Науково-технічні розробки

РОЗРОБКИ ВІДДІЛУ СОРБЦІЇ ТА ТОНКОГО НЕОРГАНІЧНОГО СИНТЕЗУ

Керівник розробок: 
академік НАН України,
професор Стрелко Володимир Васильович

телефон: + 38 (044) 594 02 40,
факс: + 38 (044) 594 01 38,
е-mail:  ispe@ispe.kiev.ua

Нова генерація вуглецевих гемосорбентів для очищення крові поза організмом

Гранульовані вуглецеві гемосорбенти (умовна назва “Карбон”) синтезовано на основі високопоруватого кокосового вугілля

Вихідний   матеріал для “Карбон” 
Фрагмент поверхні   “Карбон” х 120
Фрагмент поверхні   “Карбон” х 200
Гемосорбційна колонка.
Ще одна людина, що була врятована…

Медико–біологічна оцінка:

“Карбон” має високий терапевтичний ефект при лікуванні:

  • нирково–печінкової недостатності,
  • панкреатитів,
  • сепсису,
  • отруєнь,
  • ракових токсикозів,
  • опіків,
  • наркологічних недугів і ін.

При цьому спостерігається мінімальне зниження в крові тромбоцитів, лейкоцитів і еритроцитів (<5%) і несуттєвий приріст гемоглобіну (<5%).

Для гемосорбентів “Карбон” характерні:

  • надзвичайно висока міцність гранул навіть при сильно розвиненій поруватості;
  • відсутність часток вуглецевого пилу у кров’яному руслі (апірогеність – завдяки міцності гранул);
  • бімодальна мікро-, мезопорувата структура і високі значення питомої поверхні пор  (~ 1700–2000 м2/г);
  • висока сорбційна ємність по відношенню до токсикантів молекулярної природи (білірубіну, середніх молекул, урінової кислоти, мікотоксинів, екзотоксикантів при отруєннях і ін.);
  • висока антиоксидантна активність і здатність каталітично розкладати пероксиди ліпідів.

Практичне застосування:

  • успішні автономні клінічні випробування у Білоруському Центрі сорбційних технологій і плазмофорезу (Мінск);
  • більш 200 високорезультативних процедур гемосорбції на хворих з важкою ендогенною інтоксикацією (нирки, печінка, трансплантація);
  • одержано гарний клінічний ефект при всіх практичних застосуваннях;
  • відсутність ускладнень;
  • технологія, що напрацьована трьома десятиріччями, характеризується відточенностю всіх технічних складових.

Вуглецеві та композиційні ентеросорбенти як допоміжний засіб при лікування хронічних захворювань нирок та печінки

Доступ нирково–печінкових пацієнтів до сучасного діалізу в Україні ускладнений через високу вартість.

Дієва допомога таким пацієнтам –  доступна терапія новітніми ентеросорбентами, що створені в ІСПЕ НАН України.

Ентеросорбція на сьогодні є найбільш простою і дешевою допоміжною процедурою сучасного лікування нирково–печінкових пацієнтів в Україні.

Ентеросорбція –  метод еферентної терапії, заснований на зв’язуванні та виведеннні із шлунко-кишечного тракту (з лікувальною чи профілактичною метою) ендогених і экзогених речовин, надмолекулярних структур та клітин. 

В ІСПЕ НАН України розроблені вуглецеві та композиційні ентеросорбенти, що дозволяють:

  • відстрочити на декілька місяців і більше початок програмного діалізу,
  • зменшити тривалість і тижневу кількість діалізних процедур,
  • покращити якість і продовжити термін життя нирково–печінкових хворих;
  • здійснювати контроль над кількістю іонів NH4+ і K+ в організмі,
  • тримати в нормі ароматичні та аліфатичні амінокслоти, та індол.
  • зменшувати також вміст токсикантів в організмі при отруєннях, панкреатиті, сепсисі, ракових токсикозах, гепатитах, псоріазі, алергії, деяких психоневрологічних проблемах і т.п.
  • стримувати розвиток печінкової енцефалопатії та оксидативного стресу, а також склеротичних змін в серцево–судинній системі,
  • знижувати смертність пацієнтів від склерозу;
  • отримувати значний економічний ефект від свого впровадження;

Нанопоруваті вуглецеві та неорганічні біосумісні матеріали для створення композиційних ентеросорбентів.

