КУРСОВА РОБОТА НА ТЕМУ: “Використання пористих вуглецевих матеріалів у науці і техніці”

Зміст

Розділ I.ЗАСТОСУВАННЯ ПВМ У ХІМІЧНІЙ, ХАРЧОВІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ, А ТАКОЖ У МЕДИЦИНІ.    5

1.1.Застосування пористих вуглеграфітових матеріалів для хімічної, харчової та інших галузей промисловості.    5

1.2.Вуглецеві молекулярні сита    7

1.3. Використання ПВМ в медицині в якості виготовлення кісткових протезів    9

1.4.Використання ПВМ як каталізатора для хімічних процесів    12

1.5.Активоване вугілля    15

Розділ II.ВИКОРИСТАННЯ ПВМ В ТЕХНІЦІ    17

2.1. Використання ПВМ у техніці високих температур    17

2.2.Використання ПВМ у техніці, як фільтруючих елементів.    20

2.3.Вуглецеві конденсатори (ультраконденсатори)    21

2.4.Застосування скловуглецю    25

ВИСНОВКИ    27

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ    28

 

ВСТУП

В даний час пористі вуглецеві матеріали (ПВМ) представляють собою найважливіший клас адсорбентів, каталізаторів і носіїв, промислове виробництво яких вимірюється багатьма сотнями тисяч тонн і безперервно зростає через розширення традиційних і появу нових галузей застосування.Серед них слід особливо відзначити процеси короткоцикловогобезнагрівного адсорбційного розділення газів, наповнювачі контейнерів для зберігання природного газу, теплові машини, гідрометалургії, гемосорбцію, носії каталітично активних компонентів і багато чого іншого.

Важко перерахувати всі області практичного застосування пористих вуглецевих матеріалів. У структурі споживання до 40% виробленого активного вугілля використовують у харчовій промисловості, до 30% – у системах захисту органів дихання (протигази, респіратори тощо), до 15% – у системах водоочищення. У медицині споживається близько 5% виробленого вугілля. У всіх перерахованих областях застосування використовується основну фізико-хімічну властивість ПВМ – велика поверхня (у деяких ПВМ вона досягає 2000 м2 / г). Завдяки цьому у таких ПВМ в яскравій міри виявляються ефекти адсорбції: освітлення сиропів, очищення повітря від органічних забруднювачів і т.д. На адсорбційних властивостях ПВМ засновані технології поділу газів, в тому числі розділення повітря на азот і кисень. Хоча власне каталітичне застосування активного вугілля становить близько 1% обсягу його виробництва, вартість виробленої “каталітичної” продукції досягає 20% вартості всієї продукції, яка виготовлена з використанням активних вугіль.

Метою даної курсової роботи:здійснити узагальнений аналіз фізичних журналів, науково-популярних видань, використовуючи весь спектр засобів з теми “Використання пористих вуглецевих матеріалів у науці і техніці”

Для досягнення даної мети слід розв’язати дані завдання:

  • пошук відповідної літератури;
  • аналіз даної літератури за потрібним напрямком;
  • узагальнення та систематизація знайденої інформації;

Об′єктом моєї курсової роботи є дослідження практичного використання ПВМ в різних галузях промисловості

Предметом даної роботи є аналіз зібраних літературних джерел, з метою розкрити весь спектр використання ПВМ в науці і техніці.

Структура даної курсової роботи

        Курсова робота складається з вступу, двох розділів, висновків і списка використаної літератури.

    

РозділI.ЗАСТОСУВАННЯ ПВМ У ХІМІЧНІЙ, ХАРЧОВІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ, А ТАКОЖ У МЕДИЦИНІ.

1.1.Застосування пористих вуглеграфітових матеріалів для хімічної, харчової та інших галузей промисловості.


Високопористі вуглеграфітові матеріали знаходять широке застосування в різних промислових процесах хімічної технології завдяки таким унікальним властивостям, як висока проникність і термостійкість у поєднанні з високою хімічною стійкістю в багатьох окислювальних хімічних середовищах, легка механічна оброблюваність, що дозволяє виготовляти з них вироби практично будь-який
форми і розмірів.

Висока пористість вуглеграфітових матеріалів дозволяє використовувати ці матеріали в якості барботери для дисперсії газів в рідинах з метою інтенсифікації багатьох фізичних, хімічних і біологічних процесів, що проходять на межі розділу фаз газ-рідина. До таких процесів відноситься збагачення киснем води акваріумів і океанаріумів, резервуарів ферментації в різних галузях харчової, медичної, вітамінної промисловості, аеротенків для біологічного очищення стічних вод шляхом їх аерації і перемішування з активним мулом після звільнення від механічних домішок, нафтопродуктів та вилучення розчинників та інших цінних продуктів. Крім того, барботерування значно інтенсифікує абсорбцію нерозчинних газів, перемішування електролітів, електролітичних і гальванічних ванн. Для зазначених цілей використовують заглибні дифузори, елементи яких виготовляють з пористих вуглеграфітових матеріалів. Ділянка працюючих дифузорів електролітичної ванни, виконана з пористого вуглецевого матеріалу. Елементи для барботування можуть бути плоскими, круглими або комбінованими.[11,с.200]

Широке застосування високопористі вуглеграфітові матеріалів знайшли в електрохімії в якості пористих електродів, так як поєднання високих показників по хімічній стійкості до більшості електролітів і по проникності для рідин і газів дозволяє здійснювати різні електрохімічні процеси, зокрема анодні, що вимагають наявності контакту трьох фаз: тверде тіло ( вуглецевий матеріал) – рідина (електроліт)-газ (деполяризатор). Крім того, через електроди з високопористих вуглеграфітових матеріалів можна вводити електроліт або деполяризатор в електролізер і виводити аноліт або католіт, а також газоподібні продукти реакції, що забезпечує значне зниження напруги в електролізері. Це може бути використано для принципово нового рішення проведення електролітичних процесів з усуненням з електролізерів пористих діафрагм та інших пристроїв для розділення продуктів електролізу.

