Изучение структурных характеристик и кинетики трековыхrnполимерных и ионообменных мембран для электро-мембранного разделения ионов металлов

Объектом исследования является возможность разделения ионов металлов с помощью трековых мембран при приложении электрического поля. В результате работы были произведены трековые мембраны, облученные альфа-частицами с энергией 28 МэВ. Поры различного диаметра создавались химическим травлением. Произведены эксперименты по электролизу растворов солей щелочных металлов с использованием трековых мембран.

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………… 13

1 Литературный обзор ……………………………………………………………………………… 16

1.1 Мембранные технологии …………………………………………………………………. 16

1.2 Радиационное воздействие на полимеры и образование
латентных треков……………………………………………………………………………………… 17

1.3 Обзор методов получения ассиметричных трековых мембран……………… 21

1.4 Одностороннее травление облученной пленки…………………………………….. 21

1.5 Модель химического травления трековых мембран. ……………………………. 23

1.6 Электролиз …………………………………………………………………………………………. 25

1.7 Ионообменные мембраны …………………………………………………………………… 28

2 Оборудование ……………………………………………………………………………………….. 30

2.1 Получение треков на полиэтилентерефталатной пленки с использованием
циклотрона типа Р-7М ……………………………………………………………………………… 30

2.2 Циклотрон Р-7М НЛ РВТ, ТПУ …………………………………………………………… 30

2.4 Прибор для измерения краевого угла DSA20 ………………………………………. 32

2.5 Сканирующий электронный микроскоп и атомно-силовой микроскоп … 32

2.6 Источник питания Б5-49……………………………………………………………………… 33

3 Экспериментальная часть ………………………………………………………………………. 35

3.1 Облучение ускоренными ионами на циклотроне Р-7М ………………………… 35

3.2 Расчет пробегов и потерь энергии ионов в ПЭТФ ……………………………….. 36

3.3 Расчет поглощенной дозы при облучении альфа-частицами ………………… 37

3.4 Сенсибилизация и травление латентных треков в облученных образцов
ПЭТФ ………………………………………………………………………………………………………. 39

3.5 Исследования характеристики сформированных ТМ …………………………… 40
3.6 Проведение экспериментов по разделению с использованием
экспериментальных образцов. ………………………………………………………………….. 45

3.7 Исследование возможности Разделение лантаноидов с использованием
трековых мембран. …………………………………………………………………………………… 55

3.8 Определение возможности разделения ионов в растворе полярного
диэлектрика с использованием ионообменной мембраны. ………………………… 59

4 Финансовый менеджмент, ресурсоэфективность и ресурсосбережение ….. 60

4.1 Предпроектный анализ ……………………………………………………………………….. 61

4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования …………………… 61

4.1.2 SWOT-анализ …………………………………………………………………………………… 62

4.2 Планирование управления научно-техническим проектом…………………… 67

4.2.1 Иерархическая структура работ проекта …………………………………………… 67

4.2.2 План проекта ……………………………………………………………………………………. 68

4.2.3 Бюджет научно-технического исследования …………………………………….. 70

4.2.3.1 Расчет материальных затрат НТИ ………………………………………………….. 71

4.2.3.2 Основная заработная плата ……………………………………………………………. 73

4.2.3.3 Дополнительная заработная плата научно-производственного персонала
………………………………………………………………………………………………………………… 75

4.2.3.4 Отчисления во внебюджетные фонды ……………………………………………. 75

4.2.3.6 Накладные расходы……………………………………………………………………….. 76

4.3 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта …… 76

4.4 Реестр рисков проекта ………………………………………………………………………… 77

5 Социальная ответственность………………………………………………………………….. 79

5.1 Анализ вредных и опасных факторов, создаваемые объектом исследования
………………………………………………………………………………………………………………… 79
5.2 Обоснование мероприятий по защите исследователя от действия вредных
факторов ………………………………………………………………………………………………….. 81

