От источников тепловых излучений

Представлена методика проведения практического занятия, направленного на исследование принципов защиты от источников тепловых излучений

В рамках практических занятий по курсу «Безопасность жизнедеятельности» разработана методика определения количественных характеристик источника лучистой энергии и эффективности защиты человека от теплового потока при использовании экранов с различными физическими характеристиками.

Передача тепла от более нагретого тела к менее нагретому может осуществляться конвекцией, теплопроводностью и излучением. При теплопередаче конвекций и теплопроводностью среда принимает участие в переносе тепла, при теплопередаче излучением – нет.

Передача тепла излучением рассматривается как процесс распространения электромагнитных волн, характеристики которых определяют по формуле:

, (1)

где λ – длина волны, м; ν – частота. Гц;

С – скорость света в вакууме,

С = 2,998 · 10⁸ м/с.

По диапазонам длин волн и действию на человека излучение классифицируется на ультрафиолетовое (λ = 0,05-0,4 мкм), видимое (λ = 0,4-0,78 мкм) и инфракрасное (λ = 0,78-10 мкм).

Энергия излучения нагретого тела распределена по длинам волн неравномерно и определяется его температурой.

Количество энергии, излучаемой поверхностью абсолютно черного тела (а.ч.т.) в единицу времени, определяют по формуле Стефана-Больцмана:

Е₀ = σ₀ · Т⁴ или Е₀ = с₀ ( )⁴, (2)

где σ₀ = 5,67 · 10^-8 Вт/м² · К⁴;

с₀ – коэффициент излучения а.ч.т., с₀ = σ₀ · 10⁸.

Для серых тел формула (2) имеет вид

Е = σ₀ · Т⁴ = с₀ ( )⁴, (3)

где ε = - степень черноты; ε = 0-1;

с – коэффициент излучения серого тела, с = 0-5,67.

Максимум кривой интенсивности лучистой энергии определяют по формуле Вина:

λ_max · Т = b, (4)

где b – постоянная Вина; b = 0,002898 м · К.

Энергетический максимум смещается в сторону коротких длин волн при повышении температуры тела. Так, нагретые тела получают свет, начиная с температур 450⁰ С. а ультрафиолетовое излучение появляется при Т = 1200⁰ С.

Угловое распределение излучения а.ч.т. во всех направлениях изотропно. Распределение излучения а.ч.т. пропорционально косинусу угла между направлениями излучения и нормально к поверхности (закон Ламберта):

I₄ = I_n · cos φ = B cos φ, (5)

где I_n - интенсивность излучения по нормали к поверхности,

В – яркость поверхности.

Излучение реальных тел характеризуется двумя распределениями – спектральным и угловым, они отличны от излучения а.ч.т. Так, излучательная способность реальных тел зависит от состояния поверхности микроструктуры, природы материала и т.д. Закон Ламберта для реальных тел не выполняется, если поверхность отражает зеркально. Для матовых поверхностей, отражающих диффузию отступление от формулы (5) наблюдается при углах, больших 60⁰.

При известном пространственно-угловом распределении потока энергии от излучателя эффективной мерой защиты человека может быть и оптимальное расположение рабочего места относительно нагревательных поверхностей.

Количество теплоты, передаваемой от более нагретого тела к менее нагретому, определяют по формуле:

Q = ε_пр · с · F, (6)

где ε_пр = 1/ - приведенная степень черноты.

Степень черноты зависит от температуры нагретой поверхности и обычно возрастает с ее увеличением. Для кожи человека ε = 0,98 при температуре тела 37⁰ С.

Для уменьшения лучистого теплообмена используют экраны. Эффективность экранирования источника определяют по формуле:

L_Е = 10 lg дб, (7)

где E_пад, E_прош – падающий и прошедший тепловые потоки соответственно, Вт/м².

Уровень облученности человека на рабочем месте можно определить относительно нормируемых тепловых потоков для разной степени открытости тела, согласно ГОСТ 12.I.005-89 «Воздух рабочей зоны»:

L_a = 10 lg , (8)

где E₀ – тепловой поток от нагретых поверхностей технологического оборудования на постоянных и непостоянных рабочих местах; при облучении 50% (и более) поверхности тела он составляет 35 Вт/м², при величине облучаемой поверхности от 25 до 50% - 70 Вт/м², при облучении не более 25 % поверхности тела – 100 Вт/м².

Разработанная методика позволяет измерить зависимость теплового потока источника от расстояния до приемника, определить пространственно-угловое распределение теплового потока источника от 0 до 90⁰ , исследовать эффективность экранирования источника, вычислить эффективность экранирования источника и уровень облученности тела человека для всех нормативных значений.

Литература

1. Коробкин, В. И. Экология [Текст]: учебник для вузов / В. И. Коробкин, Л. В. Передельский. – М.: Феникс, 2011. – 608 с.

2. Ред. С.В.Белова.- 3-е изд., испр. и доп. М.:Высшая школа, 2001. 485 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 669.01(075)

О.В. Горожанкина, Ю.Р. Копылов

Трещиноватость тоЛстослойных покрытий, полученных методами гальвано-механического

и гальванического осталивания

Приведены фотографии трещиноватой микроструктуры толстослойных покрытий, дано описание трещин и показана зависимость их параметров от области расположения

Гальванические железные покрытия в течении многих лет успешно применяются в ремонтном производстве для восстановления изношенных деталей. Варьируя состав электролита и технологические режимы можно получать покрытия различного назначения: от мягких и вязких до хрупких и твердых [1-4]. Однако в большинстве работ дается описание только технологических режимов и свойств. Для нанесения покрытий с оптимальными функциональными характеристиками необходимо иметь четкие и по возможности полные представления об их структуре, которая является связующим звеном между задаваемыми условиями осаждения и свойствами получаемых покрытий.