При електролізі, зокрема в анодних (осадження металів) та катодних процесах (анодне окислення, електрополіровка, електрохімічна обробка і т.д.), в якості поглиначів продуктів реакції використовують пористі матеріали з вуглецю, одержувані піролізом: войлок, фетру, тканини та ін.. Слід зазначити, що інтенсифікація процесів електролізу призводить до підвищеного зношування графітових електродів (анодів), що зумовлює пошуки нових матеріалів та технології. У зв’язку з цим проводяться дослідження із застосування в анодному процесі пористих вуглецевих електродів с і переважаючим розміром пор 4 мкм при відкритій пористості близько 30%.[11,с.205]

Високопористі вуглеграфітові матеріали продовжують привертати увагу дослідників і практиків як матеріали для виготовлення газодифузійних електродів воднево-кисневих паливних елементів, а також елементів, у яких використовуються як паливо низькомолекулярні вуглеводні (пропан, бутан тощо), метанол, гідразин та ін.

Пористі вуглецеві матеріали широко застосовують в електрохімії, зокрема в електричних батареях (джерела струму) і паливних елементах, а також в ролі електродів в електрохімічних і металургійних виробництвах.
Пористі вуглецеві матеріали широко застосовують також у процесах електрохімічного окислення різних шкідливих речовин як носії каталізаторів окислення. Наприклад, для електрохімічного окислення фенолів у стічних водах використовують пористий графіт з великими (до 100 мкм) порами, на внутрішню поверхню яких попередньо осаджують платину за аналогією отримання водневого електрода.[11,с.208]

1.2.Вуглецеві молекулярні сита

Вуглецеві молекулярні сита – це сорбенти, що володіють унікальними розмірами пор, що дозволяють розділяти газові суміші і виділяти необхідні гази з певними розмірами молекул.

Вуглецеві молекулярні сита використовують як сорбенти в установках коротко-циклової безнагрівної адсорбції і в хроматографії. Крім того можна використовувати продукт в якості сенсорів – детекторів забруднення повітря. Вихід на промислове виробництво дозволить використовувати вуглецеві молекулярні сита не тільки в лабораторних дослідженнях, але і в якості: акумуляторів водню, носіїв каталізаторів для паливних елементів, для поділу газів (О2, N2 з повітря, водню, СО із синтез-газу), виділення гелію з природного газу.[9,с 150]

Області застосування:

Основні напрямки використання вуглецевих молекулярних сит – поділ газів: гелію і метану; кисню, азоту з повітря; водню, СО із синтез-газу, для отримання азотних добрив.

Унікальні властивості вуглецевих молекулярних сит визначають область їх використання – від широко відомих очищувачів питної води, до акумуляторів водню, літій-іонних акумуляторів, суперконденсаторів, носіїв каталізаторів, в тому числі в паливних елементах – джерелах струму нового покоління.

Застосування вуглецевих молекулярних сит дозволить знизити в кілька разів металоємність існуючих установок для виділення водню, кисню, азоту, монооксиду вуглецю і т.д. за рахунок використання пари адсорберів з ефективними адсорбентами – замість складних систем з 14-20 адсорберів використовуваних в установках.

У медицині дані вуглецеві молекулярні сита можуть використовуватися в киснетерапії, для збагачення киснем повітря. Це дасть можливість 10% населення, страждаючих від гіпоксії, повернутися до нормального способу життя.

Застосування мобільних установок короткоцикловоїбезнагрівної адсорбції, що використовують як адсорбент вуглецеві молекулярні сита, на транспорті дозволить підвищити ефективність роботи двигуна за рахунок збільшення на 2-3% об’ємної частки кисню в циліндрах двигуна, різко знизити токсичність вихлопних газів. Ці пристрої можуть виконувати функції кондиціонера і високоефективного фільтру і підтримувати в салоні автомобіля задані параметри газового складу (підвищення вмісту кисню підвищує працездатність і імунітет, що важливо на дорозі, де дуже високий рівень забруднення вихлопним газом) і температури.[13,с28]


1.3. Використання ПВМ вмедицині в якості виготовлення кісткових протезів

Останнім часом після підтвердження гарної біологічної сумісності ПВМ з тканинами людського організму проводяться інтенсивні роботи із застосування їх для ортопедичних цілей. Ці роботи раніше стримувалися недостатньою міцністю більшості промислових марок ПВМ. Ті ж марки, які володіли достатньою міцністю, не володіли сприятливим для цього спектром відкритих пор. Вимоги до ПВМ, використовуваних для вростання кісткової тканини, ще остаточно не сформульовані, однак вважають, що діаметр пор може бути від 100 до 1000 мкм, а глибина вростання тканини – 500-2000 мкм.

