Специалисты Сибирского федерального университета усовершенствовали технологию добычи нефти, которая позволяет извлекать больше углеводородов из нефтеносных пластов горных пород. Для увеличения притока нефти в скважину ученые предлагают применять силиказоль — суспензию с наночастицами кремния.
Ученые советуют использовать силиказоль дополнительно к воде, которую закачивают в нагнетательные скважины, чтобы вытеснить нефть из пласта в соседние добывающие. Раствор улучшает смачиваемость породы и помогает повысить интенсивность отдачи нефти. Эксперименты показали, что этом плане силиказоль в шесть раз эффективнее воды.
Раствор вводится в нефтеносный пласт после воды и помогает вытеснять большее количество нефти. Если с помощью воды достигается нефтеотдача около 7%, то благодаря силиказолю можно увеличить этот показатель до 40%.
— Максим Пряжников. Научный сотрудник лаборатории физико-химических технологий разработки трудноизвлекаемых запасов углеводородов СФУ.
Силиказоль прост в применении, не требует специального оборудования или технологий: концентрат разбавляется водой прямо на месторождении, после чего закачивается в пласт. Ученые считают, что применение их метода позволит добывать нефть, считающуюся неизвлекаемой.
Специалисты планируют провести полевые испытания, после чего раствор будет производиться на одном из российских химических предприятий.
Ученые Московского государственного университета вместе с коллегами из России, Китая и других зарубежных стран усовершенствовали технологию производства перовскитных солнечных элементов. Метод позволил увеличить площадь опытных образцов светочувствительных панелей в несколько раз — с 1,5 до 27 квадратных сантиметров, а также повысить их КПД и срок службы.
Оптимизировать производство солнечных элементов ученым позволила ионная жидкость. Она помогла процессу кристаллизации, который проводят электрохимическим путем, чтобы перовскиты смогли преобразовывать солнечный свет в электрическую энергию. Это сделало светочувствительную поверхность более однородной и стабильной.
Эксперт по возобновляемым источникам энергии, заведующий кафедрой Ульяновского государственного технического университета Дмитрий Степанов оценил новую технологию как перспективную.
Перовскит — это природный минерал титанат кальция. Он в начальном виде и в обработке дешевле, чем кремний, традиционно применяемый в солнечных панелях. Исследования показали, что КПД элементов на основе перовскитов составляет более 25% и пока не имеет верхнего предела. Реализация разработки позволит значительно снизить стоимость солнечных панелей и, следовательно, получаемой электроэнергии. Это будет способствовать распространению перовскитных батарей.
—Дмитрий Степанов. Заведующий кафедрой Ульяновского государственного технического университета.
При этом эксперт отметил, что до массового внедрения перовскитных батарей предстоит пройти несколько этапов, включая проектирование и создание промышленного оборудования для производства по новой технологии.
Ученые Сеченовского университета и Национального исследовательского технологического университета МИСиС разработали технологию по производству долговечных подшипников скольжения, которые не нужно смазывать.
Подшипники скольжения представляют собой опору для механизма, в которой трение происходит с помощью скольжения поверхностей. Обычно подшипник кольцевой, включает корпус и втулку, между которыми есть зазор для смазочного материала. В отличие от подшипников другого типа — качения — в этих нет вращающихся шариков и цилиндров. Деталь применяют в энергетике, машиностроении, автотранспорте и других областях.
Вместо смазочного материала можно использовать композитный материал на основе полимеров. На трущиеся поверхности металлического подшипника наносят покрытие из сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Это вещество имеет низкий коэффициент трения и высокую устойчивость к механическому износу. При этом чтобы прикрепить покрытие к металлу, применяют прессование при высоких температурах. При нагреве такое покрытие теряет часть своих качеств.
Чтобы сохранить свойства покрытия, специалисты предложили крепить его к металлической основе с помощью клеящего состава. Для лучшего сцепления материалов ученые обработали металл кислотами с добавлением микрочастиц целлюлозы.
Как отмечают разработчики технологии, производство подшипников с композитным составом позволит сократить расход смазочных материалов.
