Вісник НТУУ “КПІ імені Ігоря Сікорського”. Серія: Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження

Вплив очеретяної наноцелюлози на показники якості паперу-основи для шпалер

Валерій Анатолійович Барбаш — 2024-03-29

Стаття присвячена процесу вилучення целюлози із стебел очерету екологічно безпечним органосольвентним способом делігніфікації, одержанню з неї наноцелюлози кислотним гідролізом і дослідженню впливу наноцелюлози на показники якості паперу-основи для шпалер. Термохімічна обробка стебел очерету проведена у дві стадії – лужна екстракція та органосольвентне варіння, що дозволяє отримати целюлозу, придатну для одержання наноцелюлози. В результаті процесу гідролізу органосольвентної целюлози екстраговано стабільну у часі суспензію наноцелюлози із частинками діаметром 5-25 нм, із щільністю до 1,52 г/см³, прозорістю до 81,6 %, міцністю на розрив до 65 МПа. Показано, що використання наноцелюлози з витратою до 1 % від маси паперу призводить до суттєвого покращення фізико-механічних показників якості паперу-основи для шпалер. Встановлено, що заміна 50% синтетичної хімічної допоміжної речовини алкіл кетен димеру на наноцелюлозу або додатковим нанесенням наноцелюлози з витратою 0,5 г/м² на поверхню відливки з 0,7 % алкіл кетен димером дозволяє отримати папір, який задовольняє вимогам стандарту.

Екологічно безпечна технологія переробки відходів гальванічного виробництва

Сергій Дмитрович Довголап — 2024-03-29

Вступ. Відомо, що відходи гальванічного виробництва важко піддаються очищенню існуючими реагентними методами до норм ГДК. До того ж утворені осади містять малорозчинні гідроксосполуки важких металів та гіпс, що робить неможливим утилізацію залізо- та мідьвмісних гальваношламів. Метою дослідження було вивчення можливості іонообмінного роздільного і сумісного вилучення іонів заліза й міді з кислих розчинів травлення та міднення гальванічного виробництва для отримання феритів.

Матеріали та методи. В ході досліджень в якості катіоніту обрано сильнокислотну катіонообмінну смолу Dowex HCR S/S в Н⁺-формі. Обґрунтовано вибір сильнокислотного катіоніту що базується на тому, що катіоніти цього типу здатні легко втрачати гідроген-іони за рахунок витіснення їх з матриці катіоніту іншими катіонами розчину. Процеси сорбції іонів заліза (ІІ) та міді (ІІ) проведено в динамічних умовах. При дослідженні використовувались індивідуально та в суміші розчини заліза з концентрацією по іонах Fe²⁺ 1; 5 г/дм³ та розчини міді з концентрацією 0,8; 1 г/дм³по іонах Cu²⁺. Концентрація сірчаної кислоти змінювалась в діапазоні від 0 до 13 г/дм³.