Винахід відноситься до медицини і може бути використаний для виготовлення кісткових протезів та відновлювальної хірургії. Композиційний пористий матеріал включає волокнисту армуючу основу і матрицю, армована основа виконана у вигляді каркаса, що містить вертикально встановлені стрижні і горизонтальні шари, кожен з яких утворений стрижнями, при цьому стрижні сформовано з вуглецевих волокон, а матриця виконана з піровуглецю. Спосіб виготовлення пористого композиційного матеріалу включає формування армуючої основи у вигляді каркаса пошарово зі стрижнів, сформованого з вуглецевих волокон, орієнтуючи їх у кожному шарі паралельно відносно один одного, після чого в утворені вертикальні канали вводять додаткові стрижні, а матрицю формують шляхом осадження піровуглецю з газового середовища, яка містить щонайменше один вуглеводень, при температурі, вищій за температуру його розкладання, до зміни маси матеріалу не менше ніж в 3 рази. Вуглецевий композиційний пористий матеріал поєднує хімічну і термічну стійкість з високою міцністю, біологічною сумісністю та електропровідністю. [16,с.943]

В даний час для виготовлення ендопротезів та заміщення кісткових дефектів у відновній хірургії знаходять застосування метали та сплави, полімерні і керамічні матеріали, а також біоактивне кальцій-фосфатне скло і склокераміку. Перевагою останніх є близькість їх хімічного і мінералогічного складу зі складом кісток. Тим не менше ці штучні біоактивні матеріали за своєю структурою і текстурою мало відповідають кістковим тканинам, іншим їх недоліком є крихкість і погана механічна оброблюваність, що сильно утрудняє необхідну точну підгонку імплантатів до живої кістки.

Цей винахід направлено на створення вуглецевого композиційного пористого матеріалу, що поєднує хімічну і термічну стійкість з високою міцністю конструкційної, біологічної сумісністю та електропровідністю.

Високі механічні властивості отриманого матеріалу, що є наслідком особливостей отриманої структури спільно з біосумісністю і хорошій оброблюваності, забезпечуються за рахунок використання вуглецю, дозволяють використовувати матеріал для виготовлення протезів і імплантатів кісток і суглобів. Високі механічні властивості композиційного матеріалу і технологічність механічної обробки дозволяють застосовувати його в якості імплантатів та протезів при операціях на кістках та суглобах.

    Пористість таких матеріалів при цьому має більше значення, тому що наявність пор дає можливість кісткової тканини проростати всередину імплантату або протеза, що забезпечує прямий контакт останнього з кістковою тканиною (без сполучнотканинною прошарку).[16,с.946]

З матеріалу, отриманого згідно винаходу, були виготовлені розпилюванням, свердлінням, шліфуванням та ін методами механічної обробки ендопротези та імплантати, зокрема для ендопротезування хребта.

    В умовах експериментальної лабораторії Фтізіопульманологіі були проведені операції на кроликах з імплантацією різних марок вуглецевого матеріалу в різні ділянки стегнової кістки (епіметафіз, епіфіз).

    Результати досліджень показали, що імплантований матеріал не викликає зростання новоутворень, не піддається резорбції, матеріал не сприяє утворенню сполучнотканинної капсули на кордоні кістка-імплантат. Близькі значення модуля пружності отриманого матеріалу і кісткової тканини дозволяють даній системі при навантаженні працювати як єдине ціле.

    Виявляється матеріал біологічно більш інертний, в порівнянні з вуглепластиком, керамічними матеріалами і металами. Важливо, що матеріал може мати різні рівні властивостей (міцність, жорсткість і ін.), залежно від будови і режимів отримання, поєднування градієнт-функціональних властивостей. Висока температура отримання матеріалу забезпечує стерильність зразків, а хімічна і термічна стійкість дозволяють стерилізувати матеріал найрізноманітнішими способами.

Експериментальні дослідження на 40 кроликах показали, що вказаний матеріал інертний до кісткової тканини, не викликає будь-яких негативних реакцій з боку кісткового ложа, міцно фіксується в ньому, завдяки тому, що кісткова тканина господаря проростає в пори і заглиблення на поверхні імплантату, зв’язуючись з ним.

Тривалі експериментальні дослідження, що тривали близько 4 років, показали, що до цього періоду імплантант так міцно фіксований в кості, що механічне його видалення без зламу останньої неможливо, а сам він настільки міцний, що розпилюванню за допомогою звичайних фрез не піддається. Отже, за своєю якістю даний матеріал, завдяки інертності по відношенню до тканин, міцності фіксації в кістки і механічними властивостями є ідеальним матеріалом для ендопротезування.

Клінічні випробування полягали в застосуванні заявляється матеріалу для ендопротезування та заміщення дефектів тіл хребців протяжністю до 11 см у 34 хворих, що страждають поданими вище захворюваннями. При спостереженні за хворими строком до 4 років будь-яких негативних наслідків застосування вказаного матеріалу не спостерігалося. У 2 хворих відзначено негативний результат операцій: в 1 випадку пов’язаний з технічною похибкою в період освоєння методики і в 2 випадку – із загостренням туберкульозного процесу та його поширеністю. У всіх інших хворих настали стабілізація заміщених ендопротезом відділу хребта, відновлення анатомічних співвідношень і функцій.
До теперішнього часу склалися всі умови для широкого виробництва і застосування вказаного матеріалу, що має, як було встановлено в ході випробувань, перевагами в порівнянні з раніше відомими, у тому числі для розробки на його основі різного роду імплантатів та ендопротезів, застосовних в клінічній практиці..[16,с.947]