В данной работе изучалась трещиноватая структура двух образцов с толстослойным покрытием, полученных методами гальвано-механического и гальванического осталивания по различным технологическим режимам.

Полученные гальвано-механическим и гальваническим способом толстослойные покрытия имеют трещины (или поры) как связанные, так и не связанные между собой. Такие дефекты относятся к макроскопическим.

На рис. 1 (а, б) приведены фотографии трещиноватой микроструктуры толстослойного покрытия. Первый образец (рис. 1а) получен методом гальвано-механического осталивания, имеет зернистое строение и более лучшие механические свойства, чем второй. Второй образец (рис. 1б) получен обычным гальваническим осталиванием, имеет слоистое строение.

Рис. 1. Микроструктура покрытия

Как видно из рис. 1, общим для этих двух образцов является то, что наиболее густая сетка трещин расположена вблизи подложки – основы. Ближе к середине трещины становятся более длинными и расположены дальше друг от друга и наконец, вблизи поверхности трещины становятся наиболее длинными и расстояние между ними самое большое. Ширина трещин меняется мало, практически постоянная.

На рис. 2 представлен график зависимости длины, ширины трещин и расстояния между ними от области их расположения.

Трещины, возникающие в гальванопокрытиях, исключительно разнообразны по форме, величине и расположению в объеме осадка. Например, для крупнокристаллических осадков хрома и железа, полученных в условиях малого перенапряжения катода и имеющих сравнительно низкое значение величины микротвердости, характерно наличие одиночных сквозных трещин, пронизывающих всю толщу покрытия. С ростом потенциала катода, наряду измельчением структуры и увеличением микроствердости осадков, изменяется характер трещиноватости: появляются суставчатые трещины, которые затем сменяются канальчатыми. При этом плотность трещин в осадке возрастает, а их длина уменьшается [5].

1 – область, прилегающая к подложке

2 – область середины

3 – область края образца

Рис. 2. Зависимость длины, ширины трещин и расстояния между ними от области их расположения

Включение в покрытия ПАВ и гидроокисей осаждаемых металлов, вызывает развитие слоистой структуры осадков и появление в них продольных и волосовидных трещин. При разложении гидридных фаз, например гидрида никеля с ГЦК решеткой, возможно даже появление микротрещин спирального характера.

Сетка трещин в покрытии, полученном методом гальванического осталивания, и расположенная непосредственно у подложки, гораздо гуще и обширнее, чем сетка трещин в покрытии, полученном методом гальвано-механического осталивания. Это непосредственно влияет на прочность сцепления покрытия с подложкой.

В первом случае прочность сцепления очень низкая, и при небольших нагрузках покрытие отслаивается от основного металла. Сам излом покрытия слоистый (рис. 3).

Рис. 3. Фрактография излома покрытия, полученного методом гальванического осталивания

В случае покрытия, полученного методом гальвано-механического осталивания, прочность сцепления достаточно хорошая и достигает 240 МПа.

Приведенные выше результаты позволяют предположить, что покрытия, полученные методом гальвано-механического осталивания, более надежные и долговечные в работе, чем покрытия, полученные методом гальванического осаждения.

В случае покрытия, полученного методом гальвано-механического осталивания, прочность сцепления достаточно хорошая и достигает 240 МПа.

Приведенные выше результаты позволяют предположить, что покрытия, полученные методом гальвано-механического осталивания, более надежные и долговечные в работе, чем покрытия, полученные методом гальванического осаждения.

Литература

1. Гальванические покрытия в машиностроении [Текст]: Справочник. В 2-х т. Т. 1./ Под ред. М.А Шлугера. – М.: Машиностроение, 1985. – 240 с.

2. Мелков, М.П. Твердое осталивание автотракторных деталей [Текст] / М.П. Мелков. - М.: Транспорт, 1971. – 224 с.

3. Беленький, М.А. Электроосаждение металлических покрытий [Текст]: Справочник / М.А. Беленький, А.Ф. Иванов. - М.: Металлургия, 1985. - 228 с.

4. Толчеев, А. В. Разработка технологии и установки для толстослойного восстановления деталей осталиванием [Текст]: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.03.01 / А. В. Толчеев. - Воронеж, 2008. - 25 с.

5. Ковенский, И.М. Металловедение покрытий [Текст]: учебник для вузов / И.М. Ковенский, В.В. Поветкин.- М.: СП Интермет Инжиниринг, 1999. – 296 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.315.61

Е.А. Рыканова, И.М. Винокурова

Разработка алгоритма регулирования режима течения электролита при электрохимической обработке титановых сплавов

Рассматриваются проблемы определения локальных плотностей тока в зоне анодной обработки металлов c учетом особенностей процесса

При постоянно токовых режимах обработки ЭХРО переход от ламинарного течения к турбулентному, зависит от скорости протока электролита и наличия центров зарождения вихревых потоков электролита в канале обработки. Число таких центров является случайной величиной и поэтому массоперенос при этих условиях не может быть оптимальным.

Одной из существенных особенностей турбулентного массопереноса является диффузионный слой, возникающий вблизи поверхности электрода в условиях электрохимической реакции, который располагается глубоко внутри вязкого подслоя. Другой особенностью таких систем является наличие двойного электрического слоя на границе электрод-раствор, где конечная скорость электрохимических процессов оказывает заметное влияние на характеристики турбулентного массопереноса свойственного при импульсных режимах. В движущейся жидкой среде возникают внутренние силы механической природы, учитывающие давление и вязкое трение. Возьмем небольшую площадку поверхности в потоке и разложим силы слоев жидкости на составляющие, направленные по касательной и по нормали к рис. 1 [1]. Нормальную составляющую силы не зависящую от ориентации площадки примем за давление . Касательная составляющая силы, зависит от ориентации площадки и обозначается тензором касательных напряжений, имеющим девять компонент.

