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

Оптимізація процесу нанофільтрації: міні-огляд (англ.)

2026-03-29T22:52:09+03:00

Нанофільтрація широко використовується в системах очищення стічних вод і технологічних процесах, а сфера використання цієї технології постійно розширюється. Для забезпечення найбільш ефективної роботи необхідно забезпечити оптимальну роботу процесу, проте існує декілька різноманітних підходів до оптимізації нанофільтрації. Поточна робота є спробою систематизувати та узагальнити ці підходи на основі сучасних публікацій.

Першим і визначальним кроком в оптимізації є постановка задачі оптимізації та вибір критерію оптимальності. В більшості розглянутих досліджень використовувалися економічні критерії оптимальності, в першу чергу мінімізації вартості отримуваного продукту. Також в ряді робіт розглядався широкий спектр критеріїв оптимальності на основі технологічних параметрів. В той же час багатокритеріальна оптимізація використовувалася лише в окремих дослідженнях.

Цільова функція в більшості випадків розроблялася на основі механістичних моделей та статистичних методів. Найбільш використовувані механістичні моделі ґрунтувалися на розширеному рівнянні Нернста-Планка, моделей на основі дифузії та потоку в порах, а також методах обчислювальної гідродинаміки. Серед статистичних методів переважали методи планування експерименту, зокрема методологія поверхні відгуку та метод аналізу змінних. Варто відзначити, що в більшості робіт використовувалася квадратична функція відгуку. Також використовувалися методи на основі економічного аналізу та теорії автоматичного керування.

Для розв’язку задачі оптимізації в більшості відносно простих випадків використовувався метод мінімізації Понтрягіна. Для більш складних випадків використовувалися методи нелінійного програмування, а для випадку багатокритеріальної оптимізації – еволюційний алгоритм.

В більшості випадків оптимізацію систем нанофільтрації проводили для випадку використання процесу в системах очищення стічних вод окремих виробництв чи окремих шкідливих домішок. Також в значній кількості робіт розглядалися процеси підготовки питної води.

Загалом даний міні-огляд систематизує та узагальнює підходи до оптимізації процесу нанофільтрації та може бути використаний як підґрунтя для вибору стратегії оптимізації цього процесу при розробці нових установок та систем.

Дослідження видалення іонів важких металів модифікованим магнітним наносорбентом (укр.)

2026-03-29T23:03:36+03:00

Модифікація поверхні магнітних феритних сорбентів є перспективним підходом до підвищення ефективності вилучення іонів важких металів з водних систем. Метою роботи було отримання магнітоактивного сорбенту на основі магнетиту, модифікованого сполуками сульфідної сірки, та дослідження його сорбційних властивостей щодо іонів Cu²⁺.

Досліджували немодифікований та модифікований тіокарбамідом магнетит, синтезований методом співосадження солей Fe(II) і Fe(III) при pH 9,5–10. Сорбцію іонів Cu²⁺ вивчали у модельних розчинах у широкому діапазоні концентрацій і значень pH. Кінетику та рівноважні характеристики оцінювали за ізотермами сорбції, параметри яких визначали за моделлю Ленгмюра.

Показано, що модифікація магнетиту тіокарбамідом суттєво підвищує його сорбційну здатність щодо іонів міді. Мінімальні залишкові концентрації Cu²⁺ становили 26,8 мг/дм³ для немодифікованого магнетиту та 5,9 мг/дм³ для модифікованого зразка при початковій концентрації 100 мг/дм³, що відповідає питомій сорбції 1,22 і 2,94 ммоль-екв/г відповідно. Встановлено, що підвищення pH середовища сприяє зростанню ефективності сорбції внаслідок утворення внутрішньосферних поверхневих комплексів іонів Cu²⁺ з гідроксильними групами оксидів заліза. Для модифікованого магнетиту додатковим механізмом зв’язування іонів міді є хелатоутворення за участю атомів азоту та сірки тіокарбаміду. Встановлено, що свіжосинтезований модифікований магнетит не проявляє магнітних властивостей, однак після витримування протягом трьох діб відбувається структурне впорядкування матеріалу, що супроводжується формуванням магнітних властивостей і суттєвим зростанням граничної сорбційної ємності. Величини граничної питомої сорбції становили 63 мг/г для немодифікованого і 80 мг/г для модифікованого магнетиту. Експериментальні ізотерми описуються моделлю Ленгмюра, Дослідження впливу іонів Ca²⁺ показали, що сорбційні властивості модифікованого магнетиту залишаються практично незмінними навіть за восьмикратного надлишку іонів кальцію, тоді як для немодифікованого сорбенту спостерігається істотне зниження ступеня вилучення Cu²⁺.