Сорбенти для очищення рідких радіоактивних відходів

Представляємо найбільш перспективні сорбенти з великою селективністю до радіонуклідів, що були розроблені – сорбенти для очищення рідких радіоактивних відходів на підгрунті напівкристалічних та аморфних силікатах  Ti та Zr    (TiSi і ZrSi):

Силікат цирконію (0,6ZrO2·SiO2) неорганічний іоніт сферичної грануляції, перспективний для очищення при високих температурах контурних вод АЕС.

Характерні властивості

  • розвинута пористість,
  • селективність сорбції мікрокількостей іонів d-металів, що накопичуються в воді в умовах опромінення і корозії.
  • надзвичайно висока стійкість в умовах гідротермальної дії перегрітої води;
  • можливість функціонувати в жорстких режимах експлуатації;

 Силікат титану (хТіO2·SiO2)– універсальний неорганічний іоніт

Характерні властивості

  • селективне поглинання всього спектру довгоживучих радіонуклідів (137Cs, 90Sr, 239Pu, 241Am) зі складних розчинів;
  • селективне поглинання радіонуклідів урану з складних розчинів та рідких радіоактивних відходів (РРВ);
  • селективнісь обумовлена нанопорами з проявленим краун-ефектом, а по суті їх співрозмірністью з цими радіонуклідами.

Сорбенти, що вище наведені, було застосовано для очистки «блочних» вод об’єкту «Укриття».

Співрозмірність пор і іонів забезпечує селективність (краун-ефект)

Неорганічні іоніти- силікат цирконію (0,6ZrO2·SiO2) та силікат титану (хТіO2·SiO2), що поглинули радіонукліди:

  • є зручними в роботі високостійкими та стабільними твердими речовинами;
  • можуть бути безпосередньо захоронені, зацементовані або бітумовані, сплавлені зі склом чи керамікою;
  • також можуть бути іммобілізовані в термодинамічно стійкі кристалічні фази, в яких довгоживучі радіонукліди зв’язуються у формі твердих розчинів заміщення.

Універсальний одноразовий фільтр для знезараження та очищення води в польових умовах

Фільтр широкодоступний по ціноутворенню, і зовсім не має конкурентів якість/ціна.

Фільтр забезпечує можливість повного очищення води від будь-яких забруднювачів – бактерій і вірусів, органічних домішок, важких металів та радіонуклідів, колоїдів (мутність), знебарвлення та освітлення води, усунення неприємного запаху.

Фільтр вагою 30 грамів здатен очистити 20 літрів забрудненої води до норм питної води.

Чисто сорбційне фіксування всіх токсикантів та патогенної мікрофлори на мембранах фільтру. Не потребує додатково джерела тиску при фільтруванні та антибактеріальних засобів.

Простий спосіб одержання чистої води в польових умовах

Елементарна конструкція не потребує кваліфікованої робочої сили, що дозволяє виготовляти фільтр у будь-якій майстерні.

Мембранні елементи та зовнішній вигляд фільтру (10х10 см)

Порувата система двох різних типів мембран

Може використовуватись в умовах:

  • забруднення і зараження води при природних та техногенних катастрофах
  • бойових дій, або в зонах з утрудненою доставкою питної води.

Сорбційно–коагуляційний метод глибокої очистки «блочних» вод об’єкту «Укриття»

Розроблено оригінальний метод освітлення води шляхом використання коагулянтів на основі сполук титану і подальшої сорбційної очистки освітленого розчину від радіонуклідів шляхом його фільтрації через шар селективних до радіонуклідів неорганічних іонітів, що також були синтезовані в Інституті.

Загальне зниження активності складає:

за 137Cs – 4–7 порядків (повна очистка);

за 90Sr – 3–4 порядки (в межах вимог);

за 238, 239, 240Pu, 241Am, U(VI) –  3 порядки (повна очистка).

Склад «блочних» вод об’єкту «Укриття»:

Катіони: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe3+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Pb2+ та ін.;

Аніони: HCO3, CO32-, SO42-, HPO42-, Cl, B(OH)4 та ін.

Пилепоглинач – силоксан–акрилатна емульсія

Радіонукліди: 134,137Cs, 90Sr, 154Eu , 238, 239, 240Pu, U(VI), 241Am;

– концентрація радіонуклідів ~107–108 Бк/л;

– вміст радіонуклідів в колоїдах – 40–50%.

Вихідна радіоактивна вода об’єкту «Укриття» з емульсією пилепоглинача та вода після обробки коагулянтом.