Исходя из закона сохранения массы и второго закона Ньютона, динамику капельных жидкостей, описываем уравнениями неразрывности и Навье - Стокса. При условии, что мы пренебрегаем

Рис.1. Внутренние силы, возникающие в движущейся жидкой среде

сжимаемостью среды получаем уравнение

сжимаемостью среды уравнение неразрывности примет следующий вид [1] (1)

(2)

где - плотность жидкости; - кинематическая вязкость;

- время; - вектор плотности потока массы;

- концентрация диффундирующего вещества, которое будем

считать пассивной примесью.

Граничным условием для вязкой жидкости является равенство скорости нулю на твердой границе потока

(3)

где - радиус-вектор и декартовы координаты точки в пространстве.

Уравнение неразрывности (1) и условие прилипания (3) позволяют вблизи твердой границы потока определить функциональную зависимость компонента вектора скорости от расстояния до поверхности рис. 2 [1].

При малых значениях скорость жидкости можно представить в виде ряда Тейлора

(4)

Уравнение Навье-Стокса для нормальной компоненты скорости имеет вид

(5)

Рис. 2. Функциональная зависимость компонент вектора скорости

от расстояния до поверхности вблизи твердой границы потока

При малых значениях у функциональная зависимость компонент вектора скорости от расстояния до поверхности будет

(6)

где - нормальный градиент давления на границе потока.

Значения (6) получены для мгновенных значений компонента вектора скорости. В турбулентных потоках скорость и давление в большей части представляется как сумма осредненных (по времени или статическому ансамблю) и пульсационных величин [2, 3]

, (7)

где - средняя скорость движения флуктуаций (здесь и далее статическое осреднение обозначается чертой над величиной или угловыми скобками , пульсационные величины обозначаются штрихами).

В силу линейных свойств операции статистического осреднения [2] формулы (5) справедливы как для пульсационных, так и для осредненных компонентов скорости, т. е.

(8)

При решении алгебраических уравнений мы создаем дискретные аналоги и получаем их в линейной форме, далее предполагаем, что для их решения должен быть исполь­зован особый метод. Полезно рассматривать получение уравнений и их решение как две отдельные операции, и нет необходимости учитывать влияние одной из них на другую. Прямые методы решения алгебраических уравнений (не требующие итераций), применяемые к двух- или трехмерным задачам, становятся более сложными и требуют суще­ственно большей машинной памяти и затрат вычислительного времени. Для линейных задач, в которых необходимо только один раз обратиться к процедуре решения алгебраических уравнений, можно использовать прямые методы, но в нелинейных задачах уравнения решаются с неоднократно подправленными коэффициен­тами.

Литература

1. Графов Б. М., Мартемьянов С. А., Некрасов Л. Н. Турбулентный диффузионный слой в электрохимических системах.- М.: Наука, 1990.-295 с.

2. Шалимов Ю. Н. Оптимизация электрохимического процесса обработки алюминиевой фольги в производстве конденсаторов / Ю. Н. Шалимов, И. М. Мандрыкина, Ю. В. Литвинов Воронеж: Изд-во

3. Газизулин К. М. Электрохимическая размерная обработка крупногабаритных деталей в пульсирующих рабочих средах: Научное издание. Воронеж: Воронежский государственный университет, 2002. 243 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 502.4

О.Н. Болдырева, Е.В. Оводенко

БИОМЕМБРАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ВОД

Современные сооружения биологической очистки достаточно эффективны, однако они занимают большие площади, потребляют большое количество электроэнергии, поэтому вопросы их интенсификации, повышения глубины очистки и экономичности весьма актуальны

Сочетание биологических и мембранных методов (для отделения очищенной воды от активного ила) в одном сооружении имеет большие перспективы. Биомембранные технологии способны обеспечить высокое качество очищенной воды, полное задержание взвешенных частиц и бактерий, высокую концентрацию активного ила в реакторе и соответственно высокую окислительную мощность, частичное обеззараживание очищенной воды, благоприятные условия для автоселекции и адаптации активных илов, а также возможность эксплуатации аэрационных сооружений со вспухающими илами.

Первые мембранные биореакторы (МБР) были основаны на герметичных модулях в рециркуляционных схемах. На современном этапе в МБР применяют в основном погруженные в активный ил мембраны и отведение очищенной воды под вакуумом.

При этом мембраны используются не для удаления исходных загрязнений, а для задержания биомассы в биореакторе. В дополнение к снижению загрязнения мембран такое совмещение улучшает условия работы активного ила, обеспечивая полное задержание биомассы.

Первая в мире полномасштабная установка MBR с погружными половолоконными микрофильтрационными мембранами для очистки бытовых сточных вод была запущена в 1997 в г. Милтоне (Канада, Онтарио). С тех пор суммарная производительность вводимых установок возрастает по экспоненте, что свидетельствует о высокой эффективности этой технологии.

В России исследования в этом направлении начались с 2003 г. в институте «ВОДГЕО» на лабораторных стендах.

Средние показатели качества исходной воды составляли: по взвешенным веществам- 90-200 мг/л, по ХПК- 180-300 мг/л, по БПК_полн.- 120-210 мг/л, по азоту аммонийному- 17-30 мг N/л, по азоту органическому- 8-22 мг N/л, по фосфору- 2,3-4,0 мг P/л.

