Мониторинг водных объектов, содержащих вещества в наносостоянии, с помощью электрохимических методов

С бурным развитие наноиндустрии появляются новые данные о свойствах веществ, находящихся в наносостоянии и их влиянии на организм человека и экосистемы. Работа посвящена совершенствованию электрохимических методов и приборов контроля свойств нановеществ, а также разработке методики определения концентрации наночастиц в водных растворах.

Введение…………………………………………………………………………………………….. 15
1 Применение электрохимических методов для определения количества и
размера наночастиц ……………………………………………………………………………………… 17
1.1 Метод «Нано-воздействия» ……………………………………………………….. 17
1.2 Инверсионная вольтамперометрия …………………………………………….. 19
2. Применение электрохимических методов для экологического
мониторинга частиц в наностоянии ……………………………………………………………… 22
3 Теоретические основы метода хроноамперометрии ………………………….. 24
3.1 Хроноамперометрия, основанная на скачкообразном изменении
потенциала от заданного уровня ………………………………………………………………. 24
3.2 Уравнение Коттрелла …………………………………………………………….. 26
4. Разработка макета фемптоамперметра для контроля количества и
размера наночастиц ……………………………………………………………………………………… 27
4.1 Трехэлектродная ячейка …………………………………………………………….. 27
4.2. Конструкция рабочего электрода ………………………………………………. 28
4.3. Конструкция электрода сравнения …………………………………………….. 29
4.4 Схема потенциостата с фемтоамперметром………………………………… 30
5 Методика определения концентрация наночастиц в растворе …………… 34
6 Апробация разработанной конструкции потенциостата ……………………. 36
6.1 Получение хронопикоамперограмм с буферным раствором
гексацианоферрата калия …………………………………………………………………………. 36
6.2. Приготовление модельного раствора наночастиц серебра …………. 37
6.3 Получение хронопикоамперограмм при добавлении в раствор
наночастиц серебра ………………………………………………………………………………….. 38
7 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение
……………………………………………………………………………………………………………………. 40
7.1 Предпроектный анализ ………………………………………………………………. 40
7.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования ………. 40
7.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения………………………………………… 40
7.1.3 Оценка готовности проекта к коммерциализации ………………… 42
7.1.4 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования………………………………………………………………………………………… 44
7.2 Инициация проекта ……………………………………………………………………. 44
7.2.1 Цели и задачи проекта …………………………………………………………. 45
7.2.2 Организационная структура проекта ……………………………………. 46
7.2.3 Ограничения и допущения проекта ……………………………………… 46
7.3 Планирование научно-исследовательских работ ………………………… 47
7.3.1 Определение трудоемкости выполнения работ …………………….. 48
7.3.2 Разработка графика проведения научного исследования ………. 49
7.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) ……………………. 53
7.4.1 Расчет материальных затрат НТИ ………………………………………… 53
7.4.2 Расчет затрат на специальное оборудование для научных
(экспериментальных) работ ………………………………………………………………….. 54
7.4.3 Основная заработная плата исполнителей темы …………………… 55
7.4.4 Дополнительная заработная плата исполнителей темы ………… 57
7.4.5 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления)58
7.4.6 Накладные расходы …………………………………………………………….. 59
7.4.7 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского
проекта…………………………………………………………………………………………………. 59
7.5 Оценка сравнительной эффективности исследования ……………… 60
Вывод …………………………………………………………………………………………. 63
8 Социальная ответственность ……………………………………………………………. 64
Введение…………………………………………………………………………………………. 64
8.1 Правовые и организационные вопросы проведения ……………………. 65
8.1.1 Специальные (характерные для проектируемой рабочей зоны)
правовые нормы трудового законодательства ……………………………………….. 65
8.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
…………………………………………………………………………………………………………….. 65
8.2 Производственная безопасность ………………………………………………… 66
8.2.1 Электробезопасность …………………………………………………………… 67
8.2.2 Освещение рабочей зоны …………………………………………………….. 69
8.2.3 Показатели микроклимата …………………………………………………… 71
8.2.4 Химические опасные и вредные производственные факторы .. 71
8.3 Обоснование мероприятий по защите исследователя от действия
опасных и вредных факторов……………………………………………………………………. 73
8.3.1 Снижение воздействия опасных химических веществ ………….. 73
8.4 Экологическая безопасность ……………………………………………………… 75
8.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………… 77
8.5.1 Анализ вероятных чс, которые может инициировать объект
исследований и обоснование мероприятий по предотвращению ЧС ………. 77
8.5.2 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть при
проведении исследований и обоснование мероприятий по предотвращению
ЧС ………………………………………………………………………………………………………… 78
Вывод …………………………………………………………………………………………. 80
Заключение ………………………………………………………………………………………… 81
Список литературы …………………………………………………………………………….. 82
Приложение А ……………………………………………………………………………………. 85

В ходе выполнения представленной работы были изучены методы
определения размера и количества наночастиц в водной растворе, а также
методы экологического мониторинга частиц в наносостоянии в водных средах.
Представлена усовершенствованная трехэлектродная ячейка
потенциостата, конструкция которой позволяет полностью экранировать
фемтоамперметр, исследуемый раствор и электроды от внешних источников
помех, что позволило повысить чувствительность и точность измерений
прибора.
В ходе проведения апробации разработанного прибора были проведены
эксперименты с использованием буферного раствора цитрата натрия с
добавлением наночастиц серебра. Получены данные хронопикоамперограмм,
согласно которым потенциостат показал достаточно низкий уровень шума
около 0,82 пА. На хронопикоамперограмме наблюдались скачки токи от 30 до
100 пА, что свидетельствует о попадании наночастиц на электрод.
Разработана и предложена методика определения концентрации
наночастиц в водной среде, которая учитывает все особенно протекания
электрохимических процессов между рабочим электродом и исследуемыми
наночастицами.
По результатам проведенных исследований можно утверждать, что
предложенная конструкция соответствует требованиям для проведения
экспериментов по определению размеров и концентрации наночастиц в водных
растворах.

1. N.V. Rees, Y.G. Zhou, R.G. Compton, Making contact: charge transfer
during particle-electrode collisions // RSC. – 2012. – №2. – P. 379–384.
2. Wei Cheng, Richard G. Compton, Electrochemical detection of
nanoparticles by ‘nano-impact’ methods // Trends in analytical chemistry. –2014. –
№58. – P.79–89.
3. Christopher Batchelor-McAuley, Joanna Ellison, Kristina Tschulik,
Philip L. Hurst, Regine Boldt and Richard G. Compton In situ nanoparticle sizing
with zeptomole sensitivity // Analyst. – 2015. – №140. – P. 5048–5054.
4. Серебренникова, Н. В. Вольтамперометрия: учеб. пособие. –
Кемерово: Кузбассвузиздат, 2007. – 81 с.
5. Бонд, А. М. Полярографические методы в аналитической химии:
пер. с англ. / А. М. Бонд. — М.: Химия, 1983. — 328 с.