Результати та обговорення. В ході експериментальних досліджень показано, що зі збільшенням концентрації сірчаної кислоти повна обмінна динамічна ємність катіоніту суттєво зменшується як при сорбції іонів заліза, так при сорбції іонів міді. Для залізовмісних розчинів ПОДЄ знижується з 1,39 г-екв/дм³ за відсутності в початковому розчині H₂SO₄ та зменшується до 0,3–0,46 г-екв/дм³при концентрації сірчаної кислоти на рівні 1–3 г/дм³. Збільшення концентрації іонів заліза (ІІ) приводить до суттєвого збільшення ПОДЄ, навіть при концентрації сірчаної кислоти 8–13 г/дм³ ПОДЄ була на рівні 1,35 г-екв/дм³, що відповідає рівню сорбції розведених розчинів навіть при відсутності кислоти. Проте по сукупній концентрації видно, що ефективність сорбції металів з кислих розчинів залишається досить високою і зростає з підвищенням початкового сумарного вмісту сорбованих іонів. Основним показником, на який орієнтуються при виборі іонообмінного методу, є можливість ефективної регенерації катіонообмінного матеріалу. При використанні 5 % - го розчину сірчаної кислоти вже при питомій витраті регенераційного розчину вдалося досягти ступеню регенерації на рівні 95–98 %, а при використанні 10 %-го розчину ступінь регенерації сягала 100 %. Згідно розробленої технологічної схеми регенераційні розчини переробляються шляхом осадження в магнетити у реакторі-феритизаторі. Для видалення іонів заліза з концентрованих залізовмісних регенераційних розчинів феритним методом з метою отримання феритних частинок (магнетиту) з максимальними магнітними властивостями використано суміш сульфатів Fe (II) та Fe (IIІ) при співвідношенні їх концентрацій К = [Fe²⁺]/[Fe³⁺] = 0,5, так як відмічено стійкий зв'язок між магнітними властивостями та об'ємом осаду. При максимальних магнітних властивостях об'єм осаду мінімальний, і навпаки. Отримання магнітних частинок високої дисперсності із суміші сульфатів двох- та тривалентного заліза шляхом осадження їх 10 %‑м розчином NaOH при нагріванні дозволяє значно скоротити тривалість процесу, спростити його та збільшити продуктивність обладнання. Для отримання магнітних частинок феритів міді з регенераційних розчинів осадженням лугом при нормальних температурах повинна підтримуватися співвідношення концентрацій K₁= [Fe²⁺] / [Cu²⁺] = 3,15–7,76. При збільшенні концентрації іонів Cu²⁺ спостерігається збільшення терміну кристалізації отримуваних осадів і набування ними магнітних властивостей. Утворений феритний матеріал може використовуватись в екологічних цілях в якості цінної сировини для каталізаторів знешкодження монооксиду вуглецю, в складі лужного цементу для бетонних виробів або направлятись на безпечне захоронення. Після завершення процесів отримання феритного матеріалу очищена вода зливається в каналізацію або використовується повторно в технологічному процесі нанесення гальванічного покриття.

Висновки. Отримані результати по застосуванню іонообмінного вилучення іонів заліза і міді з кислих розчинів гальванічного виробництва є доцільними, як перший етап комплексної екологічно безпечної переробки гальваностоків з одержанням феритних матеріалів промислового використання.

Використання модифікованого феритами керамоволокна для очищення димових газів печей графітування

Олена Іванівна Іваненко — 2024-03-29

Вступ. Проведення хімічних реакцій у пічному обладнанні металургійного та електротермічного виробництва, як правило, призводять до утворення газів, що містять різні токсичні домішки, у тому числі – монооксид вуглецю, знешкодження якого є важливим екологічним завданням. Одним з ефективних напрямків в області очищення промислових газових викидів від токсичного монооксиду вуглецю є застосування каталітичних технологій за рахунок використання композицій на основі перехідних металів, особливо феритних матеріалів.

Матеріали та методи. Дослідження процесу окислення СО проводили на установці проточного типу зі стаціонарною вагою каталізатора. Каталітичну очистку газової суміші від СО досліджували в інтервалі 50–450 °С. Концентрацію монооксиду вуглецю в початковій газовій суміші на вході в реактор варіювали в діапазоні 1–2 об. %. За необхідності в якості інертного газу використовували гелій. В якості скловолокнистого носія каталітичних систем окислення газових викидів, що містять СО, застосовували керамоволокно. Феритні каталізатори були нанесені на керамоволокно методом просочування з сульфатних розчинів заліза, міді та біхромату калію.