Розробки відділу гетерогенного кислотно-основного каталізу

Керівник розробок: член-кореспондент НАН України, доктор хімічних наук, професор Брей Володимир Вікторович

телефон: + 38 (044) 452 93 28,
факс: + 38 (044) 452 93 27,
е-mail:ispe@ispe.kiev.ua

1. ВИРОБНИЦТВО ЕТИЛАЦЕТАТУ З ЕТАНОЛУ*

2Н5ОН = СН3СООС2Н5 + 2Н2

Як вихідна речовина використовується виключно етиловий спирт, при цьому з 1 тони переробленого етанолу виробляється 820 кг етилацетату і генерується 970 м3 водню, що знижує енергозатрати виробництва.

Розроблено каталізатор що забезпечує 43% конверсію етанолу з 84% селективністю за етилацетатом. 57% етанола повертається в рецикл.

Умови процесу:

1-й реактор 230-240 0С/4-6 бар

2-й реактор 160-180 0С/12-16 бар

Процес протестовано на дослідній установці та розроблено технологію на одержання етилацетату (50 000 тон/рік)

*Спільно з ТОВ Виробнича група «Техінсервіс»

2. ОДНОСТАДІЙНИЙ ПРОЦЕС ОДЕРЖАННЯ н-БУТАНОЛУ З БІОЕТАНОЛУ*

Бутанол – багатотоннажний базовий продукт хімічної промисловості (4 млн т/рік, щорічний приріст 3.5- 4%) з широким спектром використання.

Основний промисловий спосіб одержання бутанолу через оксо-синтез    базується на використанні  пропілену і синтез-газу:

С3Н6    + СО  + 2Н2 = С4Н9ОН

Альтернативою є одержання бутанолу з етанолу за реакцією Гербе:

 2С2Н5ОН = С4Н9ОН + Н2О

Розроблено селективний каталізатор синтезу н-бутанолу з біоетанолу.

Умови процесу: подача етанолу – 1.6 кг/кгкат/год,
температура 240С, тиск водню 0.5 МПа.
Вихід бутанолу по витраченому етанолу –
72% (89% від теоретичного).

Процес апробовано в дослідній установці з виділенням товарного 99% н-бутанолу

* Спільно з ТОВ Виробнича група «Техінсервіс»

3. ДВОСТАДІЙНИЙ ПРОЦЕС ОДЕРЖАННЯ ПРОПІЛЕНГЛІКОЛЮ З ГЛІЦЕРИНУ

Пропіленгліколь є багатотоннажним продуктом – світове виробництво ~ 1 млн т/рік.

Основним промисловим способом виробництва пропіленгліколю є гідратація (180-220oC / 1.5-2.5 МПа) оксиду пропілену, котрий одержують з пропілену.  В останнє десятиріччя значно зросло виробництво гліцерину, як побічного продукту  при одержанні біодизелю. Відомо ряд способів одержання пропіленгліколю через гідрування гліцерину. Однак, при цьому застосовують високий тиск до 200 атм та  великий надлишок водню.

Нами запропоновано схему одержання пропіленгліколю з гліцерину за  низького тиску до 20 атм та невеликого 3-8 кратного  надлишку водню. Схема базується на двох-стадійному механізмі реакції гідрування гліцерину до пропіленгліколю.

На першій стадії відбувається дегідратація гліцерину до гідроксиацетону

С3Н8О3 = С3Н6О2 + Н2О

На другій стадії відбувається гідрування утвореного гідроксиацетону до пропіленгліколю

С3Н6О2 + Н2 = С3Н8О2

Процес здійснюється за двох-реакторною схемою:

В  першому та другому реакторі застосовується один мідь-вмісний каталізатор.  Використання 30% розчину гліцерину в етанолі дозволяє на порядок подовжити термін роботи каталізатора. При цьому досягається 100% конверсія гліцерину та 90% селективність за пропіленгліколем. Продуктивність за пропіленгліколем становить 0.8 кг/кгкат/год.

4. ЦИРКОНІЙСИЛІКАТНИЙ КАТАЛІЗАТОР КРЕКІНГУ ВАКУУМНОГО ГАЗОЙЛЮ ЯК АЛЬТЕРНАТИВА ТРАДИЦІЙНИМ АЛЮМОСИЛІКАТАМ

Розроблено спосіб одержання каталізатора крекінгу з концентрату циркону ZrSiO4 з Малишевського родовища  (Україна) без домішок дефіцитних лантаноїдів.

