Новейшие технологии водоснабжения и водоотведения

Министерство образования  и науки Российской Федерации

 

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

кафедра инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения

 

 

                                                                Допускаю к защите ______________

                                                                Руководитель        Поспелова  М.Я.

 

 

 

Новейшие технологии водоснабжения  и водоотведения

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

к курсовому проекту по дисциплине:

Основы научных исследований

 

 

1.006.00.00.  ПЗ

^{обозначение документа}

 

 

 

 

Выполнил студент группы  ВВб-11-1         ____________  К.О. Мельникова

                                                              ^{подпись}                            

Нормоконтроль                                             ____________    М.Я. Поспелова

                                                                  ^{подпись}                         

 

Курсовой проект защищен  с оценкой ___________________________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Иркутск 2013г.

Министерство образования  и науки Российской Федерации

 

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

1.Задание

НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ (КУРСОВУЮ РАБОТУ)

 

По курсу __ Основы научных исследований___________________________

Студенту  Мельниковой К.О.

^{(фамилия,  инициалы)}

Тема проекта: _ Новейшие технологии водоснабжения и водоотведения

 

Задание: по представленным литературным и интернет источникам сделать анализ новых достижений, инновационных материалов и технологий  в процессах фильтрации воды, работы санитарной техники, и системах водоснабжения и водоотведения. Рассмотреть конкретные темы: Оптические свойства, сравнительный анализ фуллеренов.

 

 

 

Рекомендуемая литература

 

1. В. В. Дикий, Г. Я. Кабо, Успехи химии, том 69, 107 (2000). Выпуск 2,   2000 г.
2. Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук. Козлов А.В. «Термодинамика растворения фуллерена С60 в бинарных смесях на основе четыреххлористого углерода, толуола, 1,2-дихлорбензола и тетралина». Иваново 2008 г.
3. http://www.chemistry.ssu.samara.ru/chem1/fullerene.htm
4. http://www.xenoid.ru/materials/materials_chem/history/vida.php

 

 

 

Пояснительная записка на   34 листах.

Дата выдачи задания “__14___” _________февраля______________2013  г.

Дата представления проекта  руководителю “_17__” __мая_____2013  г.

Руководитель курсового  проектирования (курсовой работы) Поспелова М.Я.

 

Содержание:

 Предисловие                                  

1. История открытия фуллеренов

2. Структурные свойства фуллеренов

3. Синтез фуллеренов

4. Физические свойства и прикладное значение фуллеренов

4.1 Фуллериты

4.2 Нелинейные оптические  свойства фуллеренов

4.3 Фуллерен в качестве  материала для полупроводниковой  техники

4.4 Фуллерен как фоторезист

4.5 Фуллереновые добавки  для роста алмазных пленок  методом CVD

4.6 Сверхпроводящие соединения  с С60

4.7 Другие области применения  фуллеренов

5. Эндоэдрические фуллерены

6 . Шунгитная вода( история шунгита)

7 . Химические свойства шунгита

8. Структуру шунгита

 9. Физические свойства шунгита

10. Эффективность шунгитовых фильтров

11. Использование воды, настоянной на шунгите

12. Применение шунгита

13. Список используемой литературы

 

 

Предисловие

Никому не хочется стареть. Несмотря на идущие годы, нам хочется  сохранять молодой внешний вид  и настоящую активность, не знать  усталости и не терять ясность  ума. К сожалению, современный мир  не способствует такому оптимистичному прогнозу. Бесконечные стрессы, загрязнение  воздуха, плохая вода, сладкие газированные напитки и некачественная пища неумолимо заставляют наш организм стареть гораздо быстрее, чем ему положено. Но человек очень сложный и умный «механизм», в нем заложена способность к самовосстановлению. Беда в том, что для самовосстановления он должен избегать обезвоживания и как можно быстрее избавляться от свободных радикалов, атакующих здоровые клетки организма и приводящие их в негодность. О пользе достаточного количества правильной, чистой воды, выпиваемой ежедневно, мы говорили не раз. Можно повторить еще, необходимо выпивать не менее 1,5-2,0 литров в день. Это помогает нашему организму держать в норме наш кислотно-щелочной баланс, избавляться от закисления организма, функционировать органам и системам в должном режиме. Но что делать со свободными радикалами? Раньше нам хватало всем известных антиоксидантов-витаминов и микроэлементов, которые успешно, в той или иной степени, справлялись со своей задачей. Теперь этого уже не достаточно. Многие болезни, такие как сердечно-сосудистые, онкологические, диабет и еще многие другие, стали гораздо «моложе». Человечество стремительно стареет, молодые люди стали болеть болезнями стариков. Не говоря о таких болезнях как хроническая депрессия, понижение иммунитета, аллергии. Страшно даже представить, но даже у новорожденных детей появилась аллергия на материнское молоко. Это страшно.