Рис.1. Принципиальная схема установки: 1- биологический реактор; 2- мембранный биореактор; 3 - емкость очищенной воды;

4- блок управления; 5- рабочий насос; 6- питающий насос; 7- насос отбора проб; 8- насос рециркуляции; 9- сетчатый фильтр;

10- воздушный компрессор; 11- датчик уровня; 2 - датчик pH-метра; 13- термометр; 14- мембранный модуль; 5- линия обратной промывки

Чтобы контролировать степень загрязнения мембран, процесс фильтрования осуществлялся в циклическом режиме (фильтрация - обратная промывка - фильтрация) с различной частотой. Установка работает непрерывно уже более 10 мес. На рис. 2, в частности, показана взаимосвязь эффективности очистки по ХПК и азоту аммонийному с периодом аэрации (гидравлическое время пребывания сточной воды в реакторе) и температурой.

Эффективность удаления органических загрязнений по ХПК независимо от температуры и периода аэрации составляла 85-90 %, по азоту аммонийному- 98,5-99,8 %, что недостижимо на традиционных сооружениях биологической очистки при аналогичных условиях эксплуатации аэротенков. После мембранного биореактора ХПК очищенной воды за весь период наблюдений не превышала 35 мг/л, и при этом БПК_полн. не превышала 1,5 мг/л. В очищенной воде практически полностью отсутствовали взвешенные вещества.

Как видно из графика (см. рис. 2), даже при времени обработки воды в аэротенке 2,4-3,2 ч процесс нитрификации протекал достаточно интенсивно, эффективность удаления аммонийного азота достигала 98-99 %, его концентрация в очищенной воде не превышала 0,4 мг/л. Снижение температуры в реакторе с 19 до 8-10 ˚С практически не отразилось на эффективности нитрификации.

• ∆ ХПК, мг/л

• ∆ азота, мг/л

• Температура

• Эффективность по ХПК

• Эффективность по азоту

Рис. 2. Влияние периода аэрации и температуры на эффективность очистки по ХПК и аммонийному азоту

Однако за время наблюдений за процессами, происходящими внутри реактора, отмечалось увеличение ХПК и концентрации аммонийного азота по сравнению с пермеатом после мембран. Причем ΔХПК (как разница в значениях ХПК или азота аммонийного внутри реактора и на выходе из системы) значительно возрастает при коротком времени аэрации и продолжительности эксперимента. Это, по-видимому, вызвано накоплением высокомолекулярных коллоидных веществ сточных вод, образованием продуктов метаболизма или распада бактериальных клеток при высоких концентрациях активного ила и низкой нагрузке на него. Эти вопросы требуют дальнейшего проведения исследований и изучения для более детальной проработки весьма сложных процессов, протекающих в мембранных биореакторах.

Незначительное увеличение градиента концентраций азота при времени аэрации 2,4-3,2 ч не сказывается негативно на качестве очищенной воды. Поскольку аммонийный азот, присутствующий в воде в ионной форме, не может быть задержан мембраной, перепад его концентрации можно объяснить процессом нитрификации, протекающим на самой мембране (снаружи или внутри). Это подтверждается также увеличением концентрации нитратов в пермеате по сравнению с их содержанием внутри реактора.

Рис. 3. Влияние периода аэрации и дозы ила на окислительную мощность по ХПК и азоту

За счет накопления активного ила в системе (до 10-12 г/л) окислительная мощность по удалению органических загрязнений и соединений азота увеличивалась в 3-4 раза (рис. 3).

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

• проведенные исследования подтвердили высокую надежность и стабильность биомембранных технологий для биологической очистки сточных вод;

• показана высокая эффективность очистки от органических загрязнений по ХПК и БПК, от соединений азота, взвешенных веществ независимо от температуры и продолжительности аэрации в условиях существенного колебания состава исходного неосветленного стока;

• экспериментально определены и технологически аргументированы наилучшие доза ила в биореакторе с мембранами (не более 7 г/л) и продолжительности обработки городских неосветленных сточных вод (не менее 4-5 ч) с достижением качества очищенного стока, соответствующего нормам сброса в водоем рыбохозяйственного назначения;

• установлено, что в процессе работы МБР возникает градиент концентраций ХПК внутри и снаружи реактора. Объяснение этого явления требует дальнейшего изучения;

• градиент концентрации по аммонийному азоту можно объяснить протеканием процесса нитрификации непосредственно на мембранах.

Литература

1. Богдановский В. И. Химическая экология. М.: Изд-во МГУ, 2004. - 235 с.

2. Беличенко О. П. Замкнутые системы водообеспечения химических производств. М.: Химия, 1996.- 272 с.

3. Золотов Ю. А. Аналитическая химия: проблемы и достижения. М.: Науки, 2002. - 288 с.

4. Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды. М.: Гидрометеоиздат, 1984. – 560 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 546

А.А. Романова, В.В. Корнеева, А.Н. Корнеева

ИСКУССТВЕННЫЕ ОРГАНЫ: ПРОШЛОЕ, НАСТОЯЩЕЕ

И БУДУЩЕЕ

В статье рассматривается история развития искусственных органов и перспективы их применения

Многие болезни, в том числе, угрожающие жизни человека, связаны с нарушениями в деятельности конкретного органа. Далеко не во всех случаях эти нарушения можно исправить с помощью традиционных фармакологических или хирургических воздействий. Искусственные органы – альтернативный путь решения данного вопроса. Уже сегодня существует оборудование, способное восполнять функции большинства основных органов жизнеобеспечения в течение продолжительного времени.

