Плазмохимический синтез диоксида циркония из водно-органических нитратных растворов

В магистерской диссертации рассмотрена возможность применения низкотемпературной плазмы для плазмохимического синтеза диоксида циркония из водно-органических нитратных растворов “нитрат цирконила-вода-ацетон”, имеющих высокую взаимную растворимость.
Были рассчитаны составы растворов и определены режимы, которые обеспечивают возможность плазмохимического синтеза оксида циркония в неравновесной воздушной плазме. Расчёты проведены при атмосферном давлении, в широком диапазоне температур (300–4000 К). В процессе экспериментальных исследований на высокочастотном факельном плазмотроне был осуществлен плазмохимический синтез нанопорошков диоксида циркония. Результаты анализов подтверждают возможность получения нанодисперсных порошков диоксида циркония.

РЕФЕРАТ ……………………………………………………………………………………………………. 10

Аннотация …………………………………………………………………………………………………… 11

Введение ……………………………………………………………………………………………………… 12

1 Обзор литературы ………………………………………………………………………………….. 14

1.1 Диоксид циркония: структура, свойства, области применения ……………… 14

1.1.1 Фазовая структура ……………………………………………………………………………. 14

1.1.2 Свойства диоксида циркония ……………………………………………………………. 16

1.1.3 Области применения ………………………………………………………………………… 17

1.2 Методы получения нанопорошков: достоинства и недостатки ……………… 19

1.2.1 Золь-гель метод ………………………………………………………………………………… 21

1.2.2 Химическое осаждение …………………………………………………………………….. 24

1.2.3 Механическое измельчение ………………………………………………………………. 26

1.2.4 Плазменный метод …………………………………………………………………………… 28

1.2.5 Лазерный метод ……………………………………………………………………………….. 33

1.3 Плазмохимический синтез диоксида циркония из водно-органических
нитратных растворов …………………………………………………………………………………… 36

2 Термодинамический расчет процесса плазмохимического синтеза
диоксида циркония ………………………………………………………………………………………. 39

2.1 Расчет показателей горючести и состава водно-органических нитратных
растворов …………………………………………………………………………………………………….. 39

2.2 Термодинамический расчет процесса плазмохимического синтеза
сложных оксидных композиций из растворов ВОНР ……………………………………. 41

3 Экспериментальная часть ………………………………………………………………………. 44

4 Анализ полученных результатов …………………………………………………………….. 46
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение … 51

5.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и
ресурсосбережения………………………………………………………………………………………. 51

5.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования ……………………. 51

5.1.2 Анализ конкурентных технических решений ……………………………………. 52

5.1.3 SWOT-анализ …………………………………………………………………………………… 53

5.2 Планирование научно-исследовательской работы ……………………………….. 57

5.2.1 Структура работ в рамках научного исследования…………………………….. 57

5.2.2 Определение трудоемкости выполнения НИР …………………………………… 58

5.2.3 Разработка графика проведения научного исследования …………………… 59

5.3 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) ……………………………… 60

5.3.1 Расчет материальных затрат ……………………………………………………………… 61

5.3.2 Основная заработная плата исполнителей темы ………………………………… 62

5.3.3 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) …………. 64

5.3.4 Накладные расходы ………………………………………………………………………….. 65

5.3.5 Контрагентные расходы ……………………………………………………………………. 65

5.3.6 Расчет затрат на специальное оборудование для научных
(экспериментальных) работ …………………………………………………………………………. 66

5.3.7 Расчет затрат на научные и производственные командировки …………… 67

5.3.8 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта …. 67

5.4 Организационная структура проекта ……………………………………………………. 68

5.5 Определение ресурсоэффективности исследования ……………………………… 69

6 Социальная ответственность ………………………………………………………………….. 72

6.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов …………………….. 73
6.2 Обоснование и разработка мероприятий по снижению уровней
опасного и вредного воздействия и устранению их влияния при работе на
ВЧФ-плазмотроне и ПЭВМ …………………………………………………………………………. 75

