Методическое пособие 753

симально допустимые уровни звука (LАмакс, дБ) - больше "нормальных" на 15 децибел. Например, для жилых комнат квартир допустимый постоянный уровень звука в дневное время - 40 децибелов, а временный максимальный - 55. При постоянно работающем инженерном оборудовании - учитывается поправка - минус 5.

Около 40 % общей площади среднестатистического города непригодны для обеспечения должного уровня проживания из-за чрезмерного акустического загрязнения. В городах жители домов, находящихся вблизи магистральных улиц, испытают значительный шумовой нагрузки, которое в некоторых случаях достигает 83-90 дБ, причем в 55-86 % источником повышенного шума является не только автотранспорт, но и перерабатывающие и горнодобывающие предприятия, нередко располагающиеся в городской черте из-за активного роста и развития мегаполисов.

Самыми шумными города в России являются многие областные и районные центры страны, практически все территории крупных транспортных узлов и городские жилые застройки вдоль проспектов и вблизи аэропортов. К данной категории относятся: Москва, Санкт-Петербург, Красноярск, Ростов-на-Дону, Челябинск, Екатеринбург, Пермь, Иркутск, Ярославль, Воронеж, Липецк, Новокузнецк, Нижний Тагил, Магнитогорск, Омск, Уфа, Самара, Нижний Новгород, Новосибирск, Мурманск, Пермь, Тула, Ульяновск, Кемерово и другие.

Объектом исследования является Сокольско Ситовское месторождение по разработке флюсового известняка Липецкой области. В непосредственной близости от данног горндобывающего предприятия расположена крупная автомобильная магистраль ЛипецкЧаплыгин. Особенностью Липецкой области является сочетание в экономике достаточно мощного аграрного сектора и промышленного потенциала. Область обладает развитой мине- рально-сырьевой базой, что позволяет не только поддерживать высокий промышленный потенциал региона, но и экспортировать некоторые виды минерального сырья и продукции как на территории России, так и за рубеж. В области открыто 193 месторождения различных видов полезных ископаемых. В эксплуатации находится 105 месторождений. Девять месторождений занимаются добычей известкового сырья.

Исследования акустической обстановки Липецкой области проводились в непосредственной близости от Ситовского участка Сокольско-Ситовского месторождения флюсовых известняков. ОАО «СТАГДОК» ведет разработку известняка методом пучения горой породы по средству организации массовых взрывов мощностью, заложенного взрывчатого вещества

6-10т.

Возникающий в открытых выработках шум распространяется по воздушной среде на более или менее значительные территории прилегающей местности. При открытой разработке месторождений мощные шумовые импульсы, распространяющиеся на большие расстояния, при производстве массовых взрывов. Шум от взрывного вторичного дробления обычно локализуется в пределах карьера. Уровни звукового давления приближаются к порогу болевого ощущения.

Производство взрывных работ сопряжено с возникновением в воздушной среде ударных волн. Ударная волна распространяется со скоростью, превышающей скорость звука, на значительные расстояния, оказывая воздействие на человека и окружающую среду. По мере перемещения в воздушном пространстве ударная взрывная волна теряют свою интенсивность и скорость распространения, затухает и постепенно переходит в звуковую волну. Интенсивность ударных воздушных волн зависит от массы зарядов заложенного взрывчатого вещества и энергии образующихся при взрывах газов.

К основным характеристикам ударной взрывной волны относят давление на фронте волны, скорость распространения и время воздействия. При взрыве небольших зарядов взрывчатого вещества продолжительность воздействия ударной взрывной волны на человека измеряется миллисекундами и носит импульсный характер, от которого люди могут получать повреждения (при избытчном давлении до 10 кПа).

200

При короткозамедленном взрывании зарядов взрывчатых веществ формируются серии ударных воздушных волн, следующих одна за другой, и воздействие их проявляется в эффекте вибрации. Источником вибрации на горных предприятиях является многочисленное оборудование, эксплуатация которого в большинстве случаев связана и с генерированием шума.