1.4.Використання ПВМ як каталізатора для хімічних процесів

В даний час практично не залишилося жодної області світового господарства, де б не використовувалися пористі вуглецеві матеріали. Одним з напрямків їх промислового застосування являються хімічні виробництва, в яких вуглець може використовуватися як каталізатор або носій каталізатору. При цьому у ряді хімічних процесів (синтез фосгену, хлористого сульфуру, хлорорганічних сполук, оксососполученьт.д.) на розвиненому вугіллі за участю високоактивних хімічних реагентів (галогени, кисень, та ін) проходить утворення побічних продуктів реакції, що істотно скорочує термін експлуатації вуглецевих матеріалів, ускладнює процес виділення основних продуктів і несприятливо позначається на екологічній обстановці.

Для вирішення цієї проблеми необхідні стійкі до впливу агресивних середовищ високопористі матеріали з підвищеною механічною міцністю. У зв’язку з цим актуальним доцільно спрямований синтез пористих вуглецевих матеріалів спеціального призначення, як носіїв, так і каталізаторів для хімічних і нафтохімічних процесів, що протікають в жорстких умовах. Приміром такого цілеспрямованого синтезу є процес отримання нового пористого вуглець-вуглецевого матеріалу на основі дисперсного і піролітичного вуглецю.[18,с.220]

Оригінальність розробленого пористого вуглець-вуглецевого матеріалу полягає у використанні двох структурних модифікацій графітоподібних матеріалів (сажі та піровуглецю), що мають близьку кристалографічну структуру, але значно відрізняються за реакційної здатності є екологічно чистими. За рахунок цього в процесі активації з вуглець-вуглецевого композиту відбувається селективне видалення найбільш реакційного вуглецю (сажі) та формування розвинутої пористої структури. Маючи піролітичну природу, новий пористий вуглецевий матеріал значно перевершує звичайне активоване вугілля по головним параметрам – часткамимезопор, механічної, термічної та хімічної стійкості, низькому рівню невуглецевих домішок. При цьому основна частка мезопор, до 80% від загального обсягу, припадає на пори з розміром від 2 до 10 нм.

У результаті багаторічних науково-дослідницьких та дослідно-конструкторських робіт створена унікальна, яка не має світових аналогів дослідно-промислова технологія отримання нових вуглець-вуглецевих матеріалів різного призначення. Незважаючи на надзвичайну токсичність і небезпечність, фосген широко застосовується у виробництві важливих для життєдіяльності людини полімерів, таких як полікарбонату, поліуретану, поліаміди, а також фармацевтичних та агрохімічних продуктів.
Світове виробництво фосгену становить понад 4 млн т / рік. Традиційними каталізаторами отримання фосгену є вуглецеві матеріали з питомою поверхнею понад 1000 м2. Однак, незважаючи на високу вибірковість вуглецевого каталізатора, в цьому процесі утворюються невеликі кількості побічних хлорвуглецевих з’єднань (переважно СС14). При цьому єдиним значимим джерелом СС14 є безпосереднє хлорування вуглецевого каталізатора. Враховуючи масштаби виробництва фосгену, зниження кількості або повне усунення побічних продуктів (СС14) стає важливої екологічним завданням.[18,с.222]

Для проведення промислових випробувань на одному з заводів (Chambers Works) корпорації DuPont був розроблений новий каталізатор, який мав наступні характеристики: діаметр гранули округлої форми

2,0-3,2 мм (не менше 80% (мас.)); питома поверхня 350-450 м2 / г; пори розміром менше 150 нм.; механічна міцність на роздавлювання не менше

50 кг/см2; зміст золи не більше 1%.

Новий каталізатор спільно з традиційним, на основі кокосової шкаралупи, піддався порівняльним випробуванням за спеціально розробленою методикою з використанням термогравіметричного аналізу. Процедура перевірки дозволила оцінити по втраті ваги стійкість каталізатора на повітрі в широкому діапазоні температур від 125 до 500 ° С. Було установлено, що новий каталізатор практично не піддався окисленню (залишок вуглецю від 99,52 до 98,37%), майже повністю зберігши параметри пористої структури, в той час як від промислового каталізатору отримання фосгену залишилося після окислення при температурі 500° С всього 2,4%. У масштабі лабораторної установки при синтезі фосгену була помічена хороша кореляція між втратою ваги каталізатору і концентрацією СС14 в продуктах реакції. Рівень вмісту СС14 в продуктах реакції з при застосуванні нового каталізатора був на порядок нижче, ніж у промислового вуглецю з кокосової скорлупи.

Промислові випробування нового вуглецевого каталізатора при синтезі фосгену підтвердили його високу ефективність. Після року роботи каталізатор не втратив своєї активності. Регулярний аналіз промислового реактора показав, що рівень освіти СС14 реально становив менше. Після 2-х років повномасштабної експлуатації каталізатор продовжував працювати з колишньою ефективністю.