История развития искусственных органов насчитывает не один десяток лет. Первые научные разработки в данной области относятся к 1925 году, когда С. Брюхоненко и С. Чечулин (советские ученые) провели опыт со стационарным аппаратом, способным заменить сердце. Вывод из этого опыта состоял в следующем: голова собаки, отделённая от туловища, но подключенная к донорским лёгким и новому аппарату способна сохранять жизнеспособность в течение нескольких часов, оставаясь в сознании и даже употребляя пищу. Этот год принято считать началом отсчета в истории разработок искусственных органов. В 1953 г. Дж. Гиббон, ученый из Соединенных штатов, при операции на человеческом сердце впервые успешно применяет искусственные стационарные сердце и лёгкие. Начиная с этого времени, стационарные аппараты искусственного кровообращения становятся неотъемлемой частью кардиохирургии. В 1969 г. Д. Лиотта и Д. Кули впервые испытывают в теле человека  имплантируемое искусственное сердце. Сердце поддерживает жизнь пациента в течение 64 часов в ожидании человеческого трансплантата. Но вскоре после трансплантации пациент погибает. В течение последующих десятилетий разработки новых аппаратов не производятся. Устраняются ошибки предыдущих изобретений. В 2010 г. в Калифорнийском университете разработана первая, имплантируемая бионическая почка, пока что не доведённая до серийного производства (рис.1).

Рис. 1. Имплантируемая бионическая почка

Первая область развития искусственных органов касается области человеческого мозга, возможности которого до конца не изучены. Тем не менее, определенные манипуляции с мозгом проводятся, в основном с целью излечения болезней. Профессор Университета Южной Каролины создал чип, способный заменить гиппокампус — часть мозга, ответственную за кратковременную память, а также ориентацию в пространстве. Немецким ученым из Института биохимии имени Макса Планка удалось совместить живые клетки головного мозга с полупроводниковым чипом. Важность открытия заключается в том, что данная технология дает возможность выращивать очень тонкие полоски тканей на чипе, в результате чего он позволит очень подробно наблюдать взаимодействие всех нервных клеток между собой путем выявления сигналов, посылаемых клетками через синапсы. А калифорнийской компанией Neuropace был разработан электростимулирующий прибор для эпилептиков, названный «нейростимулятором ответных реакций» (рис.2).

Рис. 2. Нейростимулятор ответных реакций

Еще одной областью внедрения искусственных органов является глазной аппарат. Группа специалистов консорциума Bionic Vision Australia презентовали свой бионический глаз в Университете Мельбурна (рис.3).

Рис. 3. Бионический глаз

Ученым Калифорнийского университета удалось создать протез, который способен выполнять функции сетчатки глаза. А вот подход британцев, разработавших технологию BrainPort, принципиально отличается от всех вышеописанных в части метода передачи информации. Идея в том, что человек должен начать видеть с помощью языка. Устройство преобразует сигнал в электрические импульсы, которые передаются на передатчик, находящийся на языке.

Следующая область, в которой искусственные органы применяются достаточно часто, это слуховой аппарат человека. Принцип его работы прост: с помощью микрофона, расположенного за ухом, аудиосигнал передается на вторую часть аппарата, стимулирующую слуховой нерв – по сути, слуховой аппарат увеличивает громкость воспринимаемого звука.

Что касается материалов для создания искусственных органов, то в основном используются полимеры. Например, полиэтилен низкой плотности

CH₂—CH₂—CH₂—CH₂—…

и поликапролактам [-NH(CH₂)₅CО-]_n

используется для создания изделий, контактирующих с тканями организма.

Полиметилметакрилат [-СН₂С(СН₃)(СООСН₃)-]_n

применяют для создания деталей аппаратов «искусственная почка», «сердце - легкие». А для создания бесшовных соединений используется цианакрилатный клей.

Проблему острого дефицита «запасных частей» для человека может решить 3D-биопринтинг, или печать органов. Биопринтер - технология позволяющая наращивать клетки друг на друга в соответствии с определенным планом органа. В таком методе используются стволовые клетки, которые, по окончанию "печати", перепрограммируются в заданные органы организма. Перспективы практического применения печати органов следующие: искусственные человеческие органы позволят испытывать новые лекарственные и оперативные методы лечения в "реальных" условиях, без необходимости в лабораторных животных, также они революционным образом упростят пересадку органов без необходимости в иммунодепрессантах и опасности отторжения.

Искусственные механические органы — наиболее реалистичный на сегодня способ починить порядком износившееся тело. Идеальными искусственными органами являются машины, которые будут работать десятки лет под большими нагрузками и не требовать какого-либо технического обслуживания. Например, аппарат AbioCor компании Abiomed — это настоящее искусственное сердце, которое заменяет оба желудочка и обеспечивает поступление крови в легкие и остальные органы человека. Первое сердце AbioCor было пересажено в 2001 году. С тех пор было установлено не более 25 аппаратов, однако в компании смотрят на перспективы аппарата оптимистично и оценивают рынок в 100000 операций в год.

Разработка и создание искусственных органов в ведущих западных странах относится к главным государственным программам. В России это направление получило государственную поддержку в 1974 г. после заключения Межправительственного соглашения о сотрудничестве между СССР и США в области создания искусственного сердца. Экономические и политические перемены 90-х годов практически полностью остановили работы по этому направлению. Но в настоящее время разработки возобновились и уже достигли больших успехов. В нашей стране все чаще финансируются биологические разработки, открываются новые кафедры, направленные на подготовку высококвалифицированных ученых в данном направлении. Например, ведется активная деятельность в научно-исследовательском институте трансплантологии и искусственных органов Минздрава РФ. Институт активно разрабатывает новое направление в современной биологии, биоинженерии и медицины - искусственные органы для временного замещения поврежденных или утраченных органов. Большим достижением в этой области можно считать создание клинической модели искусственного сердца "ПОИСК-ЮМ", используемой как "мост" к трансплантации сердца при отсутствии донорского сердца в ургентной ситуации по жизненным показаниям.

Вопрос о развитии и применении искусственных органов – достаточно спорный. Не существует единой точки зрения на данную проблему. Нет единой технологии производства и разработок в данной сфере, что положительно сказывается на развитии биологической науки. Можно предположить, что в будущем человечество либо усовершенствует ныне существующие органы, либо найдет альтернативный путь решения этой проблемы. И возможно в дальнейшем люди будут иметь неограниченные возможности, и киборги станут не сказкой, а самой настоящей реальностью.