Результати та обговорення. Газоподібні викиди промислових підприємств внаслідок здійснення ними господарської діяльності несприятливо впливають на екологічну ситуацію, і навіть погіршують санітарно-гігієнічні умови праці персоналу. Як показують розрахунки, сумарна кількість річного викиду СО в Україні складає 704 344,218 т/рік, що у відсотковому відношенні становить 31,42 % від кількості загальних викидів забруднюючих речовин і парникових газів окрім діоксиду вуглецю – 2 242 020,75 т/рік. Потрапляння значних кількостей отруйного СО в атмосферу становить серйозну проблему, котра повинна вирішуватися на рівні промислових виробництв. Останнім часом широку популярність набувають системи знешкодження токсичних газів, що включають скловолокнисті каталізатори. З температурних залежностей конверсії монооксиду вуглецю з концентрацією 1–2 % на феритних каталізаторах на керамоволокнистому носії видно, що 100 %-ва конверсія монооксиду вуглецю не досягається навіть за температури 450 ºС. У разі використання суміші магнетиту та фериту міді ступінь перетворення СО складала 97 % за температури вище 300 ºС та стабільно забезпечувала знешкодження СО до досягнення ступеня конверсії 98 % за температури 450 ºС. За температури 450 ºС за використання фериту хрому забезпечувався найвищий ступінь конверсії 99 %, проте вказаний хром-феритний каталізатор за температури 400 ºС забезпечував дещо нижчу ефективність окиснення, тобто вказаний каталізатор має менші переваги для застосування при коливаннях температури газів в промислових умовах. При застосуванні окремо магнетиту та фериту міді ступінь конверсії СО становила 40 % та 75 % відповідно. Отже, проведені дослідження показали, що використання модифікованого феритами керамоволокна може бути ефективно застосовано для очищення димових газів печей графітування електродів, зокрема знешкодження токсичного монооксиду вуглецю. Отримання модифікованого феритним матеріалом керамоволокна не вимагає значних капіталовкладень, так як засновано на використанні рідких відходів травлення, міднення та хромування гальванічного виробництва. Укладення керамоволокна поверх теплової ізоляції печей графітування електродного виробництва до того ж знизить надходження в пористий простір пересипки кисню повітря та зменшить утворення монооксиду вуглецю, що буде сприяти поліпшенню екологічної ситуації на електродному виробництві.

Висновки. Отримані результати по застосуванню модифікованого феритним матеріалом керамоволокна як каталізатора для знешкодження монооксиду вуглецю є високоефективним та доступним заходом зниження техногенного навантаження електродного виробництва на довкілля.

Рентгеноструктурне дослідження мембран на основі Na-КМЦ та ХТЗ-Cl для очищення води

Валерій Леонідович Демченко — 2024-03-29

З року в рік рівень забруднення довкілля зростає. Вирішення цієї проблеми потребує розробки та застосування нових ефективних технологій та матеріалів для очищення стічних вод та переробки накопичених відходів. Одним з альтернативних напрямків є мембранні технології, зокрема, розроблення біорозкладаних нанокомпозитних мембран, які можуть бути використані в різноманітних сферах.

Для створення цих мембран використовували аніонний поліелектроліт – Na-карбоксиметилцелюлози з молекулярною масою M_w близько 90 000 та катіонний поліелектроліт – хітозан низької молекулярної маси. Протонування аміногруп хітозану виконували шляхом додавання хлористоводневої кислоти до його 5 %-го водного розчину до повного розчинення (рН = 6,8). Полімерні мембрани формували шляхом змішування водних розчинів гідрохлориду хітозану і Na-карбоксиметилцелюлози у різних співвідношеннях.

Аналіз рентгенівських дифрактограм поліелектролітних комплексів показав, що при поступовому зростанні вмісту катіонного поліелектроліту від 5 % до 17 % структура поліелектролітних комплексів різко змінюється. Тоді як, дифрактограми поліелектролітних комплексів із вмістом хітозану від 29 % до 84 % є подібними.

Перевірку ефективності отриманих мембран було проведено на барометричній установці при різних тисках. Встановлено, що найбільш продуктивними виявилися мембрани на основі поліелектролітних комплексів із стехіометричним співвідношенням аніонного та катіонного поліелектролітів.

