Комплексные проблемы техносферной безопасности. материалы V Международной научно-практической конференции. Колодяжный С.А

Теоретические оценки и накопленный экспериментальный материал свидетельствует о том, что на данном этапе развития науки и технологии основными гидридообразующими материалами принято считать следующие металлы: Ti, Ni, Al, Zr, Hf и некоторые другие. Кроме выбора соответствующего материала следует учесть, что для увеличения удельной водородной емкости в структуре металла необходимо обеспечить наличие дефектов. Поскольку процесс взаимодействия водорода с металлом происходит именно по дефектам структуры. Одно из перспективных направлений исследований – аморфные сплавы, компонентный состав которых формируется исходя из требования соответствующей упругости диссоциации водорода [1, 2].

Основные требования, предъявляемые к накопителю: объем накопленного водорода – максимальный, температура образования гидридов – минимальная, отсутствие свободного течения водорода, неограниченное число циклов накопления-экстракции, независимость аккумулирующей способности от примесей, минимальная цена на материал. Данным требованиям вполне удовлетворяет алюминий. А в качестве легирующих добавок следует рассматривать Be, B, Nb, Ni и редкоземельные элементы [3, 4].

Одно из основных требований – максимизация объема накопленного водорода может быть достигнуто путем увеличения числа активных точек адсорбции. Данная задача решается тремя способами: применение технологии получения катализаторов никеля Ренея [5], осаждение металла при импульсном электролизе [6], анодное растворение в импульсных режимах [7]. В связи с этим были изучены Ni, Cr, Al, их сплавы, поскольку каждый из этих металлов образует гидриды: AlH3, CrH, NiH2.

Проведя ряд экспериментов методами внутреннего трения, вакуумной экстракции, электрохимии, было выявлено, что в алюминии, хроме, никеле, наблюдаются явления образования гидридов и твердых растворов с высокими показателями растворимости водорода, причем обратимой.

Для увеличения емкости накопителя необходимо создать такие условия, при которых будут отсутствовать препятствия для экстракции водорода. При этом сам процесс экстракции должен предполагать его управление и тонкую настройку. Этого можно достичь при реализации решения, основанного на использовании металла относительно небольшой толщины (фольга) с поверхностью, которая при помощи анодной обработки получает соответствующую пористую морфологическую структуру для увеличения активной площади поверхности и обеспечения редукционного эффекта. Редукционный эффект позволяет добиться плавности потока водорода при его постепенной экстракции.

Для формирования заданной морфологии алюминиевой фольги предложено использовать частотно-модулированный импульсный режим анодной обработки. В этом случае механизм формирования пористой структуры, представлен на рисунке. На рисунке показан профиль поры, формируемой в процессе травления заданной последовательностью импульсов электрического тока: в процессе работы тока импульсы формируют профиль поры. Пора, обладающая необходимой морфологией, по некоторым предварительным данным, позволяет накапливать более 10-3 моль/см2 водорода.

Одним из наиболее перспективных технологических решений является применение алюминиевой фольги, для получения которой давно применяется хорошо известная технология, описание которой можно найти в соответствующей научно-технической литературе [7].

Применение металлогидридных накопителей на основе алюминиевой фольги с развитой поверхностью может быть очень широким. Это системы хранения водородного топлива в различных транспортных средствах, основные и дополнительные источники бесперебойного, резервного питания. Например, для питания радиоэлектронных средств система водородного накопления должна включать в себя кроме накопителя водорода, еще и систему регулирования подачи водорода, топливный элемент; подсистему датчиков; подсистему диагностики и управления. Наконец все это компонуется вместе с самим радиоустройством.

390

Таким образом, предлагаемое техническое и технологическое решение задачи повышения эффективности системы энергоснабжения, обладает значительными энергетическим и другим преимуществами в сравнении с аналогами по всем параметрам и требованиям, предъявляемым к системам аккумулирования энергии.

