ХИМИЯ|МАТЕМАТИКА
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ
Курсовые|Рефераты Репетиторы по химии

Активное молекулярное сито

↑ Grab this Headline Animator

Изобретение относится к области получения молекулярных сит. Предложено молекулярное сито активного типа, включающее множество пор, протяженность которых по меньшей мере в одном измерении составляет менее 100 нм, в состав каждой указанной поры входит по меньшей мере один электрод, электрически соединенный со средствами контроля напряжения смещения, в состав указанного электрода входит как минимум одна нанотрубка или нанопроволока. В порах молекулярного сита поддерживается электрическое поле заданной величины и пространственной конфигурации, что обеспечивает возможность усиления различий в эффективных линейных размерах молекул и их Ван-дер-Ваальсовом взаимодействии со стенками пор и способствует различной проницаемости пор для молекул разных типов. Молекулярное сито является эффективным в очистке жидких и газовых сред, а также в качестве мембранного каталитического реактора.

Изобретение относится к молекулярным ситам, предназначенным для селективного разделения многокомпонентных сред, а также для выполнения функции наномембранных реакторов, обеспечивающих расширение возможностей осуществления химических реакций и разделения их продуктов.

Молекулярные сита имеют широчайший спектр конечных приложений. В последние годы в связи с ростом экологических и энергетических проблем появился комплекс технологий - «сжигание топлива с нулевым выбросом», где наиболее перспективным является сжигание в атмосфере кислорода (полное сжигание). Уже существует несколько проектов тепловых электростанций, ориентированных на сжигание угля в кислороде, разбавленном СО2(www.inno.ru/projects/23440/project23590.shtml). С повышением концентрации кислорода процесс горения интенсифицируется, поэтому в чистом кислороде хорошо горят даже низкокачественные виды топлива. Это позволяет не только получить полное сгорание традиционных видов топлива, но также открывает возможности использования разных новых видов биотоплива и мусора без существенных подготовительных преобразований. Получаемый самым распространенным криогенным способом кислород (вымораживание воздуха ниже -150°С), по некоторым оценкам, повысит стоимость производства электроэнергии на 30%. Кроме того, этот метод предполагает отдельный кислородный завод, что может быть целесообразно для масштабных потребителей, но неприемлемо для малых. Выход ищут в развитии мембранных технологий воздухоразделения. Согласно оценкам развитие новых сложных технологий ресурсосбережения становится экономически целесообразно уже при стоимости барреля нефти от 40$. Таким образом, можно сделать вывод о существенной востребованности указанных технологий как на текущий момент, так и в обозримой перспективе.

Кроме энергетики, молекулярные сита имеют широкое применение в химической промышленности (селективное разделение газов, селективное выпаривание жидкостей; в частности, экологически безопасные и ресурсосберегающие процессы получения ценных нефтепродуктов из природного и попутного газов, селективное выделение биогаза при переработке органических отходов и т.д.), в пищевой промышленности (в частности, переработка вторичного пищевого сырья с выделением ценных компонентов), в медицине (мембранные дозаторы и пролонгаторы лекарственных препаратов, аппараты для плазмофереза и оксигенации крови, искусственная поджелудочная железа, искусственная почка и др.). Можно отметить также такие приложения, как энергосберегающее опреснение воды, очистка сточных вод с выделением ценных компонентов в промышленности и коммунальном хозяйстве, дезактивация кислородом стоков, кондиционирование помещений, хранение в атмосфере азота с целью предотвращения порчи и возгорания и др.

Молекулярные сита представляют интерес также с точки зрения реализации наномембранных реакторов. Данные системы образуют чрезвычайно перспективный подход в решении задач крупнотоннажной промышленной химии и обеспечивают одновременно эффективный синтез, разделение и очистку получаемых химических соединений (в частности, ароматических углеводородов) при низком энергопотреблении. Каждая пора наномембранной структуры выполняет роль реактора, в котором осуществляется единый цикл химических превращений и разделения продуктов реакций.