Ученые Института ядерной физики Сибирского отделения РАН разработали устройство для измерения плотности плазмы в термоядерном реакторе. Он сможет снимать показания дистанционно, поэтому ему не навредят десятки миллионов градусов тепла и сильные вибрации.
Прибор представляет собой интерферометр — оптическую схему, на которую «светят» лазерным излучателем. В традиционных конструкциях эта схема разделяет лазерный луч на два потока, один из которых огибает плазму в реакторе, а другой проходит сквозь нее. После этого лучи складываются, попадая в фотоприемник, преобразуются в электрический сигнал и поступают в фазометр — устройство, которое вычисляет необходимые параметры. Проблема, говорят авторы разработки, в том, что для разделения лучей используются оптические элементы — например, зеркала и отражатели, — чувствительные к вибрациям. Если зеркало сдвинется, проходящий через него луч отклонится, что приведет к ошибкам в итоговых показателях.
Решением проблемы стала разработка дисперсионного интерферометра. В новом приборе обе волны будут проходить сквозь плазму, но благодаря разной длине одна из них все так же останется неизменной. Основное преимущество такой схемы в том, что два луча идут по одному пути — и даже сильные вибрации не приведут к изменению показателей.
Прибор, способный точно регистрировать плотность и температуру плазмы, сделан. Следующая задача — управление параметрами плазмы. В фазометр мы заложили возможность загружать математически вычисленные значения плотности плазмы в конкретные моменты времени. В результате сравнения этих и реальных значений можно будет подавать в камеру больше или меньше газа, регулируя плотность плазмы.
— Светлана Иваненко. Старший научный сотрудник Института ядерной физики РАН.
Ученые химического факультета Московского государственного университета разработали слоистый полимер, способный экстремально увеличиваться при нагреве. В перспективе он может стать основой новых устройств для энергетики и электроники.
Чтобы получить новый полимер, ученые смешали пропионовую кислоту (C3H6O2) с карбонатом церия (Ce2(CO3)3). Обычно после этого полученный раствор полностью высушивают, а образовавшиеся кристаллы используют в качестве реагентов для производства других соединений. Однако авторы разработки дали раствору кристаллизоваться естественным путем. Процесс занял несколько месяцев.
В итоге получился полимер со слоистой структурой. Исследования показали, что материал обладает очень высоким коэффициентом теплового расширения. При низкой температуре (минус 173 градуса) слои плотно прижаты друг к другу, а при нагревании вещества до комнатной температуры его атомы начинают сильно колебаться и слои «отталкиваются» друг от друга.
Анализ полученных образцов показал, что их коэффициент теплового расширения составляет около 900 МК-1 — это значит, что линейный размер образца увеличивается на 900 миллионных долей (0,09%) при повышении температуры на один градус. Для большинства соединений этот показатель колеблется в районе нескольких десятков МК-1.
— Дмитрий Цымбаренко. Старший научный сотрудник лаборатории химического факультета МГУ.
При этом расширяется полимер только в одном направлении, а в перпендикулярном — сжимается, тоже с большим коэффициентом (до минус 430 МК-1). При охлаждении материала до минус 173 градусов он возвращается к первоначальному состоянию.
В перспективе, по словам специалистов, полимер может пригодиться в составе тепломеханических преобразователей — устройств, в которых тепловая энергия преобразуется в механическую работу, — а также в составе конденсаторов, емкость которых можно будет изменять с помощью температуры.
Работа выполнена на средства гранта Российского научного фонда (22-73-10089).
Мы живем в век полимеров: пьем из пластиковых бутылок, складываем продукты в полиэтиленовые пакеты, ездим на автомобилях с резиновыми покрышками и носим костюмы из акрила — одного из первых и самых популярных полимеров. На что был похож этот материал и почему его путь от «изобретения» до успешного применения занял почти 80 лет?
Продукт энергетики
Полимеры — это соединения с длинными молекулами, состоящие из «кирпичиков» — мономеров. У акрилов в роли «кирпичиков» выступают акриловая и метакриловая кислоты — бесцветные жидкости с резким запахом. Акриловую кислоту чаще получают окислением пропилена — побочного продукта нефтепереработки, который образуется при крекинге.
