Новые нанокомпозиты для глубокой деоксигенации воды
Аннотация
Получены и исследованы новые металл-полимерные нанокомпозиты для глубокой деоксигенации воды. Полимерной матрицей служил макро- и монопористый сульфокатионообменник с нанометровым размером пор, металлом – осажденная в порах матрицы нанодисперсная медь. Особенностью исследованных нанокомпозитов является натриевая ионная форма, исключающая возможность образования растворимых продуктов окисления меди.
Установленная линейная зависимость емкости по меди от числа циклов ионообменного насыщения – химического осаждения показывает, что процесс осаждения металла в поры матрицы не испытывает существенных препятствий на протяжении 10 циклов и способствует получению высокоемких образцов.
Показана высокая эффективность и продолжительность жизненного цикла высокоемких медь - ионообменных нанокомпозитов. Экспериментальные исследования деоксигенации воды в аппаратах колоночного типа с насадкой нанокомпозита подтверждены теоретическим анализом динамики процесса. Экспериментальные данные и теоретический расчет показывают достижимость глубокого уровня деоксигенации воды при практически неизменных значениях рН и электропроводности. Остаточный кислород может быть регулируемым и не превышать
3 мкг/л.
Дано гигиеническое и экономическое обоснование целесообразности применения полученных нанокомпозитов. Проанализирована необходимость применения современных нанокомпозитных металл-полимерных материалов для глубокого обескислороживания воды, циркулирующей в технологических системах. Металлические компоненты разводящей сети при использовании данной инновации будут защищены от коррозии и, следовательно, обеспечены гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Глубокая
химическая деоксигенация воды с помощью медь-ионообменных полимерных нанокомпозитов в натриевой форме позволяет решить вопрос о коррозионной стойкости металлов, обеспечив соответствие воды гигиеническим требованиям в широком масштабе.
Конкурентным преимуществом рассматриваемой системы деоксигенации воды по сравнению с известными является отказ от использования драгоценных металлов-катализаторов (палладия, платины), чистого водорода и сложных конструктивных решений. Предложенная новая нанокомпозитная установка по деоксигенации воды отличается простотой использования и может быть встроена в систему фильтров для очистки воды.
SWOT-анализ сильных и слабых сторон предлагаемого способа деоксигенации воды показал, что его основными достоинствами являются высокая кислородоёмкость нанокомпозита, низкое остаточное содержание кислорода (3 мкг/л) в воде, простота эксплуатации деоксигенатора. Проведены расчеты экономической эффективности нанокомпозита. Точка безубыточности достигается при получении всего лишь ~100 л нанокомпозита и объёме реализации ~1 600 000 рублей, свыше которой может быть получена прибыль. Срок окупаемости при инвестициях в ~15 000 000 рублей достаточно мал и не превышает 2-х лет.
Скачивания
Литература
Kravchenko T. A. Poverkhnostnaya okislitel’novosstanovitel’naya reaktsiya v sorbtsionnykh protsessakh [Surface redox reaction in sorption processes]. Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granitsy = Condensed Matter and Interphases. 1999;1(1): 10–20. Kravchenko T. A. 1999;1(1): 10-20. Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=26781449 (InRuss.)
Zagorodni A. A. Electroseparation with ion exchange materials. In: Ion exchange materials. Amsterdam: Elsevier; 2007. pp. 351–376. https://doi.org/10.1016/b978-008044552-6/50018-6
Kravchenko T. A., Polyanskiy L. N., Krysanov V. A., Zelensky E. S., Kalinichev A. I., Hoell W. H. Chemical precipitation of copper from copper-zink solutions onto selective sorbents. Hydrometalurgy. 2009;95(1-2): 141–144. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2008.05.027
Kravchenko T. A., Chayka M. Yu., Konev D. V., Polyansky L. N., Krysanov V. A. The influence of the ion-exchange groups nature and the degree of chemical activation by silver on the process of copper electrodeposition into the ion exchanger. Electrochimica Acta. 2007;53(2): 330–336. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.04.003
Zolotukhina E. V., Kravchenko T. A. Synthesis and kinetics of growth of metal nanoparticles inside ion-exchange polymers. Electrochimica Acta. 2011;56(10): 3597–3604. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2010.12.019
Kravchenko T. A., Aristov I. V. Kinetics and dynamics of redox sorption. In: Ion Exchange. Highlights of Russian Science. D. Muraviev, V. Gorshkov, A. Warshawsky (eds.). New York-Basel: M. Dekker; 2000.pp. 691–764. https://doi.org/10.1201/9780203908341.ch11
Kravchenko T. A., Polyansky L. N., Kalinichev A. I., Konev D. V. Nanokompozity metall-ionoobmennik [Nanocomposites metal-ion exchanger]. Moscow: Nauka Publ.; 2009. 391 p. (In Russ.)
Kravchenko T. A., Zolotukhina E. V. Chaika M. Yu., Yaroslavtsev A. B. Elektrokhimiya nanokompozitov metall- ionoobmennik [Electrochemistry of nanocomposites metal-ion exchanger]. Moscow: Nauka Publ.; 2013. 365 p. (In Russ.)
Kravchenko T. A., Khorolskaya S. V., Polyanskiy L. N., Kipriyanova E. S. Investigation of the mass transferprocess inmetal-ion-exchanger nanocomposites. In: Nanocomposites: synsesis, characterization and application. X. Wang (ed.). N.Y.: Nova Science Publishers; 2013. pp. 329–348.