Литература

1. Брюхоненко С.С., Чечулин С.И. (1926), Опыты по изолированию головы собаки (с демонстрацией прибора) // Труды II Всесоюзного съезда физиологов. — Л.: Главнаука, — 289-290 с.

2. Демихов В.П., Пересадка жизненно важных органов в эксперименте. — М.: Медгиз, (1960), - 260 с.

3. Шутов Е.В., Перитонеальный диализ – Москва, (2010), - 153 с.

Интернет-ресурсы:

1. http://novostinauki.ru/news/19118/

2. http://biofile.ru/bio/17735.html

3. http://www.kardio.ru/profi_1/instit.htm

Воронежский государственный технический университет

УДК 541. 183

В.П. Горшунова, А.В. Рыльков, Е.А. Круцких

ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ СОРБЕНТОВ АММИАКА

В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СПОСОБОВ ИХ НАСЫЩЕНИЯ АКТИВИРУЮЩИМ РАСТВОРОМ

Изучена зависимость адсорбционной способности сорбентов – активных углей и силикагелей - от способа их обработки активирующим раствором

Аммиак, является исходным сырьем для производства азотной кислоты, минеральных удобрений. Кроме того, он остается на сегодняшний день основным хладагентом в аммиачных холодильных установках (АХУ). Аммиак обладает токсическими свойствами. Он вызывает острое раздражение слизистых оболочек, слезоточение, ожоги, удушье. Предельно допустимая концентрация аммиака составляет: в воздухе рабочей зоны 20 мг/м³, в воздухе населенных пунктов максимально разовая и среднесуточная ПДК составляет 0,2 мг/м³ .

Технологические процессы, связанные с наличием промышленных токсических выбросов, предусматривают меры по их очистке. В связи с тем, что концентрация токсичных веществ в промышленных сбросах мала, наиболее рациональным (а иногда и единственным) методом очистки служит адсорбционный.

Ранее нами изучены адсорбционные свойства термически модифицированных сорбентов: силикагелей разной пористости и аэросила - по отношению к аммиаку [1].

В дальнейших исследованиях показано, что импрегнирование сорбентов раствором медного купороса заметно увеличивает их поглотительные свойства [2]. В данной работе представлены результаты изучения сорбционных свойств активных углей и силикагелей в зависимости от способов их пропитки 0,1 М раствором медного купороса. Использовали активные угли марок АГ-3 и БАУ-А, а также силикагели, отличающиеся размером пор: КСКГ крупнопористый и КСМГ – мелкопористый силикагель.

Перед химическим модифицированием углей их активировали «острым паром» в течение 1 часа. Насыщение сорбентов активирующим раствором медного купороса проводили тремя способами, при этом варьировали расход раствора и время пропитки:

1) обработка в ультразвуковом поле 100 с;

2) обработка на вибраторе 20 мин;

3) обработка при периодическом перемешивании в течение 24 часов.

В ходе исследований использовали ультразвуковую установку ULTRASONIC CLEANER (WAH LUEN ELTRTRONIC TOOLS. CO. LTD) при мощности, равной 60 Вт., вибратор марки ZAKEADY APARATURY PRECYZYJNO MEDYCZNEJ. Высушивание сорбентов до постоянной массы производили в сушильном шкафу марки ШC - 80 СПУ. При этом использовали разный объем 0,1 М раствора CuSO₄ – 25 мл и 50 мл.

Обработанные в различных условиях сорбенты испытывали на поглотительную способность (адсорбцию) по отношению к аммиаку. Для этого в бюксах взвешивали по 1 г каждого сорбента и помещали в эксикатор, в котором создавали атмосферу аммиака с концентрацией 100 мг/м³ (5 ПДК). В этих условиях хемосорбенты выдерживали 24 часа при комнатой температуре.

Опытные данные представлены на рис.1.

Кроме того, опыты показали, что при импрегнировании сорбентов сказывается также и объем активирующего раствора. При обработке 5 г сорбентов 50 мл раствора их поглотительная способность возрастает, особенно в случае мелкопористого силикагеля КСМГ (рис.2).

Рис.1. Зависимость адсорбции сорбентов от способа их химической обработки: 1 – уголь АГ-3; 2 – уголь БАУ-А; 3 – силикагель КСКГ; 4 – силикагель КСМГ

Рис.2. Адсорбция в зависимости от объема активирующего раствора:

а) 25 мл; б) 50 мл. (1 –АГ-3; 2 – БАУ-А; 3 – КСКГ; 4 – КСМГ)

Проанализировав диаграммы для всех исследуемых сорбентов, пришли к выводу, что лучшие результаты по хемосорбции аммиака получились после насыщения сорбентов активирующим раствором в условиях периодического перемешивания в течение 24 часов.

Все эти особенности сорбентов, выявленные при импрегнировании 0,1 М раствором медного купороса, обусловлены различием адсорбционно-структурных характеристик. Нами определены наиболее важные характеристики сорбентов по методикам, приведенным в [3], которые представлены в таблице.

Механизм поглощения аммиака хемосорбентами на основе активных углей отличается от механизма поглощения аммиака хемосорбентами на основе силикагелей. У активных углей химическое взаимодействие с аммиаком обусловлено лишь образованием донорно-акцепторной связи с катионами меди, находящимися в порах по реакции:

[Cu(H₂O)₄]²⁺ + 4NH₃ = [Cu(NH₃)₄]²⁺ + 4H₂O.