Экспериментальные исследования показали, что максимальный радиус зоны безопасности при взрывных работах в карьерах по добыче нерудного сырья относительно центра карьера составляет 1,5 км. Расчет проводился для среднечастотного звука области максимальной чувствительности человеческого уха для частотот порядка 1-2 кГц при скорости звука в воздухе - 344.4 метров в секунду (при температуре 21.1 по шкале Цельсия).

Измерения при проведении исследований на Ситовском карьере проводились шумомером Asssistent SIU-V3. При проведении исследований точки наблюдения располагались как в непосредственной близости от точки производства массовых взрывов, на расстоянии 500 метров, а так же в одном километре, в полутора километрах в пределах прямой видимости. Наблюдения проводились при различных массах взрывчатого вещества – от 6 до 8,5т (рис. 1).

Рис. 1. Схема распределения точек наблюдения в пространстве

Произведены наблюдения за производством четырех массовых взрывов горных пород при разработке уступов чаши карьера. Исследования проводились в летний период. Были произведены замеры четырех событий и замер фона. Полученные данные обработаны и рассчитано среднее приращение интенсивности звука в зависимости от количества, применяемого для производства массового взрыва взрывчатого вещества (табл. 2).

Таблица 2 Расчет среднего приращения интенсивности звука в зависимости от массы используемого

ВВ

201

тотную характеристику уха. Между двумя, этими единицами нет постоянного соотношения: оно меняется в зависимости от уровня громкости сигнала и его частоты. Только для токов частотой 1 кГц численные значения для уровня громкости в фонах и уровня интенсивности в децибелах совпадают.

Для исследования диапазона с частотой 1 кГц поправки не вносятся. Здесь порог болевого ощущения наблюдается при ощущении звукового давления равного 110 дБ. Такой уровень звукового давления будет возникать при использовании масс ВВ равного в 13,6 т, что следует из уравнения (1).

Для других частотных диапазонов необходимо вводить поправку с учетом номограммы рис. 3.

Приращение интенсивности акустической волны при взрывах различной мощности приведено в табл. 3.

Зависимость приращение интенсивности акустической волны от мощности для низкочастотного диапазона приведена на рис. 3. Уравнение регрессии в данном случае имеет сле-

при коэффициенте детерминации R2 = 0,9767. Следовательно с учетом поправки по номограмме на рисунке 3 порог болевого ощущения для низких частот будет составлять около 80 дБ, в то время как максимальная масса ВВ 8,6 т. Это реальные данные для исследуемых ландшафтных условий карьера для максимально допустимой мощности взрыва. Мощность

при коэффициенте детерминации R2 = 0,9198. В этом случае порог болевого ощущения равен 100 дБ, в то время как максимальная интенсивность звука при мощности взрыва 8,5 т составляет 62 дБ, т.е. по высоким частотам имеется запас по массе использования взрывчатых ве-

203

ществ, как для средних частот.

Таким образом, для исследуемого карьера при радиусе СЗЗ в 0,5 км максимальная масса использования ВВ не должна превышать 8,5 т, что определяется особенностями восприятия человека на низких частотах.

Вывод.

Предложена полуэмпирическая модель оценки экологического воздействия на население проживающего вблизи карьеров по разработке нерудного сырья. Радиус СЗЗ выбирается исходя из минимального расстоянии до ближайших домой относительно рабочей зоны карьера. По проведенным экспериментальным измерениям стоятся уравнения регрессии зависимости приращения интенсивности звука от массы взрывчатого вещества, используемого при проведении массовых взрывов в трех диапазонах: низко, средне и высокочастотном. По приведенной номограмме определяется порог болевого ощущения в дБ. С учетом фона рассчитывается максимально допустимая масса ВВ, превышение которой приводит к болевому ощущению у населения близлежащих к карьеру населенных пунктов. Допустимая масса взрывчатых ВВ определяется крепость разрабатываемой породы, высотой борта карьера и

204

рельефом местности может быть определена либо экспериментально на границе СЗЗ. Либо рассчитана по предложенной модели.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет»

E.M. Repina, O.V. Bazarskiy

ANALYSIS OF THE INTENSITY OF THE ACOUSTIC IMPACT OF DRILLING AND BLASTING OPERATIONS IN QUARRIES ON THE DEVELOPMENT OF NON-METALLIC RAW MATERIALS FOR THE COMFORTABLE LIVING OF THE POPULATION