Рис. Механизм образования пор

Литература

1.Алдошин С.М., Добровольский Ю.А., Тарасов Б.П. Разработка новых материалов для водородной энергетики // Альтернативная энергетика и экология. 2006. №7 (39). С. 25-26.

2.Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимото К. Аморфные металлы. М.: Металлургия.

1987. 328 с.

3.Zvyagintseva, A.V. Hydrogen permeability of nanostructured materials based on nickel, synthesized by electrochemical method. В сборнике: Proceedings of the 2017 IEEE 7th International Conference on Nanomaterials: Applications and Properties, NAP 2017 7. - 2017. - С. 02NTF41.

4.Звягинцева, А.В. Математическая модель водородной проницаемости металлов с примесными ловушками при наличии внутренних напряжений различной физической природы / А.В. Звягинцева // Международный научный журнал альтернативная энергетика и экология. - 2019. - № 19-21 (303-305). - С. 29-44.

5.Маршаков И.К., Гаврилова Н.В., Протасова И.В. // Конденсированные среды и межфазные границы. - 2006. - Т. 8. - №3. - С. 226-230.

6.Гаврилова Н.В., Кудряш В.И., Литейнов Ю.В., Харченко Е.Л., Шалимов Ю.Н. Оценка аналитических возможностей методов определения содержания водорода в металлах // Альтернативная энергетика и экология. 2008. №8. С. 10-26.

7.Литвинов Ю.В. Оптимизация процессов анодного формообразования пористых металлических структур. Дис. … к.х.н. Иваново.: Ивановский гос. химико-технологич. универ-

ситет. 2006. 144 с.

1АО «Концерн «Созвездие» г. Воронеж 2ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

3ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет»

4АНООВО «Международный институт компьютерных технологий»

N.V. Brysenkova1, L.A. Nedobeshkina1, Yu.N. Shalimov2, I.V. Protasov3, V.V. Shitov4

PROSPECTS OF USING HYDRIDES BASED ON NICKEL,

391

ALUMINUM AND CHROME AS QUALITY OF DRINKS

HYDROGEN FOR ALTERNATIVE ENERGY

The main methods of hydrogen production, storage and transport are considered. It is shown that preference is given to the methods of metal hydride storage of hydrogen as the most safe and effective. It is shown that metals with defects in structure (vacancies, grain boundaries) have the greatest propensity to form metal hydrides. The main advantage should be given to the metal having the highest Clarke index and prone to the formation of metal hydrides.

Key words: metal hydride, structure defect, reduction effect, energy consumption for hydrogen production, gas separation, electrolysis of aqueous solutions of electrolytes.

1JSC «Concern" Sozvezdie», Voronezh city

2Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education

«Voronezh State Technical University»

3Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State University»

4ANOOVO "International Institute of Computer Technology"

392

УДК 614.3

Н. Свайкат, И.М. Винокурова, А.Ю. Воробьев, А.Н. Корнеева, А.В. Звягинцева

О КОНТРОЛЕ БЕЗОПАСНОСТИ НАНОМАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В НАУЧНОИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ЛАБОРАТОРИЯХ

Учитывая отсутствие необходимой и достаточной информации о токсичности наноматериалов, сложность сравнения результатов, полученных в результате различных исследований, и обеспокоенность тем, что имеющиеся сведения о материалах могут не адекватно отражать реальную опасность их в наноразмерной фазе, предложена разработка руководства по проведению прогнозно-аналитической оценки наноматериалов, используемых в исследовательcких лабораториях, с отнесением их к соответствующему уровню потенциальной опасности.

Ключевые слова: наноматериалы, оценка риска, класс опасности, токсичность, концерогенность, классификация, исследовательские лаборатории, контроль безопасности, меры предосторожности.