Адсорбционно-структурные характеристики исследуемых сорбентов

Характеристики сорбентов	Активные угли		Силикагели
	АГ-3	БАУ-А	КСКГ	КСМГ
Истинная плотность d, кг/м3	1728	1476,76	2365	2153
Кажущаяся плотность ρ, кг/м3	1245	1158	849	1357
Насыпная плотность, кг/м3	630	270	575	851
Удельная поверхность Sуд, м2/г	532	602,6	322	640
Пористость Р, %	27,95	21,6	47,0	51,0
Суммарный объем пор , , cм3/г	0,26	0,30	0,48	0,34
Средний диаметр пор D, нм	2,8	2,4	18,9	3

Как видно из таблицы, пористость и суммарный объем пор у углей АГ-3 и БАУ-А меньше, чем у силикагелей, что, возможно, способствует меньшему насыщению активирующим раствором, чем силикагелей. Удельная поверхность углей АГ-3, БАУ-А и силикагеля КСМГ отличается незначительно. Однако поглотительные свойства заметно отличаются. Это связано с тем, что у активных углей на поверхности действуют лишь силы Ван-дер-Ваальса, в то время как на поверхности силикагелей имеются структурные силанольные и вицинальные группы [4], которые могут удерживать аммиак за счет водородной связи. Этих активных групп больше на поверхности силикагеля КСМГ. Это объясняет тот факт, что поглотительная способность термохимически обработанного силикагеля КСМГ по отношению к аммиаку значительно выше, чем активных углей и КСКГ. Меньшей адсорбцией обладает крупнопористый силикагель. Как видно из таблицы, его удельная поверхность меньше, чем у остальных сорбентов. Пористость соизмерима с пористостью КСМГ. Но крупные поры, как известно, служат лишь транспортными каналами для перемещения молекул сорбата [3]. Это приводит к тому, что основные силы, связывающие аммиак с сорбентом в случае КСКГ, - это донорно-акцепторное взаимодействие.

Таким образом, на основании проведенного изучения влияния условий пропитки сорбентов 0,1 М раствором CuSO₄ установлено, что самым эффективным способом является выдерживание их в растворе медного купороса в течение 24 часов при периодическом перемешивании, при этом расход раствора составляет 50 мл на 5 г сорбента.

Литературы

1. Горшунова В.П. Исследование сорбции аммиака силикагелями разной пористости [Текст] / В.П. Горшунова, М.М. Хаустова // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2010. - Т. 6. - № 11. - С. 19-21.

2. Горшунова В.П. Особенности сорбции аммиака модифицированными кремнеземными сорбентами [Текст] / В.П. Горшунова, А.Н. Лукин, С.С. Шмакова // Физико-химические основы ионообменных и хроматографических процессов: сб. матер. XIII Межд. конф.- Воронеж : ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет», 2011. - С. 120-122.

3. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники [Текст]: монография / Н.В. Кельцев. – М.: Химия, 1981. – 592 с.

4. Горшунова В.П. Влияние природы поверхностных гидроксильных групп на сорбционные свойства кремнеземных сорбентов [Текст]. / В.П. Горшунова, А.В. Рыльков, О.В. Чибисова, В.А. Небольсин // Химия, новые материалы, хим. технологии: межвуз. сб. науч. тр.- Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011. С. 66-70.

Воронежский государственный технический университет

УДК 622.3

О.Н. Болдырева, А.О. Меринова

КОМПЛЕКСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ

ВОД

Комплексная технология глубокой очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов, токсичных органических веществ с одновременным снижением общего содержания солей в очищаемых растворах основана на последовательном использовании методов гальванокоагуляции (ГК) и шпинельной ферритизации (ШФ)

Анализируя существующие в проектно-эксплуатационной практике подходы к выбору технологических решений с учетом экологических требований, следует отметить, что для крупных объектов, масштабно влияющих на окружающую среду, законодательно предусмотрено проведение процедуры, для менее значимых- выбор технических и технологических решений определяется по параметрам нагрузки на окружающую среду в виде лимитированных сбросов. При этом, как правило, не анализируются внутренние функции процесса, обуславливающие конечные сбросы.

Оценка этих технологий с применением функционально-стоимостного анализа (ФСМ) дифференцировано установить количественное влияние на процесс в целом отдельных их составляющих и соответственно определить направления их оптимизации. Однако при ФСА за чертой рассмотрения остаются ресурсные и экологические характеристики процессов.

В последние годы в природоохранной практике эффективность технологического процесса предложено характеризовать обобщенным показателем – ресурсно-экологическим потенциалом (РЭП), что позволяет совокупно оценить степень ресурсосбережения и воздействия любой природоохранной технологии на окружающую среду, а также сравнивать конкурирующие варианты, оптимизировать технологические решения на основе частных ресурсных и экологических коэффициентов.

При гальванокоагуляции и шпинельной ферритизации одновременно протекают сопряженные электрохимические, химические и физико-химические реакции, продукты которых обеспечивают технологический и природоохранный эффект, что совместно может быть оценено по РЭП.

Частными ресурсными (Р) коэффициентами РЭП для КТГО по сравнению с ближайшим аналогом-электрокоагуляцией (ЭК) определено 11 основных:

-снижение потребления свежей воды за счет организации оборотного водоснабжения ( );

-использование железосодержащих отходов взамен проката ( );

-вторичное использование выделенных из сточных вод продуктов и (или) реагентов ( );

-снижение потребления кислот и (или) щелочей для регулирования рН ( );

-снижение потребности в ионообменных материалах (мембранах) для уменьшения солесодержания обрабатываемых вод ( ) и др.

Частными экологическими (Э) коэффициентами РЭП для КТГО определены:

-снижение нагрузки загрязнений по: ионам тяжелых металлов на гидросферу ( ), органических веществ ( ), неорганических ( ), общего солесодержания ( );

-снижение нагрузки загрязнений по тяжелым металлам на литосферу ( );

-снижение сбросов в атмосферу за счет уменьшенного потребления электроэнергии для производства прокатного листа ( ), сушки шлама ( ), электрохимического процесса ( ).