5.2.1 Организационные мероприятия………………………………………………………… 81

5.2.2 Технические мероприятия ………………………………………………………………… 81

5.2.3 Условия безопасной работы ……………………………………………………………… 84

5.3 Химическая безопасность …………………………………………………………………… 85

5.4 Радиационная безопасность ………………………………………………………………… 87

5.5 Электробезопасность ………………………………………………………………………….. 91

5.6 Пожарная и взрывная безопасность …………………………………………………….. 93

ВЫВОДЫ ………………………………………………………………………………………………… 95

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………….. 96

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………………………………. 97

Приложение А ……………………………………………………………………………………….. 101

В ходе работы была получена трековая мембрана, облученная альфа-
частицами с нанометровыми (50-2000) порами.
Высокая степень ионизация альфа частиц позволяет получать высокие
плотности пор в ТМ 1013 пор/см2. Толщина пленки может быть увеличена более
100 мкм если в процессе очистки растворов необходимо воздействие на
мембрану высокого давления. Было выявлено, что создания нанометровых пор
возможно увеличить дозу облучения для увеличения плотности пор. Данное
решение позволит увеличить скорость переноса ионов.
Представлены экспериментальные данные которые позволяют оценить
возможность разделения ионов металлов электро – мембранным методом.
Из приведенных данных следует, что возможно разделение ионов одного
заряда. При разделении ионов лютеция и иттербия через мембрану с порами от
5 до 50 нанометров может происходить торможение в переносе ионов. Скорее
всего это связанно с накоплением ионов в треках, вследствие чего
останавливается процесс разделения. Однако, при увеличении диаметра пор до
70 нм вольт–амперная характеристика мембраны в растворе соли лютеция не
имеет спада. Из этого можно сделать вывод что разделение лютеция и иттербия
возможно реализовать на данных трековых мембранах. Накопление ионов в
порах трековых мембран приведет к остановке процесса разделения. Устранение
полного заполнения пор, возможно реализовать переменным электрическим
полем.
Разработанные методики являются перспективными для актуальной
проблемы разделения ионов радионуклидов в растворах полярных
диэлектриков.