 

Направленное воздействие  воды с фуллеренами на борьбу со свободными радикалами продлевает вашу молодость. Увеличение количества свободных  радикалов в организме человека в последнее время, провоцирует  так называемый оксидативный стресс, что в свою очередь вызывает усиленное старение организма. В большинстве случаев, такие антиоксиданты как витамины уже не могут справиться с таким количеством агрессивных оксидантов и требуется более радикальное средство-фуллерен. Именно фуллерены нейтрализуют разрушительное действие свободных радикалов, сохраняя клетки нашего организма целостными, давая возможность органам работать без сбоев и предупреждая болезни. При этом фуллерен не одноразовый антиоксидант, как витамин, он задерживается в организме 1-2 месяца, продолжая свою работу. Начинайте пить настоящую воду и вы поможете своему здоровью. А, значит, старость еще долго не наступит, и вы длительное время будете молоды и активны. Годы этому не помеха.

Основная статья: Углерод

Фуллерен С₆₀

Фуллере́ны — молекулярные соединения, одна из аллотропных модификаций углерода и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из четного числа трехкоординированных атомов углерода.

Своим названием эти соединения обязаны инженеру и дизайнеру Р. БакминстеруФуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Первоначально данный класс соединений был ограничен лишь структурами, включающими только пяти- и шестиугольные грани. Заметим, что для существования такого замкнутого многогранника, построенного из n вершин, образующих только пяти- и шестиугольные грани, согласно теореме Эйлера для многогранников, необходимым условием является наличие ровно 12 пятиугольных граней и n/2−10 шестиугольных граней.

История открытия фуллеренов

В 1985 году группа исследователей – Роберт Керл, ХаролдКрото, Ричард Смолли, Хит и О’Брайен – исследовали масс-спектры паров графита, полученных при лазерном облучении (абляции) твердого образца, и обнаружили пики, соответствующие 720 и 840 атомным единицам массы^[1]. Они предположили, что данные пики отвечают молекулам С₆₀ и С₇₀ и выдвинули гипотезу, что молекула С₆₀ имеет форму усеченного икосаэдра симметрии I_h , а С₇₀ - более вытянутую эллипсоидальную форму симметрии D_5h. Полиэдрические кластеры углерода получили название фуллеренов, а наиболее распространенная молекула С₆₀ - бакминстерфуллерена, по имени американского архитектора БакминстераФуллера, применявшего для постройки куполов своих зданий пяти- и шестиугольники, являющиеся основными структурными элементами молекулярных каркасов всех фуллеренов.

Следует отметить, что открытие фуллеренов имеет свою предысторию:

возможность их существования  была предсказана еще в 1971 году в Японии^[2] и теоретически обоснована в 1973 году в России^[3]. За открытие фуллеренов Крото, Смолли и Керлу в 1996 году была присуждена Нобелевская премия по химии. В 1992 фуллерены якобы обнаружили в породах докембрийского периода, однако впоследствии эта информация не подтвердилась и единственным способом получения фуллеренов в настоящий момент (Апрель 2007) является их искусственный синтез.

В течение ряда лет эти  соединения интенсивно изучали в  лабораториях разных стран, пытаясь  установить условия их образования, структуру, свойства и возможные сферы применения. Установлено, в частности, что фуллерены в значительном количестве содержатся в саже, образующейся в дуговом разряде на графитовых электродах — их раньше просто не замечали.

Структурные свойства фуллеренов

В молекулах фуллеренов атомы  углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, изкоторые составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов — [60]фуллерен (C₆₀), в котором углеродные атомы образуют многогранник, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч. Так как каждый атом углерода фуллерена С₆₀ принадлежит одновременно двум шести- и одному пятиугольнику, то все атомы в С₆₀ эквивалентны, что подтверждается спектром ядерного магнитного резонанса (ЯМР) изотопа С₁₃ - он содержит всего одну линию. Однако не все связи С-С имеют одинаковую длину. Связь С=С, являющаяся общей стороной для двух шестиугольников, составляет 1.39 А, а связь С-С, общая для шести- и пятиугольника, длиннее и равна 1.44 А ^[4]. Кроме того, связь первого типа двойная, а второго - одинарная, что существенно для химии фуллерена С₆₀.

Следующим по распространенности является фуллерен C₇₀, отличающийся от фуллерена C₆₀ вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C₆₀, в результате чего молекула C₇₀ оказывается вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби.

Так называемые высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно  меньших количествах и часто  имеют довольно сложный изомерный  состав. Среди наиболее изученных  высших фуллеренов можно выделить C_n, n=74, 76, 78, 80, 82 и 84.