Отриманий магнітоактивний сорбент на основі магнетиту, модифікованого тіокарбамідом, провляє підвищену питому ємкість та селективністю в присутності іонів Ca²⁺. Встановлено новий комбінований механізм сорбції Cu²⁺, що поєднує поверхневе комплексоутворення та хелатування, що забезпечує глибоке очищення водних розчинів в умовах присутності іонів лужноземельних металів.

Гіс-орієнтована оцінка стійкості теплових карт якості поверхневих вод до щільності мережі постів спостережень та часової несинхронності відборів проб (укр.)

2026-03-30T00:21:35+03:00

Розглянуто спроможність чинної мережі державного моніторингу поверхневих вод до відтворення просторово-часової неоднорідності гідрохімічних показників у межах київської ділянки басейну Дніпра за умов місячної періодичності, несинхронності дат відбору та пропусків даних у частині створів. Об’єктом дослідження є р. Дніпро та пригирлові ділянки приток у межах м. Київ. Метою є апробація відтворюваного ГІС-орієнтованого підходу стрес-тестування моніторингової мережі на основі порівняння сценаріїв її щільності та часової прив’язки вимірювань. Використано власні лабораторні визначення розчиненого кисню (метод Вінклера), сульфат-іонів (турбідиметрія) і хлорид-іонів (метод Мора) у 11 точках (8 офіційних та 3 проміжних) у дві дати (13.12.2025 і 25.01.2026) та зіставлено їх із найближчими у часі та просторі наявними офіційними даними Державного агентства водних ресурсів. Побудовано теплові карти та оцінено чутливість просторових висновків до виключення проміжних точок, пропусків у вузлових створах, часових зсувів між серіями. Показано, що несинхронний місячний відбір і розріджена мережа пунктів спостережень призводять до згладжування полів концентрацій розчинених речовин і потенційного пропуску локальних пікових концентрацій; найбільша мінливість показників встановлена для розчиненого кисню. Практично обґрунтовано пріоритизацію ущільнення постів спостережень і підвищення частоти відбору проб у зазначених вузлах річкової системи.

Порівняльне дослідження фунгіцидної активності катіонів Ce, La, Ag та нанокомпозитів на їх основі (англ.)

2026-03-30T00:39:31+03:00

На сьогоднішній день актуальною задачею наукової спільноти є розробка новітніх матеріалів, які характеризуються високою активністю при знешкодженні патогенних організмів: бактерій, грибів, вірусів тощо. В той час як бактерицидна, фунгіцидна і віруліцидна активність срібла відома вже впродовж сторіччя, біологічна активність наноматеріалів досліджується відносно нещодавно. В нашому дослідженні було проведено порівняльний аналіз активності катіонів церію, лантану та срібла, а також нанорозмірних оксидів та срібловмісних композитів на основі рідкісноземельних елементів (РЗЕ).
Синтез оксидів проводили хімічним методом осадження в слабколужному середовищі з додаванням допоміжних речовин, що забезпечують регулювання процесом зародкоутворення та росту частинок. Отримані осади підлягали термообробці за температур 400‑600 °С. Фізико-хімічну характеристику частинок проводили методами рентгенофазового аналізу (РФА), сканувальної електронної мікроскопії, енергодисперсійної спектроскопії, електрокінетичних досліджень. За даними РФА структури на основі діоксиду церію утворюють кристалічну решітку типу флюориту, а оксид лантану кристалізується в гексагональній сингонії. Срібло утворює металічні кластери на поверхні частинок діоксиду церію і нанокомпозиту на основі оксидів лантану і церію, що обумовлене окисно-відновною реакцією за рахунок окиснення церію (Ce³⁺ / Ce⁴⁺) і відновлення срібла (Ag⁺ / Ag⁰). Для отримання катіонів церію, лантану і аргентуму використовували неорганічні солі (нітрати і хлориди) з регулюванням значення рН середовища.
Для проведення біологічних досліджень були обрані гриби Aspergillus niger, Candida albicans, Cyberlindnera jadinii, Mrakia aquaticaта Penicillium polonicum. Антифунгальну активність визначали загальноприйнятим методом дифузії в агар з використанням лунок. Результати досліджень враховували за розміром зон затримки росту колоній грибів. Отримані дані свідчать про те, що найбільше ріст усіх обраних для експерименту видів грибів пригнічують розчини нітрату арґентуму, в той час як нітрат і хлорид арґентуму проявляють активність проти C. jadinii, M. aquatica та P. polonicum. Немодифіковані сріблом частинки оксидів церію і лантану, а також їх подвійні композити демонструють затримку росту лише P. polonicum. Водночас, формування кластерів срібла на поверхні перелічених оксидів сприяє до прояву антифунгальної активності для всіх протестованих штамів грибів. Виключенням є потрійна система CeO₂-La₂O₃-Ag, яка призводить до затримки росту C. jadinii, P. polonicum, A. niger. Порівняння активності катіонів і оксидів РЗЕ модифікованих сріблом вказує на збільшення зон пригнічення росту колоній грибів у порівнянні з антибіотичним засобом, використаним в якості контролю.