Каталізатор протестовано в лабораторних умовах у порівнянні з промисловим алюмосилікатних каталізатором крекінгу Petromax -50P.

В експериментах застосовувався промисловий вакуумний газойль з температурою топлення 300С. Розгонку продуктів крекінгу та їх аналіз здійснено за методиками ASTM D 1160-03 та ASTM D 6729.

Цирконійсилікатний каталізатор забезпечує вищий на 6-8% вихід бензинової фракції порівняно з цеолітним каталізатором (Таблиця).

Крекінг вакуумного газойлю при 500oС та масовій швидкості подачі 4 год-1

Бензин, одержаний на ZrO2-SiO2 каталізаторі, містить більше і-алканів і менше ароматики  (ДОЧ =82), ніж Petromax-50P  бензин  (ДОЧ=79).

Висока активність цирконій силікатного каталізатора пов’язана з його більшою кислотністю (H0 ≥ -11.35; [BH]= 1.0 – 1.1 ммоль/г;  S ≤ 390 м2/г) у порівнянні з алюмосилікатами (H0 ≥ -8.2).

5. Спільно з ТОВ Виробнича група «Техінсервіс» випробовується новий НРРОа процес одержання пропілен оксиду з пропілену і пероксиду водню на пілотній установці (2000 тон/рік) на ТОВ «Карпатнафтохім».

Розробки відділу окислювальних гетерогенно-каталітичних процесів

Керівник розробок:
член-кореспондент НАН України, доктор хімічних наук, профессор

Зажигалов Валерій Олексійович

телефон: + 38 (044) 594 13 74,
факс: + 38 (044) 594 01 39,
е-mail:  ispe@ispe.kiev.ua

Розробки відділу екологічної хімії

Керівник розробок: член-кореспондент НАН України, доктор хімічних наук, профессор

Корнілович Борис Юрійович

телефон: + 38 (044) 594 13 76,
факс: + 38 (044) 594 01 39,
е-mail:  ispe@ispe.kiev.ua

Очищення підземних вод від сполук урану за допомогою проникнених реакційних бар’єрів. *

Розроблено експериментальну технологію очищення  підземних вод від сполук урану та важких металів за допомогою проникних реакційно-здатних бар’єрів (ПРБ)

Хвостосховище відходів уранового виробництва   м. Жовті Води

Відновна реакція урану відіграє  визначальне значення в геобіохімічній  поведінці урану в навколишньому   середовищі

Уран у поверхневих та підземних водах існує переважно у шестивалентному стані

Реакційні зони бар’єру 
l. дисперсне нуль-валентне залізо
ll. суміш нуль валентного заліза та біологічно активного матеріалу
lll. біологічно активне завантаження

Проникний реакційний бар‘єр – це заповнена хімічно активним матеріалом проникна стінка, що розміщується  на шляху підземних потоків

Концентрація урану в підземних водах, мг/дм3

Тип заванта-

 

ження

Fe0Fe0 та    біоло-

 

гічний матеріал

Без заванта-

 

ження

Біологічний матеріал
До бар’єру0,070,090,070,08
Після бар’єру0,030,040,070,06

ПРБ складається з ряду свердловин, що розміщуються на шляху підземних потоків і заповнені різним за природою реакційним матеріалом: неорганічним (порошок нуль валентного заліза), органічним (кісткова мука та сульфат редукуючі бактерії) та комбінованим завантаженням.

Дворічний моніторинг стану підземних вод в місці встановлення дослідного бар’єру свідчить про зменшення концентрацій урану практично вдвічі:
з 0,38 мг/дм3 до 0,15-0,07 мг/дм3.

РОЗРОБКИ ВІДДІЛУ ВУГЛЕЦЕВИХ АДСОРБЕНТІВ МЕДИЧНОГО ТА ЕКОЛОГІЧНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

Керівник розробок: доктор хімічних наук
Пузій Олександр Михайлович

телефон: + 38 (044) 452 93 28, 
факс: + 38 (044) 452 93 27,
е-mail:  ispe@ispe.kiev.ua

Активоване вугілля з поновлюваної сировини для вилучення йонів важких металів

Розроблено спосіб одержання фосфоровмісного активованого вугілля для вилучення йонів металів з водних розчинів. Для одержання активованого вугілля використовують поновлювану сировину, що є відходом сільського господарства – качани кукурудзи. Спосіб включає активування подрібнених качанів кукурудзи фосфатною кислотою при 400 °C. Активоване вугілля має розвинену мікро-мезопорувату структуру з питомою поверхнею 2070 м2/г та об’ємом мікропор 0,78 см3/г і мезопор 0,35 см3/г. Завдяки розробленому способу одержання активоване вугілля містить до 4,7% фосфору и вигляді фосфатних груп. Велика кількість поверхневих груп 1,8 ммоль/г забезпечує 90-100% вилучення йонів міді при рН > 3 з водного розчину при вмісті міді 64 мг/г.

