CC BY
42
Казахстан www.emercom.kz
5. Кусаинов А.Б. Весенние паводки в Республике Казахстан // Вестник КТИ МЧС РК № 2 (6). - Кокшетау: КТИ МЧС РК, 2012. - С. 24-26
6. Постановление Правительства Республики Казахстан. Об утверждении Правил установления водоохранных зон и полос: от 16 января 2004 года, № 42 // СПС «Параграф».
ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ УГЛЕРОДНЫХ
НАНОСТРУКТУР
Д.В. Русских, заместитель начальника кафедры, к.т.н., Воронежский институт ГПС МЧС России, г. Воронеж И.М. Голев, профессор, д.ф.-м.н., профессор, Е.А. Русских, преподаватель, к.т.н., ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж
Интенсивное развитие индустрии, которое столь характерно для нашего времени, вызвало к жизни появление новых научно-практических направлений. В частности, весьма динамичное развитие испытывают сейчас средства и методы химической диагностики окружающей среды. Аварийная утечка горючих газов (в том числе сжиженных), а также их залповый выброс из поврежденной части технологического оборудования являются непосредственными источниками загазованности открытых установок потенциально опасных предприятий нефтегазопереработки и потребления. Взрывоопасные облака топливно-воздушной смеси, как правило, воспламеняются через некоторое время после их образования, что позволяет иметь некоторый запас времени для принятия решения о необходимости включения устройств защиты, а также для принятия мер по предотвращению возможных взрывов на соседних объектах [1]. Поэтому весьма актуальным является обнаружение загазованности воздушной среды промышленной территории потенциально опасных предприятий на ранних стадиях аварии посредством непрерывного мониторинга довзрывных концентраций горючих газов. Проблему может решить лишь повсеместная установка на газифицированных объектах датчиков и систем автоматического мониторинга загазованности.
В данной работе приведены исследования сорбционных свойств пленок различных нанографитовых материалов. Они представляют большой практический и теоретический интерес. Это связано с уникальными свойствами наноструктурных объектов [2-4]. Известно, что их высокая сорбционная способность связана с их следующими особенностями:
1. Высокая роль поверхности раздела, доля приповерхностных атомов с уменьшением размера структурного элемента увеличивается до десятков
процентов. Свойства поверхностей раздела для наноструктурных элементов сильно отличается от свойств массивных материалов и могут быть управляемы.
2. В объемных наностуктурах большая поверхность раздела -межзеренные границы и тройные стыки.
3. Сильная зависимость удельного электрического сопротивления от площади межзеренных границ [5].
Таким образом, материалы на основе графита представляют собой новые физические объекты, уникальные свойства которых позволят использовать их в различных областях науки и технологии. Для исследования сорбционных свойств использовали пленки различных нанографитовых материалов:
- нанодисперсный аморфный углерод со средним размером частиц 50-80 нм;
- нановолокна диаметром 10-80 нм и длиной 500-2000 нм;
- деструктированный нанографит, представляющий собой пористую массу, составленную из тонких слоев толщиной 30-100 нм, беспорядочно ориентированных друг относительно друга.
На рисунке 1 приведены изображения структур исследуемых наноматериалов.
а) б) в)
Рис. 1. Структура исследуемых наноматериалов: (а) - нанодисперсный аморфный углерод; (б) - деструктированный нанографит; (в) - нановолокна
Суспензию получали растворением порошка нанографитовых материалов в толуоле (ЧДА) с последующей механической диспергацией в течение 30 минут. Полученный раствор наносили на подложку из полиамида с четырьмя омическими золотыми контактами, расположенными на расстоянии 1,9 мм в виде капли. При высыхании образовывалась пленка толщиной 40-50 мкм.