Sakardina E. A., Kravchenko T. A., Zolotukhina E. V., Vorotyntsev M. A. Silver/ion exchanger nanocomposites as low-temperature redox-catalysts for methanal oxidation. Electrochimica Acta. 2015;179: 364–371. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.03.227
Dorfner K. Ion exchangers. Berlin and New-York: Walter de Gruyter; 1991. 1494 p. https://doi.org/10.1515/9783110862430
Volkov V. V., Kravchenko T. A, Roldughin V. I. Metal nanoparticles in catalytic polymer membranes and ion-exchange systems for advanced purification of water from molecular oxygen. Russian Chemical Reviews. 2013;82(5): 465–482. https://doi.org/10.1070/RC2013v082n05ABEH004325
Lebedeva V. I., Petrova I. V, Volkov V. V., Tereshchenko G. F., Shkol’nikov E. I, Plyasova L. M., Kochubey D. I., Vaart R. Van Der, Soest-Verecammen E. L. J. Van, Gryaznov V. M. Porous Pd-containing polypropylene membranes for catalytic water deoxygenation. Kinetics and Catalysis. 2006;47(6): 867–872. https://doi.org/10.1134/S0023158406060097
Kirpikov D. A., Pykhteev O. Yu., Kharitonova E. Yu., Tsapko Yu. V., Chistyakov I. V., Gursky V. S. Ustroistvo dlya elektrokhimicheskoi deoksigenatsii vysokochistoi vody. Opisanie izobreteniya k patentu [Device for electrochemical deoxygenation of high-purity water. Description of the invention to the patent]. Application: 2012114642/05, 12.04.2012. Published: 10.10.2013. Byul. No. 28. (In Russ.)
Yasnev I. M., Gursky V. S., Dombrovsky A. P., Vishnyakova N. B. The UD VVCH-500 modular system for deoxygenation of high-purity water. Technologies for ensuring the life cycle. 2017;(2): 71–75. Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=29847926 (In Russ., abstract in Eng.)
Selvaraju T., Ramaraj R. Nanostructured copper particles-incorporated Nafion-modified electrode for oxygen reduction. Pramana. 2005;65(4): 713–722. https://doi.org/10.1007/bf03010459
Du C., Gao X., Chen W. Recent developments in copper-based, non-noble metal electrocatalysts for the oxygen reduction reaction. Chinese Journal of Catalysis. 2016;37: 1049–1061.
https://doi.org/10.1016/S1872-2067(15)61059-2
Wolf I. V., Romanov A. V. Deep desalination and deoxygenation of water using ionites and an ironhydrosakis electron-ion exchanger. Sorbtsionnye i Khromatograficheskie Protsessy. 2006;6(6): 1318–1326. (In Russ.)
Product Information about Lewatit K 2620. Available at: https://lanxess.com/en/Products-andSolutions/Products/l/LEWATIT--K-2620
Krysanov V. A., Plotnikova N. V., Kravchenko T. A. Nanostrukturnyi kompozit dlya glubokogo udaleniya kisloroda iz vody [Nanostructured composite for deep removal of oxygen from water]. Utility model patent RU
363 U1. Application 201640241b dated 12.10.2016. Published on 05.07.2017. Byul. No. 19. (In Russ.)
Kravchenko T. A., Vakhnin D. D., Chumakova A. V., Konev D. V. Electrodynamic model of oxygen redox sorption by metal-containing nanocomposites. Nanotechnologies in Russia. 2019;14(11-12): 523–530. https://doi.org/10.1134/S1995078019060090
On the state of sanitary and epidemiological well-being of the population in the Russian Federation in 2019: State report. Moscow: Federal Service for Supervision of Consumer Rights Protection and Human Well-being; 2020. 299 p. (In Russ.)
The report “On the state of sanitary and epidemiological welfare of the population in the Voronezh region in 2020”. Voronezh: Department of the Federal Service for Supervision of Consumer Rights Protection and Human Welfare in the Voronezh Region; 2021. 193 p. (In Russ.)
Muravyev A. G. Rukovodstvo po opredeleniyu pokazatelei kachestva vody polevymi metodami [Guidelines for determining water quality indicators by field methods]. St. Petersburg: “Krismas+” Publ.; 2009. 248 p. (In Russ.)
Belikov S. E. Spravochnik dlya professionalov. Vodopodgotovka [Handbook for professionals]. Water treatment. Moscow: Aqua-Term Publ.; 2007. 240 p. (In Russ.)
Azoev G. L. Konkurentsiya: analiz, strategiya i praktika [Competition: analysis, strategy and practice]. Moscow: Center for Economics and Marketing Publ.; 2012. 257 p. (In Russ.)
The official website of the company «Cheminst». Available at: https://www.cheminst.ru28. The official website of the company «Lanxess».
Available at: https://lanxess.com/en/Products-and-Solutions/Products/l/LEWATIT--K-3433
Treshchevsky Yu. I., Vertakovoy Yu. V., Pidoimo L. P. Ekonomika i organizatsiya proizvodstva [Economics and organization of production: textbook]. Moscow: INFRA-M Publ.; 2014. 381 p. (In Russ.)
The official website of the real estate agency «Transfer». Available at: https://transfert-vrn.ru
The Tax Code of the Russian Federation (part two) of 05.08.2000 N 117-FZ (as amended on 20.04.2021) (with amendments and additions, intro. effective from 20.05.2021). Article 425. Insurance premium rates. (In Russ.)
Vasina A. A. Doiti do tochki... bezubytochnosti [Reach the point... break-even]. An electronic article. 2008. Available at: https://www.cfin.ru/finanalysis/math/break_even_point.shtml
Copyright (c) 2021 Конденсированные среды и межфазные границы
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
