Специалисты Передовой инженерной школы СПбГУ под руководством Вячеслава Самонина добились важного прорыва в области материаловедения — им удалось впервые спроектировать уникальное сорбционное изделие, созданное с помощью 3D-печати. Новая разработка открывает широкие перспективы для повышения эффективности современных промышленных процессов. Применение аддитивных технологий позволяет точно настраивать структуру и рабочие характеристики продукта, что обеспечивает значительно лучшие эксплуатационные качества в сравнении с традиционными аналогами.
Технологический прорыв в создании сорбентов
Использование трёхмерной печати дало возможность создавать сорбенты с заданной микроструктурой — специалистам удалось избежать слабых мест, характерных для устаревших методов производства. Новый сорбент отличается повышенной механической стойкостью, ускоренным процессом насыщения и пониженным гидравлическим сопротивлением. Это особенно ценно для нефтехимической, химической, электронной и других высокотехнологичных отраслей, где надежность и безопасность играют ключевую роль.
По мнению экспертов Передовой инженерной школы СПбГУ, внедрение разработанных ими технологий приведёт к значительному снижению издержек и улучшению экологических показателей промышленных процессов. Новые изделия способны эффективно работать в агрессивных средах, выдерживать высокие давления и температуры без потери своих сорбционных свойств. Специалисты отмечают, что гибкость проектирования позволяет создавать решения под индивидуальные задачи предприятий, а дополнительная обработка поверхности даёт ещё более высокие показатели очистки.
Перспективы развития и внедрения
Разработка вызвала большой интерес у представителей крупных компаний, занятых в сфере очистки воды, воздуха и промышленных выбросов. Инженерная школа активно работает над расширением ассортимента материалов и форм изделий с целью оптимизации их под самые разные отрасли промышленности. У истоков создания 3D-сорбентов стояли молодые исследователи и опытные эксперты СПбГУ, благодаря чему проект сразу получил сильную научную и практическую базу. Сегодня Передовая инженерная школа СПбГУ рассматривает возможности масштабирования производства и внедрения итоговой продукции на ведущих промышленных предприятиях страны.
По словам Вячеслава Самонина, успешная реализация этого инновационного направления стала возможной благодаря тесному взаимодействию между учёными, инженерами и студентами. Такой синтез классических знаний и новых технологий позволил вывести российскую науку и производство на качественно новый уровень. В обозримом будущем передовые аддитивные сорбенты от СПбГУ будут способствовать модернизации и экологизации важнейших отраслей промышленности России, делая производство безопаснее, а окружающую среду — чище.
Сорбционно активные материалы обладают способностью интенсивно улавливать и концентрировать различные химические соединения. Благодаря этим свойствам их широко применяют для очистки самых разнообразных сред: воды, воздуха и газов, сырья и продуктов во многих областях промышленности. К числу востребованных сфер относятся химическая, нефтеперерабатывающая, энергетическая, радиоэлектроника, фармакология, медицина, пищевая промышленность, строительство, водоподготовка и многие бытовые направления. Особенно популярны материалы под названием адсорбенты — они способны захватывать молекулы других веществ практически всей площадью своей поверхности, которая иногда превышает 2000 квадратных метров на один грамм вещества. Эффективность применения адсорбентов непосредственно зависит от множества параметров, например, размеров и общего объема пор, распределения пор по размерам, химического состава и свойств внешней поверхности.
Значение адсорбентов в индустрии
В промышленных процессах сорбционно активные материалы являются необходимой частью технологического цикла и служат для поддержания стабильной работы оборудования. Они гарантируют требуемое качество очистки как газовых, так и жидких потоков, часто задавая оптимальные параметры влажности, что особенно важно для ряда производственных задач. На крупных предприятиях такие материалы обычно используют в форме гранулированных или дробленых частиц — так называемой насыпной шихты. Сквозь слой сорбента проходят очищаемые среды, которые при контакте с активной поверхностью материала теряют нежелательные примеси и загрязнители. Очистное оборудование, выполненное в виде специализированных аппаратов — адсорберов, обеспечивает эффективное разделение сложных смесей за счет избирательного связывания отдельных компонентов.