Фосфоровмісне активоване вугілля має велику адсорбційну здатність до модельних речовин – метиленового блакитного та йоду.

 

Розроблене фосфоровмісне активоване вугілля може бути застосовано для навколишнього середовища, а саме: в процесах водопідготовки та очистки стічних вод.

РОЗРОБКИ ВІДДІЛУ НАНОСТРУКТУРНИХ ВУГЛЕЦЕВИХ МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ АККУМУЛЮВАННЯ ЕНЕРГІЇ

Керівник розробок:
доктор хімічних наук
Малєтін Юрій Андрійович

телефон: + 38 (044) 594 13 65, 
 факс: + 38 (044) 594 01 39, 
е-mail:  ispe@ispe.kiev.ua

Універсальні накопичувачі електроенергії (УНЕЕ) для широкого спектру застосувань

1. Суперконденсатори та суперконденсаторні модулі

У співдружності з компанією Юнаско-Україна розроблено технологію виготовлення одиничних елементів суперконденсаторів ємністю від 100 до 3000 Ф, а також модулів на їх основі. Ці пристрої пройшли випробування в незалежних лабораторіях США та Європи і продемонстрували вищі показники, ніж світові аналоги.

Переваги суперконденсаторів над акумуляторами:

  • висока питома потужність при високих значеннях ККД (відсутність охолодження, безпека використання);
  • практично необмежений строк служби – мільйон циклів заряд-розряд;
  • швидкий заряд – секунди (хвилини) в залежності від можливостей зарядного пристрою;
  • широких діапазон робочих температур – від -40 до +85 С (є можливість розширити).

Суперконденсатори знаходять застосування як імпульсні джерела живлення, що працюють в секундному діапазоні (різні пускові пристрої, запуск двигунів, системи старт-стоп рекуперації енергії при гальмуванні в гібридних автомобілях, для переносного електрозварювального обладнання та ін.), а також в комбінації з акумуляторами або паливними елементами для згладжування пікових навантажень.
Суперконденсатори стрімко впроваджуються в транспорті (електричному і гібридному), промисловій та побутовій робототехніці. Суперконденсатори є перспективним джерелом електроживлення або накопичення електроенергії у smart grid системах та зеленій енергетиці.

Модуль 48В 165Ф 13,5кг
90В 13Ф 5,6кг
16В 200Ф 3,1кг

2. Комбіновані джерела енергії

В комбінованому модулі суперконденсаторний блок з’єднується паралельно з акумулятором. В такій паралельній комбінації суперконденсаторний блок бере на себе основне навантаження і ефективно знімає пікові навантаження з акумуляторної батареї, і, таким чином, забезпечує більш тривалу і безпечну роботу.

16 В, 6 А.год, 2,2 кг

3 Нові високоефективні електродні матеріали

Розроблено й оптимізовано методи мікрохвильової обробки нанопоруватих вугільних порошків, що дозволяють вибірково і з низьким ступенем обгара розвивати порувату структуру вугільного порошку, зокрема, збільшувати частку пор діаметром 1-2 нм, які найкращим чином відповідають розмірам і рухливості іонів в органічних електролітах, що застосовуються в суперконденсаторах і гібридних системах. Розроблено також методи модифікації поверхні вугілля гетероатомами азоту за допомогою мікрохвильової обробки сухих сумішей вугільного матеріалу і меламіну. Синтезовані вугільні матеріали були випробувані в дослідних зразках суперконденсаторів ємністю 200 Ф, виготовлення яких було виконано на Дослідному виробництві ТОВ «Юнаско-Україна». Запропоновані методи дозволяють значно скоротити час обробки і енерговитрати, а також збільшити на 20% енергоємність і робочу напругу суперконденсаторів (з 2,7 В до 3,0 В) при використанні модифікованих електродних матеріалів.