Общим недостатком входящих в существующий уровень техники молекулярных сит является то, что их селективность основана исключительно на стерических эффектах, таких как различия в размере и форме разделяемых молекул (по данному признаку существующие молекулярные сита можно охарактеризовать как пассивные). Для того чтобы обеспечить высокую селективность к молекулам целевых типов, необходимо с высокой точностью обеспечить соответствие геометрических параметров и элементного состава пор кинетическому диаметру и параметрам электронной оболочки целевых молекул. Столь мощные и универсальные методы инженерии пор под параметры целевых молекул на настоящий момент отсутствуют. Более того, для ряда молекул существенное значение имеет фактор их пространственной ориентации вблизи входа в пору, что не поддается контролю в случае пассивных молекулярных сит. Это сужает линейку пригодных для разделения сред и снижает общую эффективность таких систем. Отметим, что в случае составляющих существующий уровень техники молекулярных сит, которые выполнены, как правило, из диэлектрических материалов, очистка пор также составляет одну из существенных проблем. Для ее решения применяют специальные механические (промывка), термические (нагрев сита внешним источником) и химические (химически активная промывка) методы, что удорожает и усложняет процедуру эксплуатации систем на основе пассивных молекулярных сит.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в обеспечении молекулярного сита нового, активного типа, характеризующегося следующей функциональностью:
1) в порах молекулярного сита поддерживается электрическое поле с заданной величиной, пространственной конфигурацией и временной зависимостью. Поддержание заданного электрического поля обеспечивает перераспределение электронной плотности попадающих в поры молекул. Поскольку параметры этого перераспределения зависят от типа молекулы, то таким образом могут быть усилены различия в эффективных линейных размерах молекул и их Ван-дер-Ваальсовом взаимодействии со стенками пор. Это способствует различию проницаемости пор для молекул различных типов. В случае создания в порах переменного электрического поля могут быть использованы кинетические эффекты, связанные с различием характерного времени транспорта через пору для молекул различных типов. Указанные факторы позволяют управлять селективностью молекулярного сита;
2) поляризованные молекулы разделяемой среды испытывают ориентацию вдоль силовых линий поля. Это обеспечивает контроль пространственной ориентации молекул внутри поры, а также в области вблизи входа поры, что имеет существенное значение для протяженных молекул и молекул сложной формы. Поляризованные молекулы испытывают также поступательное движение в направлении градиента поля, что позволяет организовывать направленный транспорт молекул внутри поры, а также в области вблизи входа поры;
3) в отличие от случая пассивных молекулярных сит, параметры которых фиксированы и определяются возможностями используемой технологии формирования, предлагаемые активные молекулярные сита позволяют непрерывным образом настраивать свои функциональные параметры на целевые молекулы посредством изменения параметров электрического поля в порах. Отметим, что данная функциональность существенна, поскольку во многих практически важных приложениях размеры разделяемых молекул лишь незначительно отличаются друг от друга (например, кинетический диаметр молекулы кислорода составляет 0,346 нм, а кинетический диаметр молекул основной компоненты воздуха - азота, составляет 0,364 нм);
4) в случае одного из аспектов изобретения обеспечивается возможность изменения in situ эффективной геометрии пор в результате Кулоновского взаимодействия составных частей поры. Это позволяет как изменять стерическое взаимодействие поры с молекулами разделяемой среды, так и использовать для транспорта молекул эффекты резонансного и волнового механического движения;
5) в случае одного из аспектов изобретения обеспечивается режим самоочистки пор, в частности, посредством контролируемого локального нагрева каждой поры проходящим через определенные составные части поры электрическим током. Это позволяет контролировать десорбцию молекул и частиц посредством термической и токовой активации процесса десорбции. Кроме того, в рамках локального нагрева поры возможно достижение быстрого расширения среды, заполняющей пору (в частности, сопровождающегося фазовым переходом жидкость - газ) с механическим выталкиванием содержимого поры. Интенсивность данного процесса может контролироваться в широких пределах;
6) создание в порах контролируемого электрического поля позволяет оказывать дополнительное влияние как на транспорт, так и на саму реакционную способность находящихся в порах агентов химических реакций и обеспечивает тем самым выход на нереализуемые в обычных условиях цепочки химических превращений. Это актуально для приложения молекулярного сита в качестве наномембранного каталитического реактора.

Указанный технический результат достигается в молекулярном сите, включающем множество пор, протяженность которых по меньшей мере в одном измерении составляет менее 100 нм, причем в состав каждой указанной поры входит по меньшей мере 1 электрод, электрически соединенный со средствами контроля напряжения смещения, в состав указанного электрода входит как минимум одна нанотрубка или нанопроволока.