The paper presents a mathematical model and analysis of the calculation of the increment of the intensity of acoustic load during the use of explosives during mass explosions in quarries for the development of non-metallic minerals, located in close proximity to residential settlements in the context of growing cities

Key words: mining company, metropolis, massive explosions, sound effects, comfort of living, the impact of the noise field, the development of non-metallic minerals

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State University»

УДК 621.434.019.13

И.А. Мерщиева, В.И. Лукьяненко АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ТОПЛИВА - ВОДОРОД

Водород является экологическим топливом для постиндустриального общества. Водород может быть получен из различных природных источников, уменьшая использования нефти. В будущем водород может внести значительный вклад в энергоносители

Ключевые слова: водород, альтернативное топливо, экология, получение водорода

Идея использование водорода еще появилась в 80 годы ХХ века. Развитие альтернативной энергетики в Европе и США понятны: в Европе своих нефтегазовых запасов нет, а в США их мало. Водород как топливо для двигателей рассматривается в числе наиболее перспективных веществ. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, так как его легко выделить из обыкновенной воды.

Хранение и транспортировка этого газа сталкивается с определенными сложностями:

1.Взрывоопасность - в замкнутом пространстве достаточная для реакции концентрация гремучего газа может спровоцировать взрыв. Усугубить ситуацию способна высокая температура воздуха;

2.Для хранения водорода требуется емкость большого объема, а также специальные

системы, препятствующие улетучиванию Н2 и обеспечивающие защиту от механических деформаций;

3.В режимах высокотемпературных нагрузок водород способен провоцировать разрушительное воздействие на детали цилиндропоршневой группы и моторное масло. Применение соответствующих сплавов и смазочных материалов ведет к удорожанию производства

иэксплуатации двигателей, работающих на водороде.

Но данные проблемы достаточно решаемы, если аспект имеет альтернативное развитие. Так, например, в 1852 году в Германии был построен двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и воздуха. В настоящие время наиболее активные исследования по разработке водородных двигателей ведут компании General Motors, Honda Motor, Ford Motor, BMW.Отличным примером автомобиля с водородным двигателем может служить экспериментальный седан BMW 750hL, выпускающийся ограниченной серией и дос-

205

тупный покупателям. В нем установлен 12-ти цилиндровый двигатель, работающий на ракетном топливе (водород + кислород), позволяющий разогнаться до 140 км/ч.

Использование водородной энергетики Европе позволит независеть от поставщиков нефти и газа – России и Организации стран экспортов нефти, а также решать проблемы загрязнения окружающей среды [1-3].

В России запасов нефти и угля достаточно много. Однако запасы в недалеком будущем закончится, добывать придется все глубже и глубже, соответственно добыча будет обходится с каждым разом дороже.

Россия имеет уникальные достижения в области разработки ТЭ. Однако пока что свои возможности мы не используем в достаточной мере, обрекая себя не только на отставание в перспективной области энергетики, но в будущем ставим себя в зависимость от мировой экономической и политической конъюнктуры.

Основные причины, препятствующие работам в России по ТЭ и водородной энерге-

тике:

-отсутствие национальной программы по разработке и производству ТЭ и энергетических установок на их основе;

-отсутствие целевого государственного финансирования фундаментальных и прикладных исследований и разработок в области ТЭ. (Ранее они финансировались в рамках ра- кетно-космических программ);

-неразвитость и неготовность промышленной базы для производства ТЭ и энергетических установок на их базе;

-неготовность частного бизнеса по–настоящему субсидировать фундаментальные и прикладные исследования;

-отсутствие четкой и ясной государственной политики и реальной поддержки работ по экологически чистым ресурсо- и энергосберегающим технологиям.

Для получения водорода в настоящие время существует много путей из ряда источников (рис. 1).

Рис. 1. Возможные источники и пути получения водорода

Рассмотрим основные источники:

206

1.Мметан, уголь, древесина, нефтепродукты, техногенные горючие газы. При взаимодействия их с парами воды или воздухом образуется СО и Н2.

2.Отходы сельского хозяйства первоначальном образуется биогаз, а потом синтез-газ

Н2.