Особенности применения и надежность
Насыпная шихта в промышленных условиях вынуждена работать под влиянием множества нагрузок: это и постоянное трение, и вибрационные колебания, и даже регулярные перепады температур и давления. Все эти факторы со временем разрушают гранулы, что прямо сказывается на качестве очищаемых потоков, а сама очистная система может выйти из строя. Для преодоления этих сложностей ученые уделяют особое внимание созданию инновационных блочных углеродных адсорбентов. Использование современных инженерных решений открывает новые горизонты: с помощью аддитивных методов — то есть послойного формирования материала — удается создавать изделия удивительной прочности, с тщательно контролируемой структурой и заданными рабочими характеристиками. Особенно перспективными признаны блоки с сотовидной структурой — их отличие от традиционных материалов преимущественно в низких гидравлических потерях и меньших препятствиях для диффузии, а значит, эффективность сорбции возрастает, особенно при динамической работе оборудования.
Передовые технологии производства
Специалисты инженерных школ России активно внедряют инновационные подходы. Ярким примером является опыт Передовой инженерной школы, представители которой впервые изготовили сорбционное изделие с применением 3D-печати. Для решения этой технологической задачи ученые опробовали три метода: печать пастами (DIW), фотополимеризацию (SLA) и селективное лазерное спекание (SLS). Первые два способа эффективны для создания пористых углеродных форм, однако ограничены по стоимости используемых исходных материалов. В настоящее время акцент в исследованиях делают на селективном лазерном спекании, позволяющем применять привычные и доступные порошковые материалы. Это заметно удешевляет процесс, а готовые блоки обладают необходимыми эксплуатационными свойствами.
Оптимизация состава и структуры материала
Для селективного лазерного спекания ученые тщательно отбирали состав порошка, чтобы добиться максимального выхода углерода при последующей высокотемпературной обработке, высокой плотности готового изделия и минимальной усадки после печати. В итоге была создана уникальная смесь: в качестве основного компонента выбран антрацит — каменный уголь, обладающий высокой степенью метаморфизма. Он характеризуется выдающимися возможностями к изменениям под влиянием температур и давления. В сочетание с этим минеральным компонентом добавлялись термореактивные смолы из семейства фенолформальдегидных соединений. Они отличаются способностью твердеть при воздействии тепла и азотных соединений, обеспечивая прочность структуры. Наилучшие результаты показала комбинация с содержанием антрацита в пропорции 60 процентов и смол — 40 процентов. Именно такие параметры обеспечивают отличную прочность созданных блоков и стабильность геометрии при сложной трехмерной печати.
Будущее сорбционных технологий
Изготовление блоков на SLS-принтере дает возможность воплощать изделия с самой замысловатой геометрией, что открывает широкие возможности для индивидуального конструирования очистных установок. В планах исследователей провести дальнейшую оптимизацию гранулометрического состава, использовать дополнительные модификаторы для улучшения эксплуатационных характеристик, внедрять новые виды термореактивных связующих. Открывается простор для экспериментов с формой: помимо традиционной сотовидной конструкции ученые исследуют решетчатые структуры, гироиды и другие инновационные формы, чтобы определить, как изменяются рабочие характеристики сорбентов в зависимости от их геометрии.
3D-печать действительно становится передовым этапом развития сорбционных систем. Она позволяет разрабатывать более компактные, надежные и эффективные установки, которые смогут стать превосходной альтернативой существующим методам промышленной очистки как газовых, так и жидких потоков. Новые технологические решения придают уверенности в том, что в ближайшем будущем промышленность сможет обеспечивать еще более высокий уровень экологической безопасности, технологичности и эффективности работы.
Информация предоставлена пресс-службой СПбГУ
Источник фото: ru.123rf.com
Уникальная разработка ученых СПбГУ
Исследовательская команда Санкт-Петербургского государственного университета впервые создала инновационный материал для очистки воды, изготовленный с помощью технологий 3D-печати. Это новое сорбционное изделие демонстрирует высокую эффективность в очищении от разнообразных загрязнений, а также превосходную прочность и долговечность. Научная группа уверена, что их изобретение откроет перед экологическими и промышленными отраслями множество новых возможностей, позволяя более эффективно справляться с загрязнениями окружающей среды.
Преимущества и перспективы применения
Разработанный материал для очистки воды отличается способностью задерживать вредные вещества, такие как тяжелые металлы и органика. Высокая скорость производства изделия с помощью современных технологий открывает перспективы для быстрого внедрения в различных отраслях. Разработчики отмечают, что новый материал можно легко адаптировать для нужд промышленности, сельского хозяйства и даже медицинских учреждений. Компактные размеры и легкость конструкции позволяют использовать изделие в самых разных местах, обеспечивая безопасность и высокое качество воды. Исследователи СПбГУ планируют продолжить работу, чтобы расширить спектр применения и повысить эффективность сорбционных материалов, сделанных по уникальным технологиям 3D-печати.
Источник: scientificrussia.ru