Зависимость относительного удельного сопротивления в парах ацетона 8ё = р(С)/р0, где р(С) - удельное сопротивление при изменении концентрации исследуемого газа в воздухе, р0 - начальное сопротивление при С = 0, показана на рисунке 2. Исследовали пары ацетона, так как они опасны для человека даже при разовом воздействии высоких концентраций. Вещество оказывает действие на центральную нервную систему, печень, почки, желудочно-кишечный тракт. Ацетон относят к классу 3,1 ЛВЖ пожарной опасности с температурой вспышки менее +23 °С. Смесь паров ацетона с воздухом взрывоопасна. Опасное загрязнение воздуха будет достигаться довольно быстро при
335
испарении этого вещества при 20 °С, при распылении - еще быстрее. Пар тяжелее воздуха и может стелиться по земле.
С ррт
Рис. 2. Зависимость относительного удельного сопротивления исследуемых образцов от концентрации ацетона в воздухе: 3- нанодисперсный аморфный углерод;
4- деструктированный нанографит; 11 - нановолокна. Т = 300 К
Из рисунка 2 видно, что для всех исследуемых образцов общий вид зависимости одинаков. В диапазоне концентраций от 0 до 2000 ррт происходит линейное возрастание удельного сопротивления. При больших концентрациях до 10000 ррт изменение сопротивления существенно меньше. Отметим, что наибольшее изменение сопротивления характерно для образцов на основе деструктированного нанографита. Увеличение сопротивления при наличии ацетона в воздухе связано с тем, что он является донором при хемосорбции молекулярного кислорода из воздуха на поверхности нанографита [6].
Для образцов на основе графита газовая чувствительность составила 4 % при комнатной температуре. Отметим, что работа всех известных датчиков газов происходит в диапазоне температур 300-500 ° С. Например, в работе [7] исследовались образцы тонких пленок на основе композита БпО+(6 %)У изменение составило 23 % при Т = 210 ° С.
Особенность проводимости используемых образцов объясняется свойствами омических контактов между структурными частицами. Принимая во внимание, что для наночастиц углерода характерно наличие большого числа оборванных связей, можно предположить, что при их контакте происходит восстановление связей углерод-углерод. Длина такой связи в алмазе равна 0,142 нм. Структура графита слоистая, а каждый атом образует сильные химические связи с другими атомами, расположенными в плоскости на расстоянии 0,140 нм, в то время как сами плоскости находятся друг от друга на существенно большем расстоянии - 0,335 нм и связаны слабыми ван-дер-ваальсовыми связями. Механические свойства получаемых образцов свидетельствуют о наличии между гранулами последнего типа связей. Следовательно, за величину длины контакта между гранулами можно принять значение й = 0,34 нм [8]. Очевидно, что в создании контактов участвуют случайные оборванные связи. Тогда можно предположить наличие в области контакта высокой концентрации
дефектов. Эти особенности образцов должны способствовать увеличению их сорбционных свойств [9].
В случае использования углеродных нановолокон контакты осуществляются межу «тонкими цилиндрами», которые расположены под различными углами друг относительно друга. Для нановолокон нехарактерно наличие большого количества оборванных связей, но, как показано в работе [8] между ними также возникают ван-дер-ваальсовские силы, которые приводят к формированию точечных контактов.
Так как размеры области контакта существенно меньше размеры гранул, то очевидно, что электрические свойства компактированных структур будут в основном определяться электрофизическими свойствам контактов.
В случае же использования деструктированного графита, который представляет из себя массу слоёв графена, беспорядочно ориентированных друг относительно друга (рис. 1), контакты между слоями отличаются от контактов в других образцах тем, что имеют значительно большую площадь. Причем контакт между графеновыми плоскостями имеет меньшую удельную концентрации дефектов. Как следствие, образцы, полученные компактированием деструктированного графита, имеют термоактивированный характер электрической проводимости. Отметим, в структурах, полученных компактированием углеродных частиц размером 50-80 нм реализуется прыжковая электропроводность с длиной прыжка носителей заряда приблизительно равной 19-25 нм.
