные методы, методы ультрафильтрации имеют недостатки в виде неполноты удаления металлов, высокой стоимости технологий, требующих больших затрат реагентов и энергии, наконец, сами технологические процессы утилизации могут сопровождаться образованием токсических шламов, отложений и других продуктов загрязнений. Кроме того, вопросы эффективности и затратности становятся более актуальными в тех случаях, когда концентрация металла в загрязненных средах находится в пределах 10-100 мг/г.

Удаление частиц из растворов с использованием магнитных полей является более селективным и эффективным (зачастую более быстрым), чем, например, центрифугирование или фильтрация, и поэтому магнитная сепарация находит широкое применение в биотехнологии и экологии. Обычно для этих целей используются высокоградиентные магнитные сепараторы с большими магнитными полями (до 2 Т). В этой связи представляется перспективным использование магнитных материалов, содержащих магнитоактивные нанокристаллы, которые могут быть эффективными для низкополевой магнитной сепарации.

Таким образом, актуальной проблемой является создание экологически безопасных детоксицирующих агентов комплексного действия, обладающих высоким реабилитационным потенциалом по отношению к поврежденным биогеоценозам.

Предлагаемая в проекте разработка основана на получении наночастиц магнетита Fe₃O₄, обладающих более высокими магнитными характеристиками и высокой удельной поверхностью по сравнению с получаемыми промышленным способом порошками α-FeOOH, α-Fe₂O₃, γ-Fe₂O₃. Кроме того, для увеличения сорбционных свойств магнетита синтез наночастиц магнетита проводится в матрице гуминовых веществ, являющихся стабилизатором роста наночастиц магнетита, с одной стороны, и эффективным сорбентом, с другой.

Конструирование сорбентов на основе гуминовых веществ и химически связанных наночастиц оксидов железа в качестве магнитоактивных компонентов позволяет использовать их для связывания и извлечения радионуклидов и тяжелых металлов из природных объектов при помощи экологически безопасных нанотехнологий в области защиты окружающей среды – магнитной сепарации. Перспективность использования макромолекул гуминовых веществ в качестве сорбентов определяется их полифункциональностью. Основными структурными единицами макромолекулы гуминовых кислот являются ароматическое ядро и периферические функциональные группы: карбоксильные, фенолгидроксильные, метоксильные, карбонильные, обуславливающие их высокую реакционную способность и высокую (до 1 ммоль/г) сорбционную емкость за счет реакций комплексообразования и формирования хелатных структур.

Перспективность практического использования гуминовых веществ и их производных в качестве сорбентов определяется громадными ресурсами гумусосодержащих материалов, к которым относятся бурый уголь, торф, сапропель и др. Кроме того, реакции комплексообразования макромолекулярных лигандов с ионами металлов имеют важное практическое значение благодаря возможности их использования в концентрировании и разделении следовых количеств металлов, контроле и утилизации различных загрязнений, в том числе элюентов, сточных, подземных и др. вод и т.д.

Авторами проекта создана аналитическая платформа для получения, анализа и тестирования гуминовых веществ, конструирования различных функциональных, в том числе наноструктурированных магнитоактивных сорбентов для связывания и утилизации радионуклидов и ионов тяжелых металлов (Zaripova, Kydralieva et al, 2008; Pomogailo, Kydralieva et al., 2011; Юрищева, Кыдралиева и др., 2011; Терехова, Кыдралиева и др., 2012; Yurishcheva, Kydralieva et al., 2012; Захарова, Кыдралиева и др., 2012; Zakharova, Kydralieva et al., 2012; Li, Kydraleva et al., 2012; Помогайло, Джардималиева, 2010-2012).

Общая стоимость инвестиционного проекта: 556,0 млн. руб.

Размер запрашиваемой субсидии для выполнения НИОКР:  50% от стоимости инвестиционного проекта (228,0 млн.руб.)

Требования к НИОКР

Цель работы:

Разработка комплексной технологии детоксикации техногенно-загрязненных жидких сред с использованием магнитоактивных сорбентов.

