УДК 621.387
ЖАКЕНОВА И.М., ЗДОРОВЕЦ М.В.
Евразийский национальный университет им. Л. Н. Гумилева, Астана, Казахстан ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ В РАЗРАБОТКЕ
МЕМБРАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Развитие систем мембранных технологий и биотехнологий тесно связано с компьютерно- информационными технологиями.
Сегодня одной из актуальных проблем в области экологии является очистка питьевой воды и воздуха от бактерий, вирусов и паразитов. Одним из наиболее нужных напрвлений является применение трековых мембран в процессах тонкой очистки воздуха и в качестве респираторов.
В настоящее время в нашей республике в этой области работает немало предприятий, а именно в Институте Ядерной физики Национального Ядерного центра Республики Казахстан города Астаны проводятся испытания по облучению и травлению пленки полиэтилентерефталат, в дальнейшем используемой как фильтрационные средства. Институт входит в число 18 государств- членов объединенного института ядерных исследований г.Дубна.
Пленку Полиэтилентерефталат (ПЭТФ-пленка) можно применять при проведении санитарно-паразитологического анализа питьевой воды, вод открытых водоемов, плавательных бассейнов, при очистке, концентрировании и стерилизации лекарственных препаратов, в системах типа "чистая комната", в процессах фильтрации воздуха, подаваемого в оборудование, очищают сточные воды и отходящие газы. В пищевой промышленности с помощью мембран концентрируют фруктовые и овощные соки, молоко и молокопродукты.
Главная функциональная особенность мембран – высокая селективность фильтрации, что обеспечивает высокое качество фильтрата. Гарантия высокого качества фильтрации обеспечивается преимуществом структуры трековых мембран: гладкая поверхность. В отличие от фильтровальных аппаратов, основанных на стеклобумаге, в которых захват частиц происходит преимущественно за счет механизмов касания (частицы размером 0,3-1 мкм) и диффузии (частицы размером менее 0,3 мкм). В трековых мембранах захват частиц происходит за счет одного ситового эффекта (частный случай эффекта касания). Ситовым называют эффект, который происходит когда размер частиц больше размера пор. Область применения трековых мембран определяется функциональной способностью гарантированно задерживать на поверхности частицы с размерами, превышающими значение номинального диаметра пор мембраны. Трековые мембраны характеризуются исключительно малой дисперсией пор по размерам (5 - 10 %), обладают высокой селективностью и производительностью, имеют низкую адсорбционную способность по отношению к вирусам, клеткам, биополимерам. Использование трековых мембран для очистки воды и воздуха является одним из наиболее перспективных направлений обеспечения экологической безопасности населения.
17 июня 2009 года Астанинским филиалом Института Ядерной Физики проведены работы по облучению ПЭТФ-пленки толщиной 19,41 мкм. Были облучены 3 пленки длиной по 200 метров, с различными режимами работы изохронного циклотрона DC-60 обеспечивающими заданные плотности трековых пор. После облучения с каждой пленки были изъяты образцы облученной пленки для контроля соответствия параметров облучения заданным параметрам.
Целью работ ставилось облучение 3-х образцов, длиной по 200 метров ПЭТФ-пленки толщиной 19,41 мкм и с плотностью трековых пор:
1) 2,0 х 108 cм--2 2) 3,60 х 107 cм-2 3) 1,40 х 107 cм-2
Для обеспечения неполной засветки по ширине пленки были изготовлены маски для камеры облучения, ограничивающие область облучения.
Для выполнения работ был выбран ион Kr+14 с энергией 1,75 Мэв/нукл , и ПЭТФ-пленка фирмы MITSUBISHI POLYSTER FILM (Германия) тип RNK 19.0- толщиной 19,41 мкм и шириной 624 мм. Исходя из технического задания, и графика зависимости плотности тока,
определяемого на цилиндре Фарадея T1FC1 при скорости перемотки барабана 5 см/сек (гр. 1-1) , построенного при работе циклотрона, для работы были определены параметры работы как:
1) ток на цилиндре T1FC1 250 nA при скорости перемотки барабана 2,5 см/с;
2) ток на цилиндре T1FC1 70 nA при скорости перемотки барабана 5 см/с;
3) ток на цилиндре T1FC1 35 nA при скорости перемотки барабана 5 см/с.
Далее облученную пленку, прошедшую стадию предварительного травления, поместили между двумя электродами. В качестве одного из электродов использовалась полимерная пленка с нанесенным тонким слоем алюминия. В зависимости от концентрации щелочи, температуры и времени травления были получены трековые мембраны с различной пористостью и со сквозными порами различных диаметров (от 0,1 до 3,8 мкм).
Контроль качества и соответствия параметров заданным техническим заданием проводилось лабораторией трековых мембран Астанинского филиала ИЯФ. Для чего из каждого образца были изъяты фрагменты пленок длиной по 1,5 метра с начала и концов образцов. Из этих фрагментов были взяты образцы для определения плотности трековых пор.