3. Промышленно-бытовые отходы. В результате использования решается две основные задачи: утилизация отходов, которых много на планете и получение экологического водородного газа (рис. 2).

Рис. 2. Области применения водорода

Существует ещѐ одним метод получение водорода с помощью электролиза. Принцип осуществляется с помощью разложения воды под воздействием электрической энергии.

Применение водорода в различных областях энергетики, на транспорте, в промышленности. Основная цель использования водородной энергетики – это отказ от использования стационарных электроустановках, двигателей транспортных средств углесодержащих средств, при сгорание которых образуются «парниковые газы», загрязняющие окружающую среду и вызывающие глобальную проблему страны - изменение климата [2].

Следует отметить, водородное топливо является экономичным. Основные показатели экономии расхода топлива от 20-30 %. Экономия происходит за счѐт повышения КПД двигателя, то есть энергия топлива расходуется на полезную работу. Так при использовании водородного топлива в работе сжигания образуется вода в виде пара, который не будет ухудшать состояние окружающего среды [3].

В программе развитии «водородной революции» Россия отстают, по сравнению с Западными странами. Русским ученым и правительству стоит обратить внимание на развитие перспективной водородной энергетики, так было отмечено много положительных сторон в использование. Суммарная мощность водородной станции достигает 16 МВт, а ее КПД – без малого 42 %, для стартового проекта является совсем неплохим уровнем.

Таким образом, с сегодняшних позиций представляется, что водород может иметь огромные перспективы для расширения своего использования во многих отраслях человеческой деятельности. Особенно – на транспорте и в энергетике. Несмотря на существенные технические проблемы и недоработки, использование в будущем водорода как основного вида топлива имеет многообещающие перспективы.

Литература

1.Р.В. Радченко, А.С. Мокрушин, В.В. Тюльпа. Водород в энергетике : учеб. пособие

-Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2014. - 229 с.

2.Беляев С. В. Топлива для современных и перспективных автомобилей : учебное пособие – Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2005. – 236 с.

207

3. [Электронный ресурс]: http://www.ronl.ru.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

I.A. Merschieva, V.I. Lukyanenko

THE USE OF ALTERNATIVE FUEL-HYDROGEN

Hydrogen is an ecological fuel for the post-industrial society. It can get from a variety of natural sources, reducing the use of oil. In the future, hydrogen can make a significant contribution to energy

Key words: hydrogen, alternative fuels, ecology, production of hydrogen

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education

«Voronezh State Technical University»

УДК 66.022.35

Ю.Р. Копылов, Ю.А. Щетинин, О.В. Горожанкина

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК КАРБОКСИЛЬНЫМИ ГРУППАМИ

Рассмотрены методы функционализации углеродных нанотрубок, снижающие их склонность к агломерации. Метод механохимической обработки углеродных нанотрубок осуществлялся в бисерной мельнице. Окисление углеродных нанотрубок проводили с помощью лабораторной установки кипячением в концентрированной азотной кислоте. На основании полученных данных выбрана оптимальная технология, обеспечивающая максимальную концентрацию карбоксильных групп

Ключевые слова: функционализация, механохимическая обработка, наноструктуры

Создание новых композиционных материалов является актуальной задачей современного материаловедения. В последнее время активно ведутся разработки технологий изготовления металломатричных композиционных материалов, упрочнѐнных наноразмерными частицами (углеродными нанотрубками, волокнами, фуллеренами, ультрадисперсными алмазами) [1-5]. Основной проблемой при создании нанокомпозитов является склонность наночастиц к агломерации, которая существенно зависит от их структуры, а так же от типа материала матрицы. В работах [6] и [7] показано, что наличие на поверхности углеродных нанотрубок (УНТ) кислородсодержащих функциональных групп (особенно карбоксильных), способствует усилению взаимодействия с металлами. В настоящей работе рассмотрены методы функционализации УНТ, снижающие их склонность к агломерации.