Для достижения цели проекта планируется решение следующих задач:

• создание технологической платформы для масштабирования технологии конструирования магнитоактивных сорбентов на основе наночастиц магнетита, синтезированных в матрице гуминовых веществ,
• оптимизация технологии получения опытных партий продуктов,
• стабилизации и анализа наночастиц в пилотных партиях магнитоактивных сорбентов,
• тестирование их магнитной, сорбционной и детоксицирующей активности по отношению к основным классам экотоксикантов – тяжелым металлам и уранил-ионам.

Выполнение исследований в рамках представленного проекта позволит совершить качественный переход от теории к практике применения магнитоактивных сорбентов в качестве детоксицирующих агентов при проведении рекультивации загрязненных территорий.

Получаемые в конце работы результаты (технологии, подготовленные к промышленному использованию):

Разработанный в ходе выполнения проекта отчет должен предназначаться для проведения НИР, актуальной для инновационного развития российских технологий по приоритетным направлениям Технологической Платформы “Технологии экологического развития”.

Разработанные научно-технические основы создания технологии производства магнитоактивных сорбентов на основе гуминовых веществ должны предназначаться для получения магнитоактивных наноструктурированных материалов с заданными морфологическими свойствами (размерными эффектами наночастиц) и химическим составом, однородных в распределении размеров частиц, стабильных в течение длительного времени, с целевыми магнитными и сорбционными характеристиками.

Разработанная в ходе выполнения проекта эскизная конструкторская документация на макет установки для получения магнитоактивных сорбентов должна предназначаться для изготовления установки и последующей ее эксплуатации.

Разработанный в ходе выполнения проекта лабораторный макет установки для получения магнитоактивных сорбентов должен предназначаться для отработки оптимальных технологических режимов получения сорбентов с заданными морфологическими свойствами и химическим составом, однородных в распределении размеров частиц.

Разработанный в ходе выполнения проекта лабораторный регламент технологического процесса производства магнитоактивного сорбента должен предназначаться для получения опытных партий сорбента.

Разработанный в ходе выполнения проекта проект технического задания на проведение прикладных НИР по теме: “Технологии изготовления магнитоактивного сорбента” должен предназначаться для специалистов, работающих в области природоохранных технологий.

Требования к показателям назначения, техническим характеристикам научно-технических результатов НИР

Характеристики технологического процесса производства детоксикантов соответствует следующим показателям:

• Разработанный технологический процесс производства и применения сорбентов из окисленных бурых углей должен обеспечивать:
• получение гуминовых сорбентов селективного действия по отношению к целевым экотоксикантам;
• возможность получения магнитоактивных наночастиц, стабильных в течение длительного времени;
• получение магнитоактивных материалов с намагниченностью насыщения для магнетита не менее 98 и 92 emu/g при 5 и 300 К и емкостью катионного обмена сорбента, например, по свинцу не менее 250 мэкв/100 г;
• возможность удаления следовых количеств токсических веществ – 10-100 мг/л.

Основные этапы работ

Предлагаемая разработка должна быть выполнена в 3 этапа.

1 этап работы – Выбор направления исследований.

Теоретические и экспериментальные исследования поставленных перед НИР задач. Исследования будут направлены на поиск научно-обоснованных подходов к оптимизации и масштабированию технологии магнитоактивного нанокомпозита.

На первом этапе проекта будут выполнены следующие работы:

• Аналитический обзор информационных источников по технологиям ремедиации загрязненных вод с использованием магнитных композитов;
• Составление патентного отчета по ГОСТ 15.011-96 по технологиям ремедиации загрязненных вод с использованием магнитных композитов;
• Обоснование выбора направления исследований, методов и средств изучения;
• Получение и физико-химическая характеристика органических и неорганических прекурсоров композитов;
• Разработка научно-технических основ создания технологии;
• Разработка технологического процесса получения магнитоактивного нанокомпозита химическим соосаждением;
• Лабораторный регламент технологического процесса производства магнитоактивного нанокомпозита;
• Характеристика физико-химических свойств магнитоактивных наногибридных композитов;

2 этап работы – Экспериментальные исследования поставленных перед НИР задач. Обобщение и оценка результатов исследований. Исследования будут направлены на контроль качества магнитных и сорбционных свойств магнитоактивных сорбентов.