Образцы подвергались щелочному травлению, с последующей визуализацией при помощи электронного микроскопа JSM-7500F фирмы JOIL (Япония), что позволяет при подключении к компьютеру с помощью автоматизированных информационных систем (АИС) наблюдать процессы щелочного травления с пульта управления. АИС позволяет управлять временем, дозировкой и другими параметрами. АИС производит дальнейшие расчеты с помощью программы Marker.
Щелочное травление проводилось в 6-тимолярном щелочном растворе NaOH при температуре 500 С в течении 15 мин (для образца 1-8мин).
Ниже приведена таблица плотности пор:
Таблица 1 – Определение плотности пор по результатам травления Образец Ток
T1FC1, nA
Скорость перемотки
см/с
Ожидаемая плотность
пор
Лицевая сторона
Обратная сторона 17.06.2009-1-1
(начало) 248 2,38 2,0х108 2,15х108 2,13х108 17.06.2009-1-2
(конец)
248 -/- -/- 1,92х108 1,84х108 17.06.2009-2-1
(начало) 144 10 3,6х107 3,83х107 3,3х107 17.06.2009-2-2
(конец) 150 -/- -/- 3,71х107 3,45х107 17.06.2009-3-1
(начало)
74 10 1,40х107 1,77х107 1,70х107 17.06.2009-3-2
(конец)
74 -/- -/- 1,82х107 1,81х107
На рисунке 1 видно, что полученная структура равномерная, размеры пор от 0 до 3,8 мкм, что, вероятно, объясняется тем, что при облучении потоком тяжелых ионов повреждающих полимерные молекулы, УФ засветке и травлении были рационально выбраны время, температура, режим. По каждому треку образуется сквозное отверстие – пора цилиндрической формы, диаметр которой прямо пропорционален времени травления. Все эти явления могут в дальнейшем оказывать влияние на адсорбцию частиц в порах
Рисунок 1. Образец 17.06.2009-1-1 лицевая сторона, увеличение х6000
Наиболее важным компонентом воды как природной системы с точки зрения ее влияния на здоровье человека являются биологические живые объекты (бактерии, вирусы и простейшие). С развитием микробиологии было установлено, что в этих случаях вода выступала как фактор передачи среди людей патогенных микроорганизмов.
Как видно из рисунка 2 зависимости диаметра пор от времени травления были получены образцы с диаметром пор от 0 до 3,8 мкм. Мембраны с малым диаметром пор от 2,0 до 2,5мкм имеют способность задерживать такие простейшие меньших как цист криптоспоридий, а мембраны с диаметром пор от 2,5 до 3,0 мкм обнаруживают и задерживают такие паразитные объекты как цист лямблий (эффективность задержания 94-97%); мембраны с диаметром пор от 3,0-3,5 мкм способны задерживать более крупных паразитов как яица гельминта.
Рисунок 2. Зависимость диаметра пор от времени травления
Также трековые мембраны с диаметром пор от 0 до 3,8мкм можно использовать в качестве фильтрующей части респиратора. В диффузионном респираторе процесс диффузионного газообмена происходит через мембранные поры в тангенциальных потоках воздуха вдоль поверхностей трековой мембраны, разделяющей атмосферный воздух и воздух дыхания человека.
В системе “атмосферный воздух–трековая мембрана–выдыхаемый воздух” скорость газообмена возрастает с ростом скорости тангенциальных потоков атмосферного и выдыхаемого воздуха, обтекающих поверхности мембраны. Мембранные поры не забиваются аэрозолями в тангенциальных потоках и могут служить продолжительное время.
На поверхности ТМ газообменных респираторов радиоактивные аэрозоли оседают в незначительной степени и слабо связаны с поверхностью ТМ, поэтому они могут быть легко дезактивированы.
Применение диффузионных респираторов, прежде всего, перспективно в зонах, зараженных радиоактивностью или особо опасными мелкодисперсными загрязнениями.
Результаты проведенных экспериментов свидетельствует, что полученные трековые мембраны могут быть полезны при очистке воздуха и воды от паразитов, вирусов и бактерий.
Использование трековых мембран для очистки воды и воздуха является одним из наиболее перспективных направлений обеспечения экологической безопасности населения.
Литература
1. Флеров Г.Н., Барашенков B.C. Практические применения пучков тяжелых ионов //
Успехи физич. наук. 1974. - Т.114. - С. 351-373.
2. Шатаева JT.K., Ряднова И.Ю., Нечаев А.Н. и др. Особенности смачивания и адсорбционных свойств трековых мембран на основе полиэтилентерефталата // Коллоид, журн.
2000. - Т.62. -№1. - С.126-132.
3. Кравец Л.И., Дмитриев С.Н., Слепцов В.В. и др. Воздействие высокочастотного плазменного разряда на полиэтилентерефталатные пленки, облученные тяжелыми ионами //
Химия высоких энергий. 2000. - Т. 34. - №2. - С.158-163.
0 1,4 1,8 2,2 2,6 3
3,4 3,8
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 время травления, мин
диаметр пор, мкм