Таким образом, можно предположить, что точечные контакты, возникающие между частицами деструктированного нанографита при комнатной температуре наиболее чувствительны к молекулам ацетона в воздухе. В образцах нанодисперсного аморфного углерода и нановолокон, имеющих омические контакты меньшей площади с меньшим количеством дефектов, величина газовой чувствительности ниже.
Список использованной литературы
1. Каргашилов Д.В., Вытовтов А.В. Определение расчетных величин риска в чрезвычайных ситуациях и на пожаре//Пожарная безопасность: проблемы и перспективы: Матер. III Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. уч., 20 сентября 2012. Воронеж, 2012. - С. 367-370.
2. Елецкий А.В. Сорбционные свойства углеродных наноструктур // Успехи физических наук, 2004. - Т. 174. - № 11. - С. 1191-1231.
3. Исследование взаимосвязи сорбционных свойств и наноструктуры углеродных молекулярных сит из антрацитов Кузбаса / А.В. Бервено, В.П. Бервено, М.А. Бондаренко, Е.О. Пенцак, С.Ю. Лырщиков // Письма в ЭЧАЯ. А. 2011. - Т. 8. - №10. - С. 11-14.
4. Новые наноструктуры на основе графена: физико-химические свойства и приложения / Л.А. Чернозатонский, П.Б. Сорокин, А.А. Артюх // Успехи химии. 2014. - № 83 (3). - С. 251-279.
5. Булыгина Е.В., Макарчук В.В., Панфилов Ю.В., Оя Д.Р., Шахнов В.А. Наноразмерные структуры: классификация, формирование и исследование: Учеб. пособ. для вузов. - М.: Сайн-Пресс, 2006. Вып. 1. - 80 с.
6. Механизмы сенсорного эффекта в кондуктометрических датчиках на основе диоксида олова для детектирования газов-восстановителей / В.Ф. Громов, Г.Н. Герасимов, Т.В. Белышева, Л.И. Трахтенберг // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2008. - Т. LII. - № 5. - С. 80-87.
7. Структура и электрофизические свойства нанокомпозита Sn-Y-O / Е.С. Рембеза, С.И. Рембеза, Е.А. Ермолина, М.В. Гречкина // Нано- и микросистемная техника. 2008. - № 6. - С. 19-22.
8. Thermoelectric Properties of Compacted Micro- and Nanodisperse Graphite Materials / I.M. Golev, V.N. Sanin // Journal of nano- and electronic physics, Vol. 6. - № 3. - 03063 (2pp). - 2014 г.
9. Проводимость и термоэлектрические свойства компактированных нанографитовых материалов / А.В Усков., И.М. Голев, И.В. Золотухин // Вестник ВГТУ. 2011. - Т. 7. - № 11.1. - С. 62-65.
К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ДОБЫЧЕ И ПЕРЕРАБОТКЕ НЕФТИ
Д.Х. Сатлыкова, к.х.н.,
Уфимский государственный авиационный технический университет,
г. Уфа
Р.М. Хатмуллина, д.х.н., В.И. Сафарова,
Управление государственного аналитического контроля,
г. Уфа
Деятельность предприятий нефтяной отрасли в России связана с использованием больших объемов воды, нарушением плодородного слоя почвы, выделением большого количества выбросов, образованием отходов и т.д. Использование устаревшего оборудования в этой отрасли также представляет угрозу для всех компонентов природной среды [1].
При извлечении и подготовке нефти к подаче в магистральный нефтепровод в окружающую среду попадают (кроме углеводородов нефти) высокоактивные пластовые воды, попутный нефтяной газ, химические реагенты, которые используются при бурении скважин для интенсификации извлечения углеводородов [2].
Нефтесодержащие отходы, образующиеся при добыче нефти и строительстве скважин, при эксплуатации месторождений, чистке резервуаров и других процессов представляет серьезную угрозу для окружающей среды [2, 3]. Так, при добыче 1 т нефти образуются около 40 % отходов (рис. 1).
Только при бурение одной скважины объем снятого плодородного слоя