Синтез фуллеренов

Первые фуллерены выделяли из конденсированных паров графита, получаемых при лазерном облучением твердых графитовых образцов. Фактически, это были следы вещества. Следующий важный шаг был сделан в 1990 году В. Кретчмером, Лэмбом, Д. Хаффманом и др., разработавшими метод получения граммовых количеств фуллеренов путем сжигания графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях.^[5]. В процессе эрозии анода на стенках камеры оседала сажа, содержащая некоторое количество фуллеренов. Довольно скоро удалось подобрать оптимальные параметры испарения электродов (давление, состав атмосферы, ток, диаметр электродов), при которых достигается наибольший выход фуллеренов, составляющий в среднем 3-5% материала анода, что, в конечном счете, определяет высокую стоимость фуллеренов.

На первых порах все  попытки экспериментаторов найти  более дешевые и производительные способы получения граммовых  количеств фуллеренов (сжигание углеводородов в пламени^[6], химический синтез^[7] и др.) к успеху не привели и метод «дуги» долгое время оставался наиболее продуктивным (производительность около 1 г/час)^[8]. Впоследствии, фирме Мицубиси удалось наладить промышленное производство фуллеренов методом сжигания углеводородов, но такие фуллерены содержат кислород и поэтому дуговой метод по-прежнему остается единственным подходящим методом получения чистых фуллеренов.

Механизм образования  фуллеренов в дуге до сих пор остается неясным, поскольку процессы, идущие в области горения дуги, термодинамически неустойчивы, что сильно усложняет их теоретическое рассмотрение. Неопровержимо удалось установить только то, что фуллерен собирается из отдельных атомов углерода (или фрагментов С₂). Для доказательства в качестве анодного электрода использовался графит С₁₃ высокой степени очистки, другой электрод был из обычного графита С₁₂. После экстракции фуллеренов, было показано методом ЯМР, что атомы С₁₂ и С₁₃ расположены на поверхности фуллерена хаотично. Это указывает на распад материала графита до отдельных атомов или фрагментов атомного уровня и их последующую сборку в молекулу фуллерена. Данное обстоятельство заставило отказаться от наглядной картины образования фуллеренов в результате сворачивания атомных графитовых слоев в замкнутые сферы.

Сравнительно быстрое  увеличение общего количества установок  для получения фуллеренов и постоянная работа по улучшению методов их очистки  привели к существенному снижению стоимости С₆₀ за последние 17 лет — с 10000$ до 10-15$ за грамм^[9], что подвело к рубежу их реального промышленного использования.

К сожалению, несмотря на оптимизацию метода Хаффмана — Кретчмера (ХК), повысить выход фуллеренов более 10-20% от общей массы сожженного графита не удается. Если учесть относительно высокую стоимость начального продукта — графита, становится ясно, что этот метод имеет принципиальные ограничения. Многие исследователи полагают, что снизить стоимость фуллеренов, получаемых методом ХК, ниже нескольких долларов за грамм не удастся. Поэтому усилия ряда исследовательских групп направлены на поиск альтернативных методов получения фуллеренов []. Наибольших успехов в этой области достигла фирма Мицубиси, которая, как уже говорилось выше, удалось наладить промышленный выпуск фуллеренов методом сжигания углеводородов в пламени. Стоимость таких фуллеренов составляет около 5$/грамм (2005 год).

Необходимо отметить, что  высокую стоимость фуллеренов определяет не только их низкий выход при сжигании графита, но и сложность выделения, очистки и разделения фуллеренов различных масс из углеродной сажи []. Обычный подход состоит в следующем: сажу, полученную при сжигании графита, смешивают с толуолом или другим органическим растворителем (способным эффективно растворять фуллерены), затем смесь фильтруют или отгоняют на центрифуге, а оставшийся раствор выпаривают. После удаления растворителя остается темный мелкокристаллический осадок — смесь фуллеренов, называемый обычно фуллеритом. В состав фуллерита входят различные кристаллические образования: мелкие кристаллы из молекул С₆₀ и С₇₀ и кристаллы С₆₀/С₇₀, являющиеся твердыми растворами. Кроме того, в фуллерите всегда содержится небольшое количество высших фуллеренов (до 3%). Разделение смеси фуллеренов на индивидуальные молекулярные фракции производят с помощью жидкостной хроматографии на колонках и жидкостной хроматографии высокого давления (ЖХВД). Последняя используется главным образом для анализа чистоты выделенных фуллеренов, так как аналитическая чувствительность метода ЖХВД очень высока (до 0.0001 %). Наконец, последний этап — удаление остатков растворителя из твердого образца фуллерена. Оно осуществляется путем выдерживания образца при температуре 150—250 ^oС в условиях динамического вакуума (около 0.1 торр).