6.2.1 Организационные мероприятия ………………………………………………………… 75

6.2.2 Технические мероприятия ………………………………………………………………… 76

6.2.3 Условия безопасности работы…………………………………………………………… 78

6.3 Электробезопасность …………………………………………………………………………… 81

6.4 Пожарная и взрывная безопасность……………………………………………………… 84

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ …………………………………………………………………………… 89

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ……………………………………….. 93

ПРИЛОЖЕНИЕ А ……………………………………………………………………………………….. 96

ПРИЛОЖЕНИЕ Б ………………………………………………………………………………………. 109
РЕФЕРАТ

Выпускная квалификационная работа: 109 страниц, 19 рисунков, 19
таблиц, 30 источников, 2 приложения.
Ключевые слова: высокочастотный факельный разряд, плазма,
высокочастотный факельный плазмотрон, плазмохимический синтез,
диоксид циркония, нанопорошок.
Объектом исследования является процесс плазмохимического синтеза
наноразмерных порошков диоксида циркония.
Цель работы – исследование возможности получения наноразмерного
порошка диоксида циркония в плазме высокочастотного факельного разряда
из водно-органических нитратных растворов.
В процессе исследований проводились: расчет показателей горения и
различных по составу ВОНР, термодинамические расчеты процесса
плазмохимического синтеза диоксида циркония из ВОНР в воздушной
плазме, анализ полученных порошков.
В результате исследования: определены оптимальные составы ВОНР
и режимы, обеспечивающие их экологически безопасную и
энергоэффективную плазменную обработку. Впервые экспериментально
подтверждена возможность и эффективность процесса прямого
плазмохимического синтеза диоксида циркония из диспергированных ВОНР
в воздушно-плазменном потоке. В результате анализа показано, что
полученные порошки диоксида циркония относятся к классу
нанодисперсных.

Область применения: результаты проведенных теоретических и
экспериментальных исследований могут быть использованы для создания
энергоэффективной технологии плазмохимического синтеза нанодисперсных
порошков диоксида циркония.
Аннотация

В магистерской диссертации рассмотрена возможность применения
низкотемпературной плазмы для плазмохимического синтеза диоксида
циркония из водно-органических нитратных растворов «нитрат цирконила-
вода-ацетон», имеющих высокую взаимную растворимость.
Были рассчитаны составы растворов и определены режимы, которые
обеспечивают возможность плазмохимического синтеза диоксида циркония в
неравновесной воздушной плазме. Расчёты проведены при атмосферном
давлении, в широком диапазоне температур (300–4000 К). В качестве
теплоносителя выступал воздух. В процессе экспериментальных
исследований на высокочастотном факельном плазмотроне был осуществлен
плазмохимический синтез нанопорошков диоксида циркония из
диспергированных водно-органических нитратных растворов в плазменном
потоке. Полученные порошки подверглись ряду анализов (рентгенофазовый
анализ, сканирующая электронная и просвечивающая микроскопия, БЭТ-
анализ). Результаты анализов подтверждают возможность получения
нанодисперсных порошков диоксида циркония.