Несмотря на многочисленные обсуждения, семинары, обзоры и отчеты об ответственном развитии нанотехнологий, информация, характеризующая риски для здоровья человека и для окружающей среды в отношении наноразмерных материалов (наноматериалов), крайне мала и, следовательно, недостаточна для тщательной оценки безопасности при их использовании [1]. Однако, поскольку деятельность, связанная с наноматериалами, может иметь разрушительные последствия для здоровья человека, особенно при работе с наночастицами в диапазоне размеров менее 50 нм, а токсикология наночастиц мало изучена, то следует применять принцип предосторожности.

Согласно указанному принципу, при возникновении разумных сомнений в безопасности новой технологии, в нашем случае нанотехнологии, разработчики должны представить убедительные аргументы в пользу ее безопасности. Принимать предосторожность означает оказывать влияние так, чтобы минимизировать риск в конкретной ситуации. Предосторожность подразумевает какую-либо предварительную оценку, без которой не имеет смысла считать технологию безопасной. В соответствии с постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 31 октября 2007 г. №79 каждый новый созданный и предназначенный к использованию наноматериал должен пройти полную проверку на токсикологическую опасность [2]. До окончательного установления степени токсикологической опасности конкретных наноматериалов их следует относить к веществам, потенциально опасным для здоровья человека [2, 3]. В Воронеже около 30 исследовательских групп (в области фундаментальных наук, инженерии или наук о материалах) и лабораторий производят, модифицируют или используют наноматериалы (рис. 1).

По результатам опросов оказывается, что в этих группах не соблюдаются внутренние правила относительно безопасной обработки наноматериалов. Можно сказать, что почти все эти группы не имеют или не знают никаких внутренних правил. А, если таковые правила и существуют, то они, в основном, предлагают подход к анализу риска для каждого отдельного процесса или типа наночастиц, что не очень практично при работе со многими различными нанообъектами, постоянно меняющимися формами и видами исследований наноразмерных материалов.

Как вариант, в качестве преходящего критерия при оценке уверенности в безопасной обработке наноматериалов можно посоветовать использовать методрекомендации по контролю безопасности наноматериалов в химико-технологическом производстве [3].

Упомянутые рекомендации определяют применение методов контроля искусственных наноматериалов, используемых в химической промышленности на стадии их разработки, производства, транспортирования, хранения, потребления и утилизации [3].

_________________________________

© Свайкат Н., Винокурова И.М., Воробьев А.Ю., Корнеева А.Н., Звягинцева А.В., 2019

393

мическая опасность или радиозащита). Нижний предел, до которого лаборатория классифицируется как Нано 1, устанавливается, например, в 1 мг наноматериала, присутствующего в любой данный момент. Лаборатории с более чем 1 мг, но менее 100 мг, классифицируются как Нано 2, и более 100 мг - как Нано 3. Затем для каждого уровня опасности необходимо составить перечень необходимых мер профилактики или защиты, т.е. так называемые «барьеры безопасности». Целевыми пользователями этой методологии, в первую очередь, должны являться различные категории исследователей.

Количественное значение нижнего предела использования наноматериала в 1 мг определяется тем, что если условно принять в 10 кубических метров объем, в котором наночастицы могут распространяться вокруг лабораторного оборудования или человека, то 1 мг частиц создает объемную концентрацию в атмосфере в 0,1 мг/м3. Концентрация в 0,1 мг/м3 представляет собой нижний предел обнаружения многих лабораторных веществ.

Исследования токсичности наночастиц указывают на то, что некоторые из этих продуктов могут проникать в организм человека и быть токсичными на клеточном уровне, в тканях и органах [8]. Так, поведение наночастиц размером менее 10 нм можно сопоставить с поведением отдельных молекул газа, которые могут проникать в кожу и легочную ткань через клеточные мембраны. Внутри клеток, наночастицы могут становиться токсичными и нарушать нормальную химию клеток. Нитевидные нанокристаллы и нанотрубки [9, 10] структурно подобны асбестовым волокнам, которые вызывают вызывать фиброз легких при вдыхании в больших количествах в течение длительного времени. Материалы этих частиц могут быть или не быть канцерогенными или аллергическими, но даже инертные наночастицы показывают вредные последствия из-за некоторых поглощенных токсичных видов или образования токсичных продуктов из-за реакций с биологическими жидкостями. Наноматериалы, обладающие развитыми поверхностями, могут, как сами быть токсичными, так и могут катализировать токсичные вещества [11-15].