Ступінь очищення води перевіряли за показниками селективності по кольоровості. Отримані результати дозволяють зробити висновок, що при збільшенні тривалості очищення селективність зростає. Це може пояснюватися тим, що при тривалому очищенні забиваються пори мембрани і її пропускна здатність падає, при цьому ефективність очищення зростає.

Реалізація систем контролю якості продукції на основі машинного зору та web-технологій

Дмитро Олександрович Ковалюк — 2024-03-29

Технології комп’ютерного зору отримали широке застосування в різних галузях, зокрема в медицині, виробництві, транспорті, логістиці, сільському господарстві. В статті наведено загальну схему контролю якості продукції на основі комп’ютерного зору. Як приклад розглянуто задачу виявлення дефектів друкованих плат та проаналізовано стек технологій для її розв’язання. Розпізнавання дефектів базується на індексі структурної подібності SSIM, що обчислює різницю між зображеннями еталонної і поточної плати. Незважаючи на значний прогрес у галузі машинного зору, залишається багато невирішених питань щодо якості та розмірності вхідних даних, вибору моделей, точності результатів. Інтеграція елементів систем машинного зору для обміну інформацією та прийняття рішень також становить значну проблему, тому у статті представлено один із підходів до її розв’язання. Запропоновано програмну реалізацію для виявлення дефектів у вигляді веб-додатку. Архітектура системи складається з клієнтської та серверної частини. Клієнтська частина реалізована з використанням Vue.js, на стороні сервера використано Flask фреймворк, що полегшує інтеграцію з існуючими Python-бібліотеками.

Порівняння ефективності сучасних регуляторів у системі керування розпилювальною сушаркою

Олексій Володимирович Ситников — 2024-03-29

Процес розпилювального сушіння є одним із найбільш широко використовуваних подібних процесів, який знаходить застосування у хімічній, фармацевтичній та харчовій та інших галузях промисловості. Основною метою такого процесу є видалення води з готового продукту у випадках, коли готовий продукт виробляється у вигляді розчину. При цьому готовий продукт перетворюється на сипучий порошкоподібний матеріал, який значно краще придатний до транспортування та зберігання.

Очевидно, що процес розпилювального сушіння розчинених матеріалів потребує значної кількості теплової енергії. Переважна частина такої енергії спрямовується на нагрівання розчину готового продукту та на випаровування води з розчину. Іншою задачею практичної реалізації процесу розпиленого сушіння, як і в будь-якому подібному процесі, є проблема можливого пересушування матеріалу. Тому задача якісного керування процесом розпилювального сушіння залишається актуальною.

Традиційно розпилювальні сушарки працюють за допомогою систем керування з пропорційними та пропорційно-інтегральними регуляторами. Обидві зазначені системи керування засновані на фіксованій стратегії: один вхід – один вихід. У цій роботі ми хотіли б представити теоретичні результати досліджень систем керування розпилювальними сушарками з використанням сучасних регуляторів. Застосування таких регуляторів, на нашу думку, повинно істотно покращити техніко-економічні характеристики процесу сушіння. У роботі використано широко-відомий у теорії керування динамічними об'єктами модельно-прогностичний регулятор (МРС) та нечіткий регулятор на основі лінгвістичних змінних. Вибір регуляторів обумовлений як їх популярністю, так і високими показниками якості керування, які наведені в опублікованих наукових працях. Дослідження проводили на основі моделей процесу розпилювальної сушки, які були отримані в попередній роботі авторів.

Огляд попередніх публікацій включає аналіз дванадцяти джерел, п’ять з яких присвячені застосування різних стратегій керування процесом розпилювального сушіння та чотири – порівнянню ефективності використання МРС регулятора та нечіткого регулятора для керування процесами різних галузей. За результатами огляду показана доцільність порівняння результатів робота зазначених регуляторів для досліджуваного процесу.