В результате проведенных расчетов определен оптимальный по
составу водно-органический нитратный раствор «нитрат цирконила-вода-
ацетон», имеющий низшую теплотворную способность ≈ 8,4 МДж/кг и
адиабатическую температуру горения не менее 1200 °C, а также условия
(массовое отношение фаз, температура), обеспечивающие плазмохимический
синтез диоксида циркония (ZrO2) в воздушной плазме.
В ходе экспериментальных исследований при рекомендованных
условиях проведена плазменная обработка диспергированной композиции в
воздушно-плазменном потоке и осуществлен плазмохимический синтез
порошков диоксида циркония.
Результаты анализов полученных порошков (сканирующая и
просвечивающая электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ, БЭТ-
анализ) подтверждают получение нанодисперсных порошков диоксида
циркония.
Результаты проведенных исследований могут быть использованы при
создании технологии и оборудования для плазмохимического синтеза в
воздушно-плазменном потоке нанодисперсных порошков диоксида
циркония, а также других простых и сложных оксидов металлов.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1 Novoselov I. Y. , Karengin A. G. , Shamanin I. V. , Alyukov E. S. ,
Gusev A. A. Plasmachemical synthesis of nanopowders of yttria and zirconia from
dispersed water-salt-organic mixtures // AIP Conference Proceedings. – 2018 – Vol.
1938, Article number 020010. – p. 1-7
2 Shamanin I. V. , Karengin A. G. , Novoselov I. Y. , Karengin A. A. ,
Alyukov E. S. , Poberezhnikov A. D. , Babaev R. G. , Mendoza Quiroz O. -.
Plasmachemical synthesis and evaluation of the thermal conductivity of metal-
oxide compounds for prospective nuclear fuel // Journal of Physics: Conference
Series. – 2019 – Vol. 1145, Article number 012057. – p. 1-7
3 Alyukov E. S. , Novoselov I. Y. , Poberezhnikov A. D. Simulation of
plasmachemical sinthesys of oxide and carbon-oxide compositions for dispersion
nuclear fuel // Изотопы: технологии, материалы и применение: сборник
тезисов докладов III Международной научной конференции молодых
ученых, аспирантов и студентов, Томск, 19-23 Сентября 2016. – Томск:
Графика, 2016 – C. 42
4 Alyukov E. S. , Novoselov I. Y. , Karengin A. G. Assessment of
capability for plasmachemical synthesic of oxide and carbon-oxide compositions
for dispersion nuclea fuel // VII школа-конференция молодых атомщиков
Сибири: сборник тезисов докладов, Северск, 19-21 Октября 2016. – Северск:
СТИ НИЯУ МИФИ, 2016 – C. 100
5 Alyukov E. S. , Novoselov I. Y. , Karengin A. G. Assessment of
capability for plasmachemical sinthesys of oxide and carbon-oxide compositions
for dispersion nuclear fuel // VII школа-конференция молодых атомщиков
Сибири: сборник тезисов докладов, Северск, 19-21 Октября 2016. – Северск:
СТИ НИЯУ МИФИ, 2016 – C. 100
6 Алюков Е. С. Методы рециркуляции урана в ядерно-топливном
цикле // Изотопы: технологии, материалы и применение: сборник тезисов
докладов II Международной научной конференции молодых ученых,
аспирантов и студентов, Томск, 19-23 Октября 2015. – Томск: Графика, 2015 –
C. 19
7 Каренгин А. Г. , Каренгин А. А. , Новоселов И. Ю. , Мендоса
Кирос О. -. , Алюков Е. С. , Бабаев Р. Г. Плазмохимический синтез и оценка
теплопроводности сложных оксидных композиций для перспективных типов
ядерного топлива // Известия вузов. Физика. – 2018 – Т. 61 – №. 12-2. – C. 36-
44
8 Алюков Е. С. , Новоселов И. Ю. Влияние органического
компонента в исходных растворах на процесс плазмохимического синтеза
наноразмерных порошков оксидов иттрия и циркония [Электронный ресурс]
// Ломоносов – 2018: материалы международного молодежного научного
форума, Москва, 9-13 Апреля 2018. – Москва: МАКС Пресс, 2018 – C. 1 – 1
электрон. опт. диск (DVD-ROM)
9 Алюков Е. С. , Новоселов И. Ю. Плазмохимический синтез
наноразмерных порошков оксидов иттрия и циркония из водных нитратных
растворов с добавлением органического компонента // Химия и химическая
технология в XXI веке: материалы XIX Международной научно-
практической конференции имени профессора Л.П. Кулёва студентов и
молодых ученых, Томск, 21-24 Мая 2018. – Томск: ТПУ, 2018 – C. 41-42
10 Алюков Е. С. Влияние органического компонента в исходных
растворах на процесс плазмохимического синтеза наноразмерных порошков