Метакриловую кислоту обычно получают окислением углеводорода изобутилена (в промышленных масштабах его несложно выделить из побочных продуктов производства бензина) до полимера метакролеина, а затем окисляют и его. Существует альтернативный способ — сернокислое окисление органического вещества ацетонциангидрина. Его получают из ацетона, который, в свою очередь, можно произвести из пропилена или бензола — обычных продуктов нефтепереработки.
Остается лишь соединить «кирпичики» в единое целое — полимеризовать. Обе кислоты легко образуют цепочки полимеров. Также полимеризуются многие производные этих кислот — например, метилметакрилат, служащий основой для производства оргстекла, или акриламид, полимер которого добавляют в качестве стабилизатора в буровые жидкости.
Путь к славе
Акриловая и метакриловая кислоты были получены в XIX веке, а в 1877–1880 годах химик Вильгельм Рудольф Фиттиг открыл процесс полимеризации метакриловой кислоты. Однако коммерческая слава пришла к акрилу не сразу: поначалу ученым удавалось синтезировать лишь вязкие студенистые материалы, похожие на очень густой кисель. Где их можно было применить, никто не знал.
Лишь 1901 году химик Отто Рем опубликовал докторскую диссертацию о разнообразии продуктов полимеризации акриловой кислоты. Изучая полимеризацию эфиров метакриловой кислоты, Рем создал бесцветный прозрачный материал с характеристиками «между прочным гибким стеклом и жесткой резиной» — прототип оргстекла. Вдохновленный успехами, Рем объединился с банкиром Отто Хаасом, чтобы в 1907 году основать в Германии химическую компанию Röhm&Haas.
Производство шнека из оргстекла на предприятии Röhm&Haas в 1958 году. Фото Röhm&Haas / Института истории науки / sciencehistory.org
Действуя как предприниматель, а не как химик, Рем стремился к созданию материалов, востребованных на рынке. Это приводило к серьезным ошибкам. Например, в 1912 году фирма получила патент на «способ изготовления продукта со свойствами вулканизированной резины», однако идея провалилась: в отличие от каучука, акриловые полимеры не вулканизировались серой из-за своего химического строения. Похоже, негативный опыт пошел впрок: Рем начал привлекать к работе других химиков. Благодаря их исследованиям были разработаны новые способы получения «кирпичиков» акриловых полимеров.
Дальнейшее развитие акриловых полимеров затормозилось на долгие годы: сказывались желание компании сохранить свои разработки в секрете и непростая экономическая ситуация в Германии 1920-х годов. Тем не менее, к 1930-м на рынке появились гибкие акриловые полимеры, которые стали использовать для электроизоляции, и твердые вещества, которые можно было применять как ударопрочную и легкую замену стеклу. В 1940–1950-х акриловые полимеры добрались и до текстильной промышленности — появились акриловые волокна.
От гардероба до химической лаборатории
Сегодня акриловые полимеры встречаются повсюду: оргстекло можно обнаружить в химической лаборатории (из него делают линзы микроскопов, колбы, подставки, пробирки) и на заводе по производству автостекол (стекла в автомобиле — тоже органические). Из акриловых полимеров делают шумозащитные экраны для оживленных магистралей и торговые павильоны. Даже рекламные вывески и светящиеся таблички «Выход» в общественных пространствах не обходятся без этого материала — легкого, прочного, долговечного.
Из акрилового волокна, которое называют искусственной шерстью, изготавливают одежду: нарядные костюмы, уютные свитеры, теплые шарфы. Акриловой тканью обиты сиденья в автобусах и домашняя мягкая мебель. Подходит она и для изготовления детских игрушек, спецодежды, защитных чехлов — свойства ткани зависят от соотношения компонентов в составе и строения волокон. Так, если «разбавить» акрилом кашемир, одежда будет лучше держать форму и станет менее прихотливой в уходе. Если же в акрил добавить немного хлопка, ткань будет лучше впитывать влагу.