Застосування нового каталізатора на заводах корпорацііDuPontпризвело до значного скорочення зупинок процесу, дозволило уникнути додаткових значних капіталовкладень (близько 2 млн доларів) на встановлення контролю за викидами в навколишнє середовище і скоротило щорічні експлуатаційні витрати (до 300 тис. доларів на рік). В даний час матеріал успішно застосовується в промисловості, як каталізатор синтезу фосгену на заводах DuPont і GeneralElectric, а також DavyProcessTechnology (Switzerland) AG. [18,с.225]

1.5.Активоване вугілля

Активоване вугілля – матеріал з розвиненою пористою структурою. На 87-97% (за масою) складається з С, містить також Н, О введені в активне вугілля при його отриманні. Зольність активного вугілля може складати 1 -15% (іноді його обеззолюють до 0,1-0,2%).

Активне вугілля широко застосовують як адсорбент для поглинання парів з газових викидів (напр., для очищення повітря від CS2), , для очищення водних розчинів (напр., цукрових сиропів і спиртних напоїв) , питної та стічних вод, у протигазах, у вакуумній техніці, напр. для створення сорбційних насосів, в газоадсорбціонной хроматографії, для заповнення запахопоглиначів в холодильниках, очищення крові, поглинання шкідливих речовин з шлунково-кишкового тракту та ін Активне вугілля – також носій каталітичних добавок і каталізатор полімеризації. [4,с.68]

 

Розділ II.ВИКОРИСТАННЯ ПВМ В ТЕХНІЦІ

2.1. Використання ПВМ у техніці високих температур

 Однією з великих областей використання високопористих вуглеграфітових матеріалів є техніка високих температур, де вони застосовуються в основному в якості високотемпературної ізоляції, захисних екранів і т. д.

Особливо перспективними для теплоізоляції матеріали на основі вуглецевих або графітованих пустотілих мікросфер. Наприклад, для теплоізоляції підшипників, що працюють при високих температурах, використовують карбонізовані при 1000 ° С матеріали на основі вуглецевих мікросфер (наповнювач) і фенольною або епоксидної смоли (сполучна),
причому міцність і теплопровідність матеріалу залежать від його щільності, яку можна змінювати в широких межах, змінюючи співвідношення наповнювач-сполучна. В електропечебудуванні широко застосовують пінококси і пінографіти, так як пінококс по теплоізоляційної здатності в 30 разів перевершує шамот, а в перерахунку на однакову масу цей показник збільшуєтьсядо 600 разів.

Використання високопористих вуглецевих матеріалів (пінококси, пінографіти, матеріали на основі вуглецевих і графітованих мікросфер і волокон), що відрізняються низькою теплоємністю, в електропечах методичного та загальнопромислового призначення (індукційні і печі опору, вакуумні і з інертним або відновлювальним середовищем) дозволяє в окремих випадках різко збільшити їх продуктивність за рахунок скорочення часу остигання, збільшення робочого об’єму (через зниження обсягу теплоізоляції) і т. д. У найбільш економічної печі можна застосовувати як ізоляції графітовий войлок. Останньому за теплофізичними властивостями дещо поступається пінококс, проте пінококс як конструкційний матеріал більш зручний, бо він добре обробляється, що дозволяє виготовляти з нього теплоізоляцію потрібної форми і розмірів. При використанні ж графітового войлока іноді необхідно створювати додаткові конструктивні елементи.

Характер температурної залежності теплопровідності пінококса (температура обробки 900 ° С) і пінографітів (2100 і 2500 ° С). Зі зростанням температури теплопровідність спінених вуглецевих матеріалів зростає, причому найбільш різко в області високих температур, що характерно для погано графітуючих матеріалів. Для високопористих графітів зазначена залежність має зворотний характер Основним недоліком пінококсу є невелика міцність, яку можна підвищити, наприклад, ще на стадії формування пінопластів або після їх карбонізації шляхом ущільнення піровуглецем. Однак при цьому із зростанням щільності і міцності матеріалу буде зростати і його теплопровідність. Так, осадженням піровуглецю в пори пінококса можна збільшити, але при цьому теплопровідність зросте. До аналогічних результатів призводить і просочення пінококсукарбідоутворювальними елементами.[6,с.99]

Повідомляється про застосування піновуглецю у ливарному виробництві для виготовлення сердечників важкодоступних порожнин литих блоків, наприклад при виготовленні поршнів автотракторних двигунів. Цей матеріал, незважаючи на порівняно високу вартість, має ряд переваг перед раніше застосовуваними для цієї мети матеріалами, а саме: хорошій оброблюваності і можливістю виготовлення складних форм, а також легкістю видалення з блоків.

Відмінними теплоізоляційними властивостями володіють матеріали на основі вуглецевого (температура обробки 1000 ° С) або графітованого (2500 ° С) волокна (войлок, фетр, тканини, вата і т. д.). Фірма «Sigri» випускає матеріал у вигляді войлок чи вати під назвою «Sigratherm», який використовується для теплозахисту. Ці матеріали застосовуються для термоізоляції в умовах високих температур в індукційних печах і печах опору. Вони дешевше й ефективніше, ніж металеві екрани, а їх ізоляційна здатність вища, ніж у дисперсного вуглецю (сажі). Крім того, екрани з войлока і фетру мають достатню міцність, яка збільшується із зростанням температури. Ці матеріали ріжуться ножем або ножицями і зшиваються вуглецевими нитками, тому з них можна легко і швидко виготовляти теплоізоляцію необхідних форм і розмірів. При цьому завдяки однаковій товщині матеріалу при його використанні не виникає перегрітих ділянок. Електричні властивості таких матеріалів дозволяють використовувати їх і як електронагрівачі. Однак вуглецеві та графітні матеріали мають істотний недолік. Вони окислюються на повітрі при температурі вище 350 ° С, що вимагає створення захисної атмосфери або покриття піровуглецем або плівками з карбідів, боридів або силіциду.