Поверхность углеродных наночастиц является изначально химически инертной и сольвофобной, что затрудняет их равномерное распределение в различных растворителях и матрицах. Прививка функциональных групп на поверхность УНТ позволяет эффективно решать задачи по улучшению их физико-химических свойств. Существует две стратегии химического модифицирования поверхности углеродных нанотрубок, основанные на ковалентном и нековалентном взаимодействии с различными химическими реагентами. Ковалентную функционализацию наиболее часто применяют для пришивки к поверхности УНТ кислородсодержащих групп (-СООН, -ОН, -С=О), которую можно осуществить с использованием жидких окисляющих реагентов, в качестве которых выступают кислоты, перекись водорода и смеси на еѐ основе. К нековалентной фукционализации относят удерживание у поверхности или образование вокруг УНТ химических соединений, связанных со структурой нанотрубок ван-дер-ваальсовыми, электростатическими и иными силами.

Синтезированные химическим парофазным осаждением многослойные углеродные

208

нанотрубки часто характеризуются неоднородностью по длине и образованием агломератов. Ковалентная функционализация поверхности полярными группами лишь отчасти решает проблему устойчивости коллоидных растворов на основе углеродных нанотрубок. Из-за разного размера более короткие функционализированные нанотрубки могут находиться в виде устойчивых коллоидных частиц дисперсной фазы раствора сколь угодно долго. Однако, более длинные нанотрубки в течение довольно непродолжительного времени могут седиментировать. В связи с этим применяются различные способы укорочения длинных

Механохимическая обработка (МХО) УНТ в водном растворе персульфата аммония (ПСА) с добавкой аммиака осуществлялась в бисерной мельнице. Персульфат аммония является сильным окислителем и способен отщеплять активный кислород. Реакция идѐт по

Далее активный кислород реагирует с поверхностью УНТ, находящейся в суспензии. Этот процесс может протекать и в нейтральной, и в кислой среде. Однако слабощелочная среда (аммиак) предпочтительна для уменьшения скорости гидролиза персульфата аммония

икоррозии оборудования.

Вэксперименте в бисерную мельницу с шариками из диоксида циркония загружали 3- 4 литра смеси, содержащей аммиачный раствор персульфата аммония и 50-60 г. УНТ. Материал обрабатывали с помощью бисерной мельницы в течение 8 часов при охлаждении корпуса мельницы водой. Затем суспензию нанотрубок отделяли от шариков фильтрованием через сетку из нержавеющей стали и подкисляли азотной кислотой до кислой реакции. Подкисленную суспензию выдерживали 48 часов при комнатной температуре для того, чтобы растворились примеси соединений металлов, которые обычно в небольшом количестве переходили в суспензию за счѐт износа стальных деталей мельницы. Затем кислую суспензию отфильтровывали на фильтре из полипропиленового нетканого материала

ипромывали водой до нейтральной реакции. В некоторых случаях по мере приближения pH продукта на фильтре к нейтральному, начиналась его коагуляция с переходом небольшого количества нанотрубок в коллоидный раствор. Это явление происходит за счѐт диссоциации в нейтральной среде поверхностных карбоксильных групп на нанотрубках с образованием на них отрицательного заряда, что приводит к самопроизвольному образованию коллоидного раствора. Чтобы подавить этот процесс, промывку в этих случаях проводили не водой, а слабым раствором азотной кислоты (2-3 мл концентрированной азотной кислоты марки ХЧ на 10 литров дистиллированной воды). Продукт высушивали в сушильном шкафу при температуре 80 °С.

Механохимическая обработка (МХО) УНТ в водном растворе гипохлорита натрия (ГПХ) с добавкой карбоната натрия осуществлялась в бисерной мельнице. Гипохлорит натрия является распространѐнным окислителем, который широко применяется для обеззараживания питьевой воды. В случае углеродных нанотрубок, можно предположить следующие уравнения реакций их поверхностных атомов углерода с гипохлоритом (2-4):

В противоположность персульфату, сам по себе элементарный акт отщепления активного кислорода от аниона гипохлорита не сопровождается изменением pH, однако, образующиеся карбоксильные группы понижают pH, поскольку реагируют со щѐлочью. Учитывая это, в экспериментах всегда добавляли в смесь для механохимической обработки УНТ карбонат натрия в количестве, достаточном для поддержания pH раствора в щелочной области. Механохимическую обработку УНТ проводили аналогично обработке в системах с

209