Стекла автомобилей содержат акриловые полимеры
Акриловые краски появились в 1930-х, но известность завоевали к концу 1940-х — среди промышленников и художников. Яркие и быстросохнущие, в отличие от традиционных масляных, акриловые краски не боятся влаги, солнечных лучей, трещин и держатся практически на любой поверхности. В зависимости от добавок краски могут быть плотными и вязкими, как гуашь, или текучими, как акварель, переливаться на свету радугой или флуоресцировать под ультрафиолетовой лампой.
Во многих квартирах стоят акриловые ванны. Их делают из термопластов — термопластичных акриловых полимеров, которые при нагревании расплавляются до мягкого или жидкого состояния, а затем застывают, приобретая первоначальные свойства. Акриловые лаки, клеи, герметики, грунтовки и шпатлевки отличаются от аналогов стойкостью к механическим повреждениям и выцветанию и отсутствием неприятного запаха при нанесении.
Материалы из акрила ценят за долговечность и легкость, а благодаря нефтехимической промышленности — главному источнику сырья для производства акрила — такие полимеры еще и сравнительно дешевы, так что найти их можно и в геле для ногтей, и в искусственном камне для ландшафтного дизайна, и даже в медицинских протезах.
Студентка Аэрокосмического института Московского авиационного института Анна Екимовская разработала новый тип емкостей для морской перевозки сжиженного природного газа (СПГ). Они спроектированы так, чтобы предотвращать потери СПГ, который при температурах выше минус 158 градусов закипает и испаряется.
По словам Анны, ее целью было придумать емкость для СПГ, которая при максимальном объеме обладает минимальной площадью поверхности. Ведь чем меньше площадь, тем меньше шансов, что груз нагреется от окружающего воздуха, и меньше энергии уйдет на работу бортовой системы охлаждения.
Схематичная модель трех емкостей для СПГ. Фото Московского авиационного института
Решением стала форма емкости, похожая на круглый аквариум, — сфера с усеченным «дном». Как показали расчеты, если составить сразу несколько таких сфер вместе (вся конструкция при этом будет напоминать гусеницу), можно сохранить внутренний объем и получить минимальную площадь поверхности. Экономит такой подход и материал для строительства емкости.
Согласно расчетам, при использовании емкостей, составленных из сферических сегментов, можно снизить потери СПГ при транспортировке на 7–38%. Если мы, к примеру, примем объем перевозимого газа за 150 тысяч кубических метров — таким обладает танкер «Гранд Елена», построенный по проекту «Сахалин», — то экономия составит от тысячи до более чем пяти тысяч кубометров газа за один рейс.
— Анна Екимовская. Студентка Московского авиационного института.
Проект находится на стадии разработки. Интерес к нему уже проявили крупные добывающие компании.
Специалисты Кольского научного центра и Института общей и неорганической химии РАН нашли способ в тысячу раз ускорить синтез титаносиликатных сорбентов, которые можно использовать для обезвреживания жидких радиоактивных отходов. Для этого они предложили обрабатывать компоненты в лабораторных микроволновках.
Как рассказали «Энергии+» авторы разработки, для получения сорбента применяется специальная смесь с натрием, кремнием и титаном. В нее добавляют воду, чтобы получить однородный раствор или гель, а после отправляют на 5–25 минут в лабораторную микроволновую печь, где разогревают до 180–210 градусов. Полученный материал охлаждают и промывают, очищая от непрореагировавших частиц раствора. За счет перепада температур компоненты смеси реагируют друг с другом и формируют кристаллическую структуру, способную надежно «запирать» в себе радиоактивные изотопы цезия и стронция.
Предложенный нами метод позволяет ускорить синтез сорбентов примерно в тысячу раз, от 1–4 суток до 5–25 минут, по сравнению с традиционной используемой технологией гидротермального синтеза, при котором процесс проходит в водных растворах при температуре более 100 градусов и давлении больше одной атмосферы
— Галина Калашникова. Заведующая лабораторией синтеза и исследования минералоподобных функциональных материалов Центра наноматериаловедения КНЦ РАН.
Технология проходит лабораторные испытания. Авторы работают над ее совершенствованием.