Високі теплоізоляційні властивості волокнистих матеріалів повністю реалізуються в інертному середовищі або у вакуумі при високих температурах (понад 3000 ° С). Завдяки цим унікальним властивостям пористі матеріали як самостійно, так і в поєднанні з піровуглецем або пірографітом (композиції вуглець – вуглець) використовують як конструкційний матеріал для космічних кораблів. Нарешті, низька теплопровідність вуглецевих пористих матеріалів і незначна нейтронна абсорбція є підставою для їх застосування в ядерній техніці в якості теплоізоляції атомних реакторів.[12,с.456]

Високопористі вуглецеві матеріали на основі порожнистих мікросфер використовують як високотемпературний конструкційний матеріал для аерокосмічних кораблів і для ізоляції високотемпературних електропечей.

2.2.Використання ПВМ у техніці, як фільтруючих елементів.

Найбільш перспективною галуззю застосування вуглецевих матеріалів є техніка, де пористі матеріали служать для приготовлення фільтрів, барботерів, теплообмінної, випарної і реакторної апаратури, що працює в агресивних рідких і газоподібних середовищах.

З вуглецевих матеріалів виготовляють фільтруючі елементи для фільтрування розплавлених солей, наприклад ціаніду натрію, розплавів легких металів, розчинів лугів, фосфорної, мурашиної та оцтової кислот, фторидів, розплавленої сірки, двоокису сірки, уранових шламів, а також таких харчових продуктів, як питна вода, вина, лікеро-горілчані вироби, пиво, масла і жири та ін..Фільтруючі елементи виготовляють у вигляді дисків, пластин, труб, патронів. Ці фільтри працюють під вакуумом або надлишковим тиском, причому пластини і диски звичайно армують. Крім того, такі вироби можуть служити підкладкою для допоміжних фільтрів з вуглецевої або графітованої тканини. Такі фільтри забезпечують отримання фільтрату підвищеної чистоти, збільшення швидкості, зменшення закупорки пор і спрощення операції видалення осаду. Крім того, збільшується термін безперервної роботи фільтра до його очищення. Іноді для посилення ефекту очищення поділюваних суспензій в них вводять різні порошки з розвиненою поверхнею (активоване вугілля) для формування на робочій поверхні фільтра нестисливого осаду.

Фільтруючі елементи з вуглеграфітових матеріалів відрізняються від керамічних, силікатних і металокерамічних тим, що після закупорки пор вони можуть бути регенеровані не тільки протитечією чистого фільтрату або нейтральної рідини, але і за допомогою різних розчинників (окислювачів), а також продуванням інертним газом при високих температурах.

При використанні для фільтрування труб або патронів переважно направляють потік фільтрованого середовища від зовнішнього діаметра до внутрішнього, що забезпечує більш тривалий цикл роботи фільтру і можливість проводити фільтрування при підвищеному тиску, так як зазначені матеріали мають більш високу міцність на стиск, ніж на розрив.Фільтрування самопливом (під дією сили тяжіння) зазвичай здійснюється при використанні пластин або дисків.

Для зниження забрудненості повітряного середовища вихлопними газами, що містять свинець, запропоновано в глушник автомобіля поміщати пористі поліпропіленові волокна або тканини на їх основі, оброблені в інертній атмосфері при 1000 ° С. Волокно адсорбує до 53% свинцю, що міститься у вихлопних газах.

У вакуумній техніці високопористі вуглеграфітові матеріали використовують як фільтри для ртутних затворів і пристроїв для напуску газів.[14,с.15]

 

2.3.Вуглецеві конденсатори (ультраконденсатори)

Ультраконденсатори – це наступний виток інноваційного розвитку електролітичних конденсаторів. Відстань, що відділяє заряди в ультраконденсаторах (у техніці відомих як електролітичні конденсатори з подвійним шаром), було зменшено буквально до розмірів самого іона електроліту. Тепер заряди рознесені не на міліметри або мікрони, а лише на кілька нанометрів.

Поєднання надмалої відстані й порівняно великої площі поверхні в ультраконденсаторах призводить до того, що ізолювальний проміжок досягає в них приголомшливих величин: порядку 10 у дванадцятому степені. Саме таке співвідношення робить ці конденсатори «ультра». Здатність зберігати протилежні електричні заряди в статичній рівновазі на молекулярних відстанях – їх найважливіша особливість.

Недавно трудомісткий процес виготовлення ультраконденсаторів був замінений автоматизованим, що призвело до істотного зменшення їх ціни. Наприклад, у середині 1980-х років ціна ультраконденсатора ємністю 470 Ф на напругу 2,3 В становила приблизно $2 за один фарад. Нині той же ультраконденсатор коштує дешевше (лише кілька десятків центів за фараду), і ця ціна в міру автоматизації ручних операцій швидко знижується. Коли ціна на ультраконденсатори впаде ще в 20 разів (до рівня нижче 0,5 цента за фараду), ці компоненти почнуть використовувати на масовому автомобільному ринку.[7,с.217-218]

Зараз учені інтенсивно досліджують ультраконденсатори, гранично підвищуючи їх ємність і знижуючи ціну. У жовтні 2003 року було оголошено про випуск поліпшених ультраконденсаторів, названих конденсаторами на нанозатворах, або нановуглецевими конденсаторами. Щільність енергії в цих нових компонентах становить 50-75 ват-годин на кілограм, що більш ніж у 10 разів перевищує характеристики наявних ультраконденсаторів. У них застосовуються два вугільні електроди, виготовлені з нового запатентованого матеріалу, унікальною властивістю якого є висока пористість і здатність затримувати іони.