1.Apel P. Track etching technique in membrane technology //Radiation
Measurements. – 2001. – Т. 34. – №. 1. – С. 559-566.
2.Baker R. W. Membrane technology and applications //John Wiley & Sons,
Ltd. – 2004.
3.Ярославцев А. Б. Мембраны и мембранные технологии //М.:
Научный мир. – 2013. – С. 126-163.
4.Мчедлишвили Б.В., Березкин В.В., Олейников В.А. и др.//
Кристаллография, 2006. Т.51. № 25. С.169.
5.Гольданский В.И., Ланцбург Е.Я., Ямпольский П.А. // Письма в
ЖЭТФ. 1975. Т.21. №12. С. 365.
6.Каплан И.Г., Митерев А.М. // Химия высоких энергий. 1985. Т. 19. №
3. С. 208.
7.Fleischer R. L., Price P. B., Walker R. M. Nuclear tracks in solids:
principles and applications. – Univ of California Press, 1975.–С. 20.
8.Третьякова С. П. Диэлектрические детекторы и их использование в
экспериментальной ядерной физике //Физика элементарных частиц и атомного
ядра. – 1992. – Т. 23. – №. 2, – C. 366-384.
9.FEDERATION R. Joint ICTP-IAEA Workshop on Nuclear Reaction Data
for Advanced Reactor Technologies. – 2010.
10. Немец О.Ф. Справочник по ядерной физике / Немец O.Ф,
Ю.В. Гофман. Киев. «Наукова думка». – 1975. – С. 80.
11. Денисов С. П. Ионизационные потери энергии заряженных частиц
//Соросовский образовательный журнал. – 1999. – №. 11. – С. 90-96.
12. Взаимодействиетяжелыхзаряженныхчастицсвеществом
[электронныйресурс].–Режимдоступа:
http://nuclphys.sinp.msu.ru/partmat/pm01.htm.
13. Апель Павел Юрьевич. Треки ускоренных тяжелых ионов в
полимерах / Российская академия наук, институт физической химии. – Москва,
1998, – С. 5-150.
14. Вторичная ионизация [электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://nuclphys.sinp.msu.ru/ihem/ihem02.htm#2.5.
15. Cucinotta F. A. et al. Radial dose distributions in the delta-ray theory of
track structure //AIP Conference proceedings. – AIP, 1996. – Т. 362. – №. 1. – С. 245-
265.
16. Курахмедов,А.Е.//Асимметричные трековые мембраны, получаемые
методом двустороннего облучения на циклотроне дц-60. Мембраны и
мембранные технологии, 7(3)// 155–164
17. Apel P. Y., Pretzsch G. Investigation of the radial pore-etching rate in a
plastic track detector as a function of the local damage density around the ion path
//International Journal of Radiation Applications and Instrumentation. Part D. Nuclear
Tracks and Radiation Measurements. – 1986. – Т. 11. – №. 1-2. – С. 45-53.
18. Semenyuk A.V., Svergun D.I., Mogilevski L.Y., Berezkin V.V.,
Mchedlishvili B.V., Vasiliev A.B. Small angle X-ray scattering investigation of the
pore structure of nuclear filters // J. Appl. Cryst. – 1991. – V. 24. – P. 809–810
19. Митерев А. М. Теоретические представления о формировании и
эволюции треков заряженных частиц //Успехи физических наук. – 2002. – Т. 172.
– №. 10. – С. 1131-1164.
20. Краисц Л. И., НЛмитрисв С., Лпсль П. Л. О. Получение и свойства
полипропиленовых трековых мембран. – 1997. – С. 1-12.
21. Ярославцев А. Б. Мембраны и мембранные технологии //М.:
Научный мир. – 2013. – С. 126-163.
22. Bhagwat A. M. Solid State Nuclear Track Detection: Theory and
Applications. – 1993. – C. 12.
23. Тrack-etched membranes [электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://www.hahnemuehle.com/fileadmin/user_upload/bilder/filtration/pdf/FILTRAT
ION_Flyer_6seiter_TEM_Track_Etched_Membranes_EN.pdf.
24. Kravets L. I., Dmitriev S. N., Apel P. Y. Production and properties of
polypropylenetrackmembranes//CollectionofCzechoslovakchemical
communications. – 1997. – Т. 62. – №. 5. – С. 752-760.
25. Vater P. Production and applications of nuclear track microfilters
//International Journal of Radiation Applications and Instrumentation. Part D. Nuclear
Tracks and Radiation Measurements. – 1988. – Т. 15. – №. 1-4. – С. 743-749.
26. Komaki Y. et al. Heavy ion track microfilter of polyimide film //Polymer
communications. – 1989. – Т. 30. – №. 2. – С. 43-44.
27. Vilensky A. I. et al. Polyimide track membranes for ultrafiltration and
microfiltration //Polymer science. – 1994. – Т. 36. – №. 3. – С. 391-400.
28. Ильина С.И. Электромембранные процессы: учебное пособие./ С.И.
Ильина – М. РХТУ им. Менделеева, 2013. – 57с.
29. Г.Г. Каграманов. Диффузионные мембранные процессы: учебное
пособие././ – М. РХТУ им. Менделеева, 2009. – 73с.
30. Фам Тхи Ле На/ Сорбционные и хроматографические процессы.
2010. Т. 10. Вып. 2
31. ГОСТ 24234-80 Пленка полиэтилентерефталатная. Технические
условия. – С. 3.
32.Полиэтилентерефталат. [электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://ru.wikipedia.org/wiki/полиэтилентерефталат.
33.СканирующийэлектронныймикроскопHitachiTM-1000.
[электронныйресурс].–Режимдоступа:
https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/2017/05/09/Hitachi_TM1000_SE
M_USERMANUAL_v1.pdf.
34. Атомно-силовоймикроскопИнтегра-Терма-Прима(NT-MDT).
[электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ntmdt-si.ru/modular-
afm/prima
35. ГОСТ 12.0.003-74. Система стандартов безопасности труда. Опасные
и вредные производственные факторы. – Введ.1976.01.01. – М.: 1976, 34 с.
36. ГОСТ 12.1.007-76. Вредные вещества. Классификация и общие
требования безопасности. – Введ. 01.01.76.- М: 1976, 7 с.
37. ГОСТ12.1.019-2009/ССБТ.Электробезопасности.Общие
требования и номенклатура видов защиты. – Введ. 2011.01.01. – М.: 2011,
13 с.