В качестве практического руководства можно принять предложение Британского института стандартов о том, что, если материал классифицирован в его более крупной, макроскопической форме как канцерогенный, токсичный, мутагенный и т.п., то его наноформа должна иметь показатель ПДК в десять раз меньше, чем ПДК для массивного материала.

Литература

1.Онищенко, Г.Г. Развитие системы оценки безопасности и контроля наноматериалов и нанотехнологий в РФ[Текст] / Г.Г. Онищенко, В.А. Тутельян, И.В. Гмошинский, С.А. Хотимченко // Гигиена и санитария. - 2013. - №1. - С. 4-11.

2.Постановление Главного государственного санитарного врача Российской Фед е- рации от 31 октября 2007 г. N 79 г. Москва "Об утверждении Концепции токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественн о- го определения наноматериалов" Зарегистрирован в Минюсте РФ 22 ноября 2007 г. Рег. N

10528.

3.Контроль наноматериалов, применяемых в химической промышленности: Методические рекомендации [Текст].-М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотреб-

надзора, 2011. - 31 с.

4.Nebol’sin, V.A. Preparation of nanoporous titanium oxide films by electrochemical anodic oxidation [Текст] / V.A. Nebol’sin, B.A. Spiridonov, A.I. Dunaev, E.V. Bogdanovich // Inorganic Materials. - 2017. -V. 53. - N. 6. - P. 595-601.

5.Небольсин, В.А. O вкладе свободной энергии линейной границы раздела трех фаз в условия термодинамического равновесия капли катализатора при росте НКSi и Ge [Текст] / В.А., Небольсин и др. // Неорганические материалы. - 2015. -Т.51. - №.3. - С.191-196.

6.Небольсин, В.А. Рост углеродных нанотрубок в процессе каталитического пиролиза углеводородов [Текст] / В.А. Небольсин, А.Ю. Воробьев, М. Ю. Чайка // ВестникВГТУ. - 2012. -Т.8. - №7.2. - С. 88-90.

395

7.Nebol’sin, V.A. Variation in silicon viscradius during unsteady growth [Текст] / V.A. Nebol’sin, A.A. Shchetinin, E.I. Natarova // Inorganic Materials. -1998. -V.34.-N.2.-P. 87-89.

8.Vishwakarma, V. Safety and Risk Associated with Nanoparticles - A Review [Текст] / V. Vishwakarma, S.S. Samal, N. Manoharan // J. of Miner. &Mater. Character. &Engineer., 2010. V. 9, N.5. P.455-459.

9.Небольсин, В.А. Об общих закономерностях роста микро- и наноразмерных НКSi[Текст] / В.А. Небольсин, А.А. Долгачев, А.И. Дунаев, М.А. Завалишин // Известия РАН. Сер. физическая. - 2008. -Т.72. - №9. - С. 1285-1288.

10.Шуваева, Г.П. Бактерицидные свойства углеродных нанотрубок [Текст] / Г.П. Шуваева, В.А. Небольсин, В.Н. Санин, И.М. Голев, А.В. Цубенко, Я.В. Токарева // Актуальная биотехнология. - 2015. - №3(14). - С.41.

11.Лешова, А.В. Переработка отходов аккумуляторных батарей методом десульфатации свинцово-оксидной пасты кальцинированной содой [Текст] / А.В. Лешова, Б.А. Спиридонов, В.А. Небольсин, А.Ю. Воробьев, С.С. Шмакова // Вестник ВГТУ. - 2014. - Т.10. - №5.