Отже, найновіші дослідження науковців – дають змогу і використовувати вуглецеві нанотрубки як матеріал для електродів ультраконденсаторів. Це повязано з однорідністю їх наноскопічних пор (їх діаметр приблизно 0,8 нм), що теоретично дозволить їм запасати набагато більше електричного заряду, ніж конденсаторам з нанозатворами, якщо тільки вдасться зібрати нанотрубки в макроскопічні блоки.

     Ультраконденсатори схожі на батареї – у них теж є два електроди, занурені в електроліт. Прикладення до виводів ультраконденсаторів різниці потенціалів (напруги) поляризує електроліт, таким чином, приблизно половина молекул електроліту віддає електрон іншій половині. У результаті додатно і від’ємно заряджені іони мігрують у прикладеному електричному полі до одного з електродів. Вони утворюють заряджений шар на поверхні, а електрод має протилежний знак, однак обмін електронами через поверхню електрода не відбувається завдяки його електрохімічним властивостям. Пористий сепаратор запобігає контакту між двома електродами.

Незважаючи на те, що електроди виглядають як суцільний шар пористого вуглецю, у наномасштабі він є розгалуженим лабіринтом з’єднаних одна з одною пор, практично однакового розміру, стінки яких стають зарядженими, коли до електродів прикладається напруга.

Фізична модель електронів у зоні провідності металу пояснює, що відбувається у вуглеці при прикладенні напруги. Вся внутрішня поверхня кожного електрода стає межею енергетичної зони. Наприклад, відразу під поверхнею від’ємно зарядженого електрода є зона провідності, де міститься безліч електронів, що рухаються, і яким бракує енергії, щоб відірватися від поверхні. В аналогічній зоні на додатному електроді «дірки», або електронні вакансії, переміщаються під поверхнею, але не можуть відірватися назовні.[15,с.507]

Коли додатно заряджені іони електроліту створюють шар на поверхні від’ємного електрода, вони утворять пари з електронами, що перебувають під поверхнею. Так обидва шари рознесених часток утворять конденсатор, що зберігає статичний заряд. Аналогічно на додатному електроді виникають пари з негативними іонами, створюючи другий подвійний електричний шар, що теж є конденсатором. Електрохіміки й інженери описують цей принцип роботи як конденсатор з подвійним електронним шаром.Для кожного із двох електрохімічних подвійних шарів від’ємний і додатний заряди рознесені на відстань, що дорівнює половині діаметра іона електроліту. Така відстань молекулярного масштабу в поєднанні з гігантською площею електрода з активованого вугілля забезпечує ультраконденсаторам величезну електричну ємність.

Нині провідним виробником ультраконденсаторів є компанія Maxwell Technologies, що випускає вуглецево-вуглецеві, або симетричні, ультраконденсатори. Це означає, що конструкція обох електродів ідентична. Останнє досягнення компанії – випуск моделі ультроконденсатора MC2600, що забезпечує найкращий показник запасу енергії на масу виробу, дорівнює 4100 Вт/кг. Конденсатор розрахований на напругу 2,7 В і максимальний струм до декількох кілоампер. Слід також згадати про довгий термін служби даного конденсатора – до 1 млн циклів зарядки/розрядки.

Ультраконденсатори застосовують в автоелектриці й побутовій техніці як компоненти, здатні запасати енергію. У побутовій техніці інтерес до ультраконденсаторів пов’язаний з можливістю заміни ними акумуляторів, які використовуються для нейтралізації короткочасних провалів напруги в мережі. Ультраконденсатори застосовуються також у джерелах безперебійного живлення, призначених для критичних випадків, – наприклад, у лікарнях, банківських центрах, авіадиспетчерських, передавачах стільникового зв’язку. Таким споживачам ультраконденсатори можуть забезпечити безперервну віддачу потужності протягом короткого (кілька секунд), але критично важливого проміжку часу між відімкненням запуском місцевого дизель-генератора.

Певна річ, ультраконденсатори як компоненти систем живлення широко застосовуватимуться в автомобілях на паливних елементах. Кілька таких машин зараз виготовляє компанія HondaMotorCompany, а також Toyota, GeneralMotors та інші. Характеристики паливних елементів і ультраконденсаторів добре доповнюють один одного, особливо для машин, що рухаються із частими зупинками. Паливні елементи забезпечують енергію, необхідну для рівномірного руху, однак вона недостатня для старту й розгону. Ультраконденсатори забезпечують саме такі короткочасні піки потужності, а також запасають енергію, що виділяється при рекуперативному гальмуванні.[15,с.511]

2.4.Застосування скловуглецю

Скловуглець застосовується як технологічне оснащення, що використовується у високотемпературних процесах у безкисневій атмосфері, в тому числі в особливо агресивних середовищах.

Скловуглецю отримують шляхом карбонізації відформованих виробів з термореактивних полімерів у вакуумі чи інертній атмосфері.
Скловуглецю має ізотропні властивості, дуже малу переважно закриту пористість, що обумовлює практично повну його газонепроникність. За корозійною стійкістю не поступається платині. Високі твердість і міцність, ступінь чистоти, стійкість до термічного впливу, хімічна інертність, слабка адгезія до розплавів металів роблять скловуглецю перспективним матеріалом для використання в металургії, напівпровідниковій техніці та хімічної промисловості.