оксидов иттрия и циркония // Функциональные материалы: разработка,
исследование, применение: сборник тезисов V Всероссийского конкурса
научных докладов студентов, Томск, 22-23 Мая 2018. – Томск: ТПУ, 2018 – C.
19
11 Алюков Е. С. , Тундешев Н. В. Воздушно-плазменная
реконверсия гексафторида обедненного урана // Перспективы развития
фундаментальных наук: сборник трудов XV Международной конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых: в 7 т., Томск, 24-27 Апреля 2018. –
Томск: ТГУ, 2018 – Т. 1. Физика – C. 42-45
12 Алюков Е. С. , Новоселов И. Ю. , Каренгин А. Г. Оценка
возможности реконверсии гексафторида обедненного урана в воздушной
плазме // Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции с
международным участием. Институт физики, нанотехнологий и
телекоммуникаций, Санкт-Петербург, 19-24 Ноября 2018. – СПб: Политех-
Пресс, 2018 – C. 399-401
13 Алюков Е. С. , Каренгин А. А. Энергоэффективная плазменная
обработка отходов переработки ОЯТ // VIII школа-конференция молодых
атомщиков Сибири: сборник тезисов докладов, Томск, 17-19 Мая 2017. –
Томск: ТУСУР, 2017 – C. 125
14 Алюков Е. С. , Новоселов И. Ю. Синтез наноразмерных
порошков ZrO2 и Y2O3 в условиях воздушной плазмы ВЧФ-разряда // IX
Школа-конференция молодых атомщиков Сибири: сборник тезисов
докладов, Томск, 17-19 Октября 2018. – Томск: Дельтаплан, 2018 – C. 55
15 Головков Н. И. , Алюков Е. С. Исследование порошков оксидов
редких и рассеянных элементов, синтезированных в условиях воздушной
плазмы высокочастотного факельного разряда // Изотопы: технологии,
материалы и применение: сборник тезисов докладов V Международной
научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов , Томск, 19-
23 Ноября 2018. – Томск: Графика, 2018 – C. 54
16 Головков Н. И. , Алюков Е. С. Моделирование процесса
плазмохимического синтеза оксидных композиций «PuO2-UO2-BeO» //
Изотопы: технологии, материалы и применение: сборник тезисов докладов V
Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и
студентов , Томск, 19-23 Ноября 2018. – Томск: Графика, 2018 – C. 64
17 Алюков Е. С. , Новоселов И. Ю. Плазменный синтез оксидных
композиций для дисперсионного ядерного топлива // Перспективы развития
фундаментальных наук: сборник трудов XIV Международной конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 25-28 Апреля 2017. –
Томск: ТПУ, 2017 – Т. 1. Физика – C. 48-50
18 Алюков Е. С. Термодинамическое моделирование процесса
обработки замасленных железосодержащих шламов в условиях воздушной
плазмы // XVIII Всероссийская научно-практическая конференция молодых
ученых, аспирантов и студентов в г. Нерюнгри, с международным участием,
посвященная 25-летию со дня образования Технического института
(филиала) СВФУ: материалы (секции 1-3), Нерюнгри, 30 Марта-1 Апреля
2017. – Нерюнгри: Технический институт (ф) СВФУ, 2017 – C. 123-126
19 Алюков Е. С. , Новоселов И. Ю. Плазменная переработка шламов
с содержанием железа и масел // Экология и безопасность в техносфере:
современные проблемы и пути решения: сборник трудов Всероссийской
научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и
студентов, Юрга, 22-24 Ноября 2018. – Томск: ТПУ, 2018 – C. 25-28
20 Алюков Е. С. , Новоселов И. Ю. Сравнительный анализ
процессов плазмохимического синтеза наноразмерных порошков оксидов
иттрия и циркония из водных нитратных растворов и водно-органических
нитратных растворов // Перспективы развития фундаментальных наук:
сборник трудов XV Международной конференции студентов, аспирантов и
молодых ученых: в 7 т., Томск, 24-27 Апреля 2018. – Томск: ТГУ, 2018 – Т. 2.
Химия – C. 15-17
21 Алюков Е. С. Синтез нанодисперсных порошков оксидов иттрия
и циркония из диспергированных водно-солеорганических композиций в
воздушной плазме // Изотопы: технологии, материалы и применение:
сборник тезисов докладов IV Международной научной конференции
молодых ученых, аспирантов и студентов, Томск, 30 Октября-3 Ноября 2017.
– Томск: Графика, 2017 – C. 43
22 Новоселов И. Ю. , Каренгин А. Г. , Шаманин И. В. , Алюков Е. С.
Плазмохимический синтез нанодисперсных порошков оксидов иттрия и
циркония из диспергированных водно-солеорганических композиций //
Ползуновский вестник. – 2017 – Т. 1 – №. 3. – C. 142-148