На втором этапе проекта будут выполнены следующие работы:

2.1. Контроль качества получаемых продуктов по показателям магнитной активности;

• Лабораторные исследования сорбционной активности экспериментальной партии продукции;
• Рекомендации и предложения по использованию результатов НИР в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках;
• Разработка проекта ТЗ на прикладную НИР;

3 этап работы – Масштабирование технлогии получения магнитоактивных детоксикантов

3.1 Получение опытных партий детоксикантов c помощью масштабированных технологий, включая выпуск различных товарных форм (порошки, растворы);

3.2 Проведение гидравлических и пуско-наладочных испытаний опытно-промышленной технологической линии по производству целевых продуктов.

3.3 Установка и монтаж аппаратов из нержавеющей стали для производства целевых продуктов с системой КИПиА.

3.4 Обвязка основного и вспомогательного оборудования трубопроводами из нержавеющей стали с запорной и регулирующей арматурой в соответствии с аппаратурно-технологической схемой.

3.5 Оценка токсичности композитов;

3.6 Подготовка к публикации данных по сорбционной активности прекурсоров и композитов на их основе;

3.7 Подготовка патентной заявки.

Результаты реализации комплексного инвестиционного проекта.

Технические и экономические характеристики разрабатываемой научно-технической продукции.

Предложенное исследование представляет собой разработку комплексной технологии.

В ходе выполнения проекта планируется получить следующие результаты:

• Технологии получения магнитоактивных сорбентов на основе наночастиц магнетита и гуминовых веществ, оптимизированные по показателям “магнитные/сорбционные свойства”.
• Препараты магнитоактивного сорбента, полученные с использованием оптимальных технологическим режимов.
• База данных по составу, строению и физико-химическим свойствам, полученных магнитоактивных сорбентов и их сорбционным характеристикам, наборы парциальных структур (“отпечатки пальцев”), характерные для созданных сорбентов.
• База данных по пористости и плотности получаемых магнитоактивных сорбентов, размерам магнитоактивных частиц и их распределению.
• Результаты по исследованию магнитных характеристик получаемых магнитоактивных сорбентов.
• Результаты по оценке сорбционных и детоксицирующих свойств полученных магнитоактивных сорбентов по отношению к модельным экотоксикантам (тяжелые металлы, радионуклиды), константы связывания.
• Макет установки лабораторный для получения сорбентов.
• Схема аппаратурно-технологическая для производства магнитоактивных сорбентов.
• Данные для конструирования установки получения магнитоактивного сорбента.
• Протоколы испытаний биобезопасности произведенных сорбентов.
• Рекомендации по практическому применению сорбентов для детоксикации загрязненных территорий.

Конечными рыночными продуктами будут являться средства для утилизации техногенных загрязнений – ферромагнитные сорбенты на основе гуминовых веществ различных товарных форм (порошки, концентраты, растворы); а также магнитосепарационная нанотехнология с использованием природных сорбентов на основе гуминовых веществ или их производных и магнитоактивных наночастиц. Препараты обладают одновременно свойствами антидотов, сорбентов и химических мелиорантов почв. Потенциальными рынками для результатов разработки являются рынки специальных химикатов и биопродуктов. Адресными рынками конечного продукта могут быть рынки природоохранных технологий (сорбенты, редокс-агенты, детоксиканты) для рекультивации радиоактивных хвостохранилищ и отвалов, техногенных пустынь вблизи химических предприятий, авто- и авиамагистралей, городских грунтов (вблизи ТЭЦ), сточных вод, очистных сооружений, очистки биогенных отходов медицинских учреждений (биологические и анатомические отходы, реактивы и дезинфицирующие средства).

Конечные продукты обладают тем преимуществом, что оказывают гораздо более выраженное детоксирующее по отношению к тяжелым металлам действием по сравнению с немагнитными гуминовыми веществами. По своей эффективности сравнимы с низкомолекулярными комплексонами в отношении тяжелых металлов. По сравнению с низкомолекулярными хелатами, разработанные детоксиканты обладают тем преимуществом, что помимо металлов они могут связывать и органические гидрофобные загрязняющие вещества.