Тиглі і чаші з скловуглецю широко застосовуються в якості лабораторного посуду при проведенні хімічних аналізів, а також для отримання люмінофорів, фторфосфатних та інших скляних виробів. Контейнери, труби, ампули, пластини, стрижні та інші вироби з скловуглецю використовуються при отриманні монокристалів та особливо чистих речовин у якості різних нагрівачів і випромінювачів, катодів і анодів в електрохімічному виробництві. Скловуглець має гарну біосумісність з живою тканиною, що відкриває широкі перспективи його використання в медицині та біології.

Можлива механічна обробка виробів скловуглецю алмазним інструментом, за допомогою ультразвуку, лазерного променя і на звичайних шліфувальних верстатах з використанням карбіду кремнію.[1,с.129-131]

 

ВИСНОВКИ

Здійснивши узагальнений аналіз фізичних журналів, науково-популярних видань, я дійшов висновку, що пористі вуглецеві матеріали являють собою найважливіший клас вуглецевих матеріалів.

ПВМ використовують у харчовій промисловості, у системах захисту органів дихання (протигази, респіратори тощо), у системах водоочищення.

Важливою областю застосування ПВМ є медицина де вони застосовуються для виготовлення ендопротезів, як сорбенти.

ПВМ використовують для адсорбції: освітлення сиропів, очищення повітря від органічних забруднювачів і т.д. На адсорбційних властивостях ПВМ засновані технології поділу газів, в тому числі розділення повітря на азот і кисень.

Перспективним є виготовлення ультраконденсаторів, де ПВМ використовують в якості електродів.

Розробки по даній темі є досить актуальними, оскільки постійно розширюється традиційні і появляються нові галузі застосування ПВМ .

 

 

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1.Березкин В.В., Волков В.И., Киселева О.А. и др. Коллоид, ж., 2003, т. 65, с. 129-131.

2.Гороновский И.Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф. Краткий справочник по химии. Киев: Наукова думка, 1974, 991 с.

3.Гусева З.П., Суровишн Ю.В., Цеханович М.С. и др. В сб.: Разработка и исследование углеродных конструкционных материалов. М.: Металлургия, 1988, с. 16—21.

4.Королев Ю.М. Химия тверд, топлива, 1995, № 5, с. 99— 111.

5.Кузьмичев В.Е. Законы и формулы физики. Киев: Наукова думка, 1989, 862 с.

6.Родионова И.А., Школьников Е.И., Волков В.В. Коллоид, ж., (в печати).

Солдатов А. П., Родионова И.А., Школьников Е.И. и др. Ж. физ. химии, 2004, т. 78, № 9, с. 1659-1664.

7.Суровишн В.Ф., Суровишн Ю.В., Цеханович М.С. Сб. тез. докл. 3 Межд. конф. «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технологии», 13—14 октября 2004. М.: МГУ им. Ломоносова, с. 217—218.

8.Суровишн Ю.В. Мат. IIIВсес. семинара «Адсорбция и жидкостная хроматография эластомеров». Сб. научн. трудов. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1992, с. 217-224.

9.Суровишн Ю.В. Тр. Межд. (4-го нац.) симп. «Адсорбция и хроматография макромолекул». М.: изд. ПАИМС, 1994, с. 142-145.

10.Суровишн Ю.В., Суровишн В.Ф. Сб. тез. докл. 3 Межд. конф. «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технологии», 13—14 октября 2004. М.: МГУ им. Ломоносова, с. 216—217.

11.Черныш И.Г., Карпов И.И., Приходько В.П., Шай В.М. Физико-химические свойства графита и его соединений. Киев: Наукова Думка. 1990. 200 с.

12.Фиалков А.С. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе. М.: Аспект Пресс. 1997. 718 с.

13.Назаров A.C., Лисица В.В., Яковлев И.И. Исследование окисления графита растворами хлората натрия в безводной азотной кислоте. // Журнал Неорганической химии. 1976. Т.21. Вып. 10. 2847-2849.
14.Сорокина H.E., Максимова H.B., Авдеев B.B. Интеркалирование графита в тройных системах C-HN03-R, где R=H 20, СН3СООН, H 2 S0 4 . // Неорган. Мат. 2002. Т.38. №6. 687-694.

15.Школьников Е.И, Волков В.В. Докл. АН, 2001, т. 378, № 4, с. 507-511.

16.Школьников Е.И., Родионова И.А., Солдатов А.П. и др. Ж. физ. химии, 2004, т. 78, № 5, с. 943-947.

17.Abrams L., Cicha W.V., Manzer Т.Е., Subramoney S. A New Catalyst for Oнd Process, Driven by Environmental Issues. Elsevier, 2000, p. 455-460.

18.Moulder J.F., Stickle W.F., SobolР.Е., Bomben K.D. In: Handbook of X-ray photoelectron spectroscopy, Physical electronics, Eden prairie MN. Ed. J. Chastain. 1992, 439 p.

ЗАВАНТАЖИТИ

Для скачування файлів необхідно або Зареєструватись

Курсова (62.7 KiB, Завантажень: 4)

завантаження...
WordPress: 23.09MB | MySQL:26 | 0,348sec