-С. 67-70.

12.Горшков, В.С. Синтез высокочистых компонентов неводного электролита суперконденсатора [Текст] / В.С. Горшков, М.Ю. Чайка, Д.Е. Силютин, В.А. Небольсин // Вестник ВГТУ. - 2012. - Т.8. - №7.2. - С. 109-111.

13.Nebol’sin,V. A. Thermodynamics of oxidation and reduction during the growth of metal

catalyzed silicon nanowires [Текст] / V.A. Nebol'sin, J. Johansson, D.B. Suyatin, B.A. Spiridonov // J. Crystal Growth. 2019. No.505. P.52-58.

14.Nebol’sin, V.A. Black Silicon: a New Manufacturing Method and Optical Properties [Текст] / V. A. Nebol’sin, N. Swaikat, A. Yu. Vorob’ev// Technical Physics Letters. 2018. V.44.No.12. P.1055-1058.

15.Nebol’sin, V. A. About breakdown and encapsulation of catalyst particles in the growty of carbon nanotubes [Текст] / V. A. Nebol’sin, A., Yu. Vorob’ev // In books: Carbon nanotubes: Synthesis and Properties. 2012. P.25-31.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

N. Swaikat, I.M. Vinokurova, A.Yu. Vorobiev, A.N. Korneeva, A.V. Zvyagintseva

ABOUT CONTROL OF SAFETY OF NANOMATERIALS USED

IN RESEARCH LABORATORIES

Given the lack of necessary and sufficient information on the toxicity of nanomaterials, the difficulty of comparing the results obtained from various studies and the concern that the available information about the materials may not adequately reflect the real danger of them in the nanoscale phase, the development of guidance for the prognosis analytical assessment of nanomaterials, used in research laboratories, assigning them to the appropriate level of potential danger.

Key words: nanomaterials, risk assessment, hazard class, toxicity, endogenicity, classification, research laboratories, safety control, precautions.

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education

«Voronezh State Technical University»

396

УДК 625.768.5.002:624.143.3.002.4

Д.А. Достовалова, Д.А. Плотников

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПЕШЕХОДОВ

ВЗИМНЕЕ ВРЕМЯ

Вданной статье рассмотрена одна из самых актуальных проблем, возникающих в зимнее время года – массовый травматизм пешеходов, связанный с тяжелыми погодными условиями, следствием которых являются гололед и снежные завалы. Также в статье приведена оценка существующих методов борьбы с гололедом и повышения безопасности движения пешеходов на примере отечественного и зарубежного опыта и предложены новые инновационные и эффективные разработки.

Ключевые слова: травматизм, статистика, гололед, химический реагент, гидрофобное покрытие, гидрофильная поверхность.

Статистика случаев травматизма пешеходов в зимнее время в ДНР занимает второе ранговое место по территории Украины (около 10 %). Согласно статистике «уличный» травматизм в зимнее время составляет 15 % всех случаев травмирования, 20 % из которых приводят к инвалидности. Показатель ДТП, возникающих зимой, достигает 3 %, в сравнении со стандартным значением 1 %. При этом, количество несчастных случаев приобретает большую частоту и тяжесть последствий, нередко приводящих к гибели.

Распространенными видами травм в зимний период являются переломы и вывихи (6572 %), ушибы и растяжения (22-25 %), легкие ранения (4-6 %) и ранения рук и ног, являющиеся наиболее распространенными (83-85 %). Также достаточно часто встречаются такие травмы как: перелом лучевой кости в типичном месте, перелом лодыжек и ключицы, ушибы плечевой кости, переломы костей голени и повреждения связочного аппарата голеностопного и коленного суставов, черепно-мозговые травмы [1].

На рис. 1 приведена статистика травматизма пешеходов в зимний период в Донецкой Народной Республике по возрастным категориям населения.