Множество пор разделено на одно или более подмножеств, причем однотипные электроды, входящие в состав пор общего подмножества, электрически соединены друг с другом.

По меньшей мере один из электродов каждой указанной поры выполнен из материала, обеспечивающего упругую деформацию данного электрода в ответ на воздействие, оказываемое посредством силы Кулона со стороны другого электрода поры или комбинации электродов поры.

По меньшей мере один из электродов каждой указанной поры выполнен из материала, обеспечивающего пластичную или упруго-пластичную деформацию данного электрода в ответ на воздействие, оказываемое посредством силы Кулона со стороны другого электрода поры или комбинации электродов поры.

Указанный электрод представляет собой углеродную нанотрубку.

В состав каждой указанной поры входят два электрода, первый электрод является частью проводящего слоя аморфного углерода или химически инертного металла, в котором выполнены поры сита, а второй электрод представляет собой углеродную нанотрубку, причем первый и второй электроды пространственно отделены и не касаются друг друга.

Указанный второй электрод представляет собой многослойную углеродную нанотрубку с как минимум одним удаленным внешним слоем, где указанное удаление совершено посредством локального анодного окисления, а в качестве материала указанного первого электрода выбран химически инертный металл.

Поверхность указанной углеродной нанотрубки и поверхность указанного первого электрода образуют зазор, ширина которого составляет менее 0,4 нм.

Зазор между поверхностью указанной углеродной нанотрубки и поверхностью указанного первого электрода образован посредством локального анодного окисления части материала первого электрода.

Формула изобретения

1. Молекулярное сито, включающее множество пор, протяженность которых по меньшей мере в одном измерении составляет менее 100 нм, в состав каждой указанной поры входит по меньшей мере один электрод, электрически соединенный со средствами контроля напряжения смещения, в состав указанного электрода входит как минимум одна нанотрубка или нанопроволока.
2. Сито по п.1, в котором множество пор разделено на одно или более подмножеств, причем однотипные электроды, входящие в состав пор общего подмножества, электрически соединены друг с другом.
3. Сито по п.1, в котором по меньшей мере один из электродов каждой указанной поры выполнен из материала, обеспечивающего упругую деформацию данного электрода в ответ на воздействие, оказываемое посредством силы Кулона со стороны другого электрода поры или комбинации электродов поры.
4. Сито по п.1, в котором по меньшей мере один из электродов каждой указанной поры выполнен из материала, обеспечивающего пластичную или упругопластичную деформацию данного электрода в ответ на воздействие, оказываемое посредством силы Кулона со стороны другого электрода поры или комбинации электродов поры.
5. Сито по п.1, в котором указанный электрод представляет собой углеродную нанотрубку.
6. Сито по п.1, в котором в состав каждой указанной поры входит два электрода, первый электрод является частью проводящего слоя аморфного углерода или химически инертного металла, в котором выполнены поры сита, а второй электрод представляет собой углеродную нанотрубку, причем первый и второй электроды пространственно отделены и не касаются друг друга.
7. Сито по п.6, в котором указанный второй электрод представляет собой многослойную углеродную нанотрубку с как минимум одним удаленным внешним слоем, где указанное удаление совершено посредством локального анодного окисления, а в качестве материала указанного первого электрода выбран химически инертный металл.
8. Сито по п.6, в котором поверхность указанной углеродной нанотрубки и поверхность указанного первого электрода образуют зазор, ширина которого составляет менее 0,4 нм.
9. Сито по п.6, в котором зазор между поверхностью указанной углеродной нанотрубки и поверхностью указанного первого электрода образован посредством локального анодного окисления части материала первого электрода.

Авторы данного изобретения: Хартов Станислав Викторович (RU), Ромашкин Алексей Валентинович (RU).

Другие открытия в области неорганической химии:

• Способ комплексной переработки газообразного углеродсодержащего сырья (варианты)

• Способ газификации твердого топлива

• Способ получения угольных брикетов

Перейти к полному списку открытий

Присылайте свои научные статьи на электронный адрес admin@xumuktutor.ru, и мы опубликуем их абсолютно бесплатно на страницах нашего сайта. Ваши научные достижения станут известны всем (или почти всем).