Значение каждого коэффициента вычисляется в виде отношения фактического показателя, полученного при обработке вод КТГО с электрокоагуляцией используем отношение: =∑ [ ( / ) + ( ) + ( )+( )+( )] : [( )+( )+( )+( )+( )+( )], (1)

где в числителе: , , –содержание Cd,Cr, Ni, Zn, Cu, Fe в сточных водах, очищенных методом КТГО;

ПДКCd…ПДКFe –соответственно их ПДК в почвах;

в знаменателе с индексом ЭК - содержание при очистке методом электрокоагуляции.

Таблица 1

Количес-твенные значения	Количественная оценка степени воздействия на окружающую среду по коэффициенту
	Обобщенный,	Ресурсный,	Экологи-ческий,
>1,01	Недопустимая	Неудовлетворительная	Опасная
0,81÷10,0	Допустимая	Достаточная	Сильная
0,80÷0,631	Средосовместимая	Удовлетворительная	Средняя
0,63÷0,371	Средозащитная	Средняя	Удовлетворительная
0,37÷0,201	Минимальная	Хорошая	Низкая
0,20÷0,01	Отсутствие	Высокая	Отсутствие

После теоретического или экспериментального определения значений частных ресурсных и экологических коэффициентов вычисляется обобщенный (оценочный или оптимизационный) показатель процесса ГК:

= × , (2)

По величине , руководствуясь шкалой (табл.1), определяли качественную оценку воздействия на окружающую среду процесса или качественную характеристику оптимизируемого фактора.

Оптимизация режимов ГК осуществлялась проведением эксперимента с варьированием времени обработки, температуры и рН модельных растворов, что позволило получить регрессионные уравнения, адекватно описывающие процесс одновременного извлечения отдельных ингредиентов из многокомпонентной смеси, и оценить вклад каждого из факторов.

Расчетные зависимости эффективности очистки вод (%) загрузкой Fe: С от некоторых ИТМ:

=93,43+5,23 +3,68 -3,33 ,

=25,45 +9,3 ,

=43,85 6,20 +15,75 -4,75 ,

=80,625 +11,875 +8,125 ,

где X – продолжительность обработки вод в лабораторном гальванокоагуляторе (10÷20 мин);

– температура процесса (15÷40 °С).

Остаточное содержание ионов никеля и меди в воде (% от исходного) рассчитывается по выражениям:

= 68,25 – 21,75 ,

= 23,05 – 21,70 ,

где - продолжительность обработки вод в ГК (2,5÷5 мин);

- концентрация серной кислоты в растворе (2,5÷100 г/л).

Анализируя в кодированных переменных зависимости со второй по пятую, можно видеть, что наибольший вклад в повышение эффективности процесса вносит температура очищаемых ПСВ, величина которой вследствие электрохимических взаимодействий гальванопар повышается на 6-10 °С по сравнению с исходной.

Полученные расчетами и результатами практического внедрения значения частных ресурсных и экологических коэффициентов процессов очистки сточных вод гальванического производства КТГО в сравнении с ЭК-методом приведены в табл. 2.

Из табл.2 следует, что большую долю и обобщенный РЭП вносит ресурсная составляющая. Однако именно эту составляющую и не учитывают в настоящее время при технико-экономическом и экологическом обосновании выбора технологий.

С учетом полученных и определим обобщенное значение функции оптимизации гальванокоагуляции по ресурсно-экологическому потенциалу (1):

= × = = 0,209.

Таблица 2

Качественные и количественные оценки процессов КТГО

Исходя из (табл.1), влияние КТГО ПСВ гальванических производств на окружающую среду качественно оцениваем как «минимальную степень воздействия».

Выбор технологий и методов очистки при проектировании гальванических производств выполняется согласно требованиям действующих СНиП 2.04.03-85. «Канализация. Наружные сети и сооружения». Этими СНиП разработаны условия и технологические требования по очистке сточных вод гальванических производств реагентным и электрокоагуляционным методами, которые по многим параметрам не отвечают современным природоохранным и экономическим требованиям.

Технологические показатели степени очистки стоков от основных загрязнений приведены в табл. 3.

Таблица 3

Технологические показатели результатов КТГО

Показатель	Исх., мг/л	1-я ступень, мг/л	2-я ступень, мг/л	КТГО мг/л	ПДК, мг/л питьевой воды
рН	2÷4	4÷5	5÷7	8,5	6,5÷8,5
ХПК	1350	650	280	60	Нн
СПАВ мягкие	40	26	8	0,6	Нн
Хром VI	150	10	0,1	сл.	0,05
Хром III	150	30	0,1	0,001	0,001
Цинк	50	20	4,2	0,01	5,0
Никель I	30	16	2,0	0,05	0,1
Медь	150	5	0,5	0,001	1,0
Кадмий	5	3,5	0,5	0,001	0,001
Фториды	50	10	2,2	0,04	1,2

Все полученные результаты по РЭП позволяют разработать рекомендации для включения КТГО ПСВ с использованием ГК и ШФ для гальванических производств в СНиП 2.04.03-85.

Литература

1. Акимова Т.А. Экология. М.: ЮНИТИ-ДАНА,2011 - 343 с.

2. Киприянов Н.А. Физическая химия процесса очистки воды. М.: Изд-во РУДН, 2004. – 147 с.

3. Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. М.: Принт, 2004. - 328 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 546

Д.С. Тюленев, В.В. Корнеева, А.Н. Корнеева

Графен, графеновые пленки и их применение

в современной технике

В статье рассматривается способ получение графеновых пленок и их применение в современной технике

Введение. Графе́н — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и рекордно большой теплопроводностью. Высокая подвижность носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.