У дослідженні використовувався програмний пакет MatLab Simulink для моделювання систем управління. Сам технологічний об’єкт моделюється за допомогою його передавальних функцій, які одержані у попередній роботі авторів. Модель доповнено початковими умовами – початковим значенням вологості. MPC-регулятор моделюється відповідним блоком, необхідне значення вологості на виході з апарату задається блоком констант. Для моделювання системи керування розпилювальною сушаркою з використанням нечіткого регулятора задані лінгвістичні змінні та проведено їх фазифікацію. Для контролюючої та контрольованих змінних – температури сушильного агенту та вологості одержаного матеріалу – запропоновано універсуми і три терміни: {низький; нормальний; високий}. Сформульовані нечіткі правила роботи регулятора.

Результати досліджень показали, що використання МПС-контролера в системі керування розпилювальною сушаркою дозволяє скоротити час перехідних процесів. Однак у випадку нечіткого регулятора система керування частково нівелює похибку математичної моделі.

Зносостійкість деталей екструдера при виробництві полімерних наномодифікованих виробів

Олександр Володимирович Гондлях — 2024-03-29

Екструзійне обладнання широко використовуються у виробництві полімерних матеріалів. Одним з актуальних питань яке виникає при дослідженні процесів отримання полімерних виробів методом екструзії є питання вивчення абразивного зносу від якого може залежить ефективність роботи обладнання, тривалість та надійність його роботи. В контексті абразивного зносу, процес, який потребує уваги - це екструзія полімерних матеріалів з вуглецевими нанотрубками. Метою даної роботи є розробка чисельної методики визначення еволюції абразивного зносу матеріалу обладнання робочої зони екструдера в процесі переробки наномодифікованих полімерних гранул та визначення терміну життєвого циклу експлуатації цього обладнання з метою підвищення параметрів їх довговічності. Конкретні цілі дослідження включають: 1) визначення впливу вмісту ВНТ у ПВХ на швидкість зносу сталевої поверхні екструдера; 2) аналіз залежності між тертям і вмістом ВНТ у полімерному композиті; 3) встановлення оптимальних умов екструзії для мінімізації абразивного зносу сталевої поверхні; 4) порівняння результатів моделювання з експериментальними даними для перевірки достовірності моделі. Робота спрямована на розуміння процесів, які відбуваються під час екструзії нанокомпозитів та їх вплив на зносостійкість матеріалів обладнання, що може сприяти вдосконаленню технологічних процесів та забезпеченню більш тривалої та ефективної роботи екструдерів у виробничих умовах.

Розрахунок модулю пружності сталей під час розтягу

Ігор Анатолійович Андреєв — 2024-03-29

Раціональне використання ресурсів при проєктуванні посудин та апаратів та забезпечення зростаючих потреб у них потребує виконання розрахунків на міцність і стійкість, які потребують застосування відповідних значень модулю пружності під час розтягу Е. Метою статті є удосконалення визначення модулю пружності сталей під час розтягу, величина якого нормується чинними в Україні нормативними документами. На основі стандартних таблиць побудовано і проаналізовано точкові графіки зміни модулю пружності вуглецевих, низьколегованих, теплотривких, корозійностійких хромистих, жароміцних і жаростійких аустенітні сталей і сплавів на залізонікелевій основі під час розтягу Е залежно від температури t. Запропоновано апроксимувати ці залежності нескладними математичними рівняннями. Отримані формули дозволяють при виконанні розрахунків відмовитись від використання стандартних таблиць, додаткової інтерполяції проміжних значень модулей пружності сталей під час розтягу Е, що в свої чергу спрощує як сам розрахунок, так і розробку відповідних комп’ютерних програм. Середнє значення похибок виконаних апроксимацій при цьому знаходиться в діапазоні від 0 % до 0,218 %, шо свідчить про високий рівень збігу рівнянь регресії з фактичними величинами.