Люди трудоспособного возраста

Люди старше 60 лет

Дети до 15 лет

Статистика травматизма,%

Рис. 1. Статистика травматизма в зимний период в ДНР по возрастным категориям населения

_________________________________

© Достовалова Д.А., Плотников Д.А., 2019

397

Статистикой доказано, что влияние медицинских сил на частоту и характер травматизма составляет 10 %, основное влияние оказывают другие факторы, которые можно разделить на внешние и внутренние. К первой группе относят экологическое состояние среды, состояние мест отдыха, работы, тротуаров, дорог, а также исправность транспортных средств. Внутренними факторами являются, соблюдение каждым участником дорожного движения правил техники безопасности, дорожного движения [2, 3].

Возникают эти травмы в основном по причине плохого состояния дорог (завалов снега, гололеда, выбоин, ям и так далее). Значительный процент травм в зимний период составляют травмы по причине спешки и невнимательности пешеходов. Часто происходят случаи травм по причине ДТП, данному вопросу посвящены работы [4-6].

Целью данной статьи является оценочная и сравнительная характеристика существующих методов повышения безопасности пешеходов зимнее время, а также определение новых эффективных методов, выигрывающих по многим параметрам, применяемых в настоящее время.

В табл. 1 представлены 4 наиболее эффективных метода повышения безопасности пешеходов во время движения в зимнее время.

Инновационным и эффективным методом для повышения безопасности движения пешеходов в зимнее время является создание гидрофобных противогололедных покрытий. Метод основывается на введении в верхний слой покрытия хлорида и ингибитора. Швейцарская фирма «Пластироут» стала первым разработчиком такого ингибиторавещества, получившего название верглимит, имеющего в своем составе хлористый кальций. Поверхность частиц верглимита покрыта тонкой синтетической пленкой. Эти частицы вводится в

асфальтобетонную смесь перед укладкой. После чего смесь равномерно укладывается тонким слоем и уплотняется.

После многократного воздействия движущихся колес автотранспорта верхнее покрытие гранул снимается, и они становятся открытыми. Хлористый кальций растворяет снег, попадающий на гранулы, превращает его в солевой раствор, не подлежащий замерзанию при низких температурах.

ВРоссийском дорожном научно-исследовательском институте разработано вещество, получившее название грикол и применяющееся в противогололёдных покрытиях [7].

Грикол представляет собой тонкодисперсный гидрофобный порошок с размером частиц до 0,6 мкм. Порошок содержит в себе хлористый натрий и кальций с добавлением сакора (алкиласиликонат щелочного металла). Данный порошок при добавлении в асфальтобетонную смесь составляет около 10 % от ее массы. Асфальтобетонная смесь укладывается по технологии.

При температуре атмосферного воздуха от 0 до -6 °С грикол способен полностью предотвратить образование ледяного покрытия на асфальте. При более низких температурах образование льда априори возможно, но он не будет иметь свойств скольжения, поэтому травмироваться на таком льду будет крайне сложно, а устранить его можно с помощью стандартных снегоочистительных машин.

Одним из перспективных способов является гидрофобизация покрытия, основанная на нанесении на поверхность асфальтобетона, водоотталкивающих материалов. На такой поверхности вода замерзает и превращается в лед и плотно скрепляется с покрытием. В ледяном покрытии образуются трещины, что способствует прочному сцеплению. Гидрофильная поверхность особенна тем, что вода, имея очень маленький угол растекания, исчезает с покрытия. Сцепление такого льда гораздо меньше, чем на гидрофильной поверхности, и его можно легко удалить любым щеточным механизмом. Такое покрытие является экологически безопасным для окружающей среды.

Внастоящее время в мировой практике используется большое число химических реагентов, эффективно устраняющих снежно-ледяное покрытие. Наиболее часто применяют твёрдые и жидкие хлориды (табл. 2) [3].

398