Статья "РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФИЛЬТРАЦИИ ВОДОПРОВОДНОЙ ВОДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УГЛЕРОДНОГО НАНОМАТЕРИАЛА"

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФИЛЬТРАЦИИ ВОДОПРОВОДНОЙ ВОДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УГЛЕРОДНОГО НАНОМАТЕРИАЛА

Куркина И.В.

Научный руководитель – Макурина Н.В.

МОУ СШ №103, г. Волгоград

Проблема обеспечения населения питьевой водой, отвечающей требованиям стандарта, является одной из основных и требует комплексного и эффективного решения. С неэффективностью очистительных фильтров мы сталкиваемся ежедневно, поэтому исследовательская работа посвящена поиску инновационной технологии очистки водопроводной воды.

        Цель работы: разработка технологии очистки водопроводной воды с использованием  углеродных  нанотрубок.

       Задачи исследования:

1.Изучить современные способы очистки водопроводной воды. Осуществить поиск новых эффективных методов очистки.

2.Изучить и реализовать на практике технологию получения углеродного наноматериала методом каталитического пиролиза  на установке CVDomna.

3.Создать макет фильтра на основе наноматериала, заключенного в пространство между слоями пористого стекла.

4.Провести экспериментальное исследование водопроводной воды, взятой до и после очистки углеродным наноматериалом, методом молекулярной ИК - спектроскопии, хроматографии и химического анализа.

5.Провести сравнительный анализ полученных результатов.

       Предмет исследования: углеродные нанотрубки.

       Обьект  исследования: фильтр на основе  углеродного наноматериала.

Гипотезы исследования: углеродные нанотрубки, в качестве составных частей фильтров, обладают большей эффективностью, чем известные фильтры для воды.

Методы исследования:

1.Анализ научной литературы по проблеме, поиск новых эффективных методов очистки воды.

2.Эксперимент:  получение углеродного  наноматериала;  исследование водопроводной воды  методом ИК - спектроскопии, хроматографии и химического анализа.

3.Моделирование макета фильтра на основе наноматериала, заключенного в          пространство между слоями пористого стекла.

4.Наблюдение, сравнение и   анализ  результатов.

Для решения первой задачи исследования было проведено изучение и анализ современных способов очистки водопроводной воды от нежелательных примесей. Анализ источников показал, что при  создании систем фильтрации для воды чаще всего применяют активированный уголь. И даже современные решения в этой сфере не могут изменить того, что активированный уголь способен эффективно очищать воду лишь несколько раз.                       

В отличие от него, фильтры, изготовленные из углеродных нанотрубок, можно использовать много раз, к тому же они обладают большей эффективностью при удалении органических загрязнений. Именно на этом основано наше исследование, мы предложили углеродные нанотрубки в качестве составных частей фильтров.

С этой целью были изучены особенности строения углеродных наноматериалов  и их сорбционные свойства [2]. Найдена эффективная и доступная методика получения  углеродного наноматериала методом каталитического пиролиза на установке CVDomna. Нами была выбрана методика «Выращивание нанотрубок на золь-гель никелевом катализаторе» [1]. К достоинствам  данной технологии можно отнести:

1. Безопасность технологического процесса ‑ отсутствие в нём веществ, относящихся к сильным ядам и, как следствие, отсутствие загрязняющего действия на окружающую среду.

2. Компактность установки CVDomna, а также её простота в эксплуатации и эргономичность.

3. Дешевизна и широкая доступность сырья для роста нанотрубок и приготовления катализаторов.

Недостатками технологии являются:

1. Малое количество нанотрубного материала, получаемого за один технологический процесс.

2. Длительное время подготовки установки к следующему технологическому процессу, связанное с большой теплоемкостью оснастки реактора и обусловленное длительным охлаждением до исходной температуры технологического процесса.

Приготовление наноматериала для фильтрования заключалось в растворении наноматериала в этиловом спирте. Для получения мелкодисперсной взвеси углеродного наноматериала в растворе этанола использовалась стандартная ультразвуковая ванна с подогревом «VBS 1» и центрифуга «Eppendorf».

Для решения третьей задачи создан макет фильтра на основе углеродного наноматериала: мелкодисперсный углеродный материал, помещался между двумя фильтрами Шотта (состыковывались между собой) разного диаметра (размеры пор составляли 4–10 мкм), образуя замкнутую фильтрующую систему. Для обеспечения замкнутости углеродные нанотрубки дополнительно помещались между слоями фильтровальной бумаги. Минимальным количеством необходимого наноматериала является 0,2 грамма, так как при уменьшении этого количества очистка не дает положительный результат, а при большем количестве её результат меняется незначительно.

Исследование водопроводной  воды,   взятой до и после очистки углеродным  наноматериалом, осуществлялась методом  ИК - спектроскопии, хроматографии. Дополнительно был проведен эксперимент по определению общей жесткости воды в сравнении с водопроводной и фильтрованной водой фильтром  Барьер.

Результаты показали, что вода, взятая после очистки углеродным наноматериалом, имеет меньшее содержание вредных примесей, солей кальция и магния.

Гипотеза исследования полностью подтвердилась. В результате исследования удалось получить углеродный наноматериал методом каталитического пиролиза на установке CVDomna, разработать макет фильтра,   доказать эффективность применения фильтра на основе углеродного наноматериала для очистки водопроводной воды.  

Изложенный автором материал имеет практическое значение и может использоваться  в производстве водопроводных фильтров, где, в качестве фильтрующего элемента выступают углеродные  наноматериалы. Производство таких фильтров внесет неоценимый вклад в программу импортозамещения региона и страны.

Библиографический список:

1.Запороцкова И.В., Борознин С.В., Поликарпова Н.П.

Получение углеродных нанотруб методом каталитического пиролиза этанола [Текст]  // Учеб.пособие ВолГУ,2015

2.Запороцкова И.В., Борознина Н.П. НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОИНЖЕНЕРИЯ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ [Текст]   // Учеб.пособие ВолГУ,2016 C.63,79