Таким чином, використання модифікованих сріблом оксидів РЗЕ, зокрема, церію і лантану, а також розчинів, які містять РЗЕ і арґентум може бути доцільним для створення засобів, які характеризуються фунгіцидною активністю.

Особливості формування, структура та властивості нанокомпозитних полімерних кріогелевих матеріалів (укр.)

2026-03-30T00:53:13+03:00

Екологічні катастрофи та техногенні аварії часто мають довготривалі наслідки: забруднення води й повітря, деградацію ґрунтів, зниження якості життя населення. Саме тому питання запобігання таким подіям стає одним із ключових завдань сучасного суспільства. Науковці шукають нові підходи до управління ризиками, впроваджують ефективні системи контролю та підвищують рівень екологічної відповідальності. Особливу роль у цьому процесі відіграють інноваційні технології та наукові розробки, які спрямовані на покращення екології та здоров’я населення.

Актуальність створення нового типу перев’язувальних матеріалів пов’язана зі збільшенням кількості пацієнтів, які щороку страждають від ран різного інфекційного походження. Традиційні перев’язувальні матеріали, які тривалий час використовуються у медицині, мають низку недоліків. Зокрема, вони не завжди ефективно поглинають рановий ексудат і можуть прилипати до поверхні рани, що ускладнює процес перев’язки та може спричиняти додатковий біль або пошкодження тканин.

У зв’язку з цим зростає інтерес до сучасних матеріалів для лікування ран, зокрема до полімерних гідрогелів. Такі матеріали вважаються перспективними, оскільки вони здатні створювати оптимальні умови для загоєння. Гідрогелі мають бути біосумісними та нетоксичними, добре утримувати вологу, забезпечувати поглинання ранових виділень і водночас підтримувати вологе середовище, яке сприяє швидшому відновленню тканин.

Крім того, важливою характеристикою таких матеріалів є наявність антимікробних властивостей. Це дозволяє зменшити ризик інфікування рани та підвищити ефективність лікування, що робить полімерні гідрогелі одним із перспективних напрямів розвитку сучасних перев’язувальних засобів.

Робота присвячена формуванню та дослідженню кріогелевих матеріалів на основі полівінілового спирту (ПВС), гіалуронової кислоти (ГК) та наночастинок Ag₂O. Кріогелеві матеріали формували шляхом відновлення іонів Ag⁺ у полімерній матриці до металічних наночастинок срібла за допомогою гіалуронової кислоти при нагріванні з подальшим зшиванням зразків шляхом заморожування-розморожування. Методом ширококутового розсіювання рентгенівських променів було досліджено структуру кріогелевих матеріалів та підтверджено наявність частинок Ag₂O у досліджуваних полімерних системах. Було виявлено, що в полімерних системах ПВС-ГК формуються ультрадисперсні наночастинки Ag₂O із середнім розміром близько 5 нм, статистично розподілені в об’ємі кріогелю. Було встановлено, що полімерні кріогелеві системи проявляють антимікробну активність щодо грампозитивних Staphylococcus aureus, S. epidermidis та грамнегативних Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli мікроорганізмів. Показано, що збільшення концентрації наночастинок оксиду срібла у композиті приводить до зростання антимікробної активності матеріалів. Найбільші зони інгібування росту мікроорганізмів спостерігалися для зразків із вмістом 1,0 % мас. Ag₂O. Отримані результати свідчать про перспективність використання розроблених кріогелевих матеріалів як основи для сучасних ранових пов’язок із бактерицидними властивостями.

Нелінійне предиктивне управління процесом каталітичного риформінгу на основі гібридної моделі (укр.)

2026-03-15T13:33:19+02:00

Досліджено проблему підвищення ефективності управління процесом каталітичного риформінгу з безперервною регенерацією каталізатора (CCR). Актуальність роботи зумовлена тим, що традиційні системи управління на основі ПІД-регуляторів не забезпечують оптимальної роботи установки через значну інерційність процесу, транспортні затримки, нелінійність характеристик та змінність параметрів внаслідок дезактивації каталізатора. Метою роботи є розробка системи нелінійного предиктивного управління (NMPC) на основі гібридної моделі, що поєднує фізичну кінетичну модель процесу з нейромережевим компонентом для корекції похибок прогнозування.

Розроблено комплексну математичну модель процесу CCR-риформінгу, що включає кінетичну модель з 8 псевдокомпонентами та 12 реакціями, модель дезактивації каталізатора та модель розрахунку октанового числа за адитивною формулою. Запропоновано архітектуру гібридної моделі з послідовною інтеграцією компонентів, де нейромережа типу багатошарового персептрона (MLP) з двома прихованими шарами (64 та 32 нейрони) компенсує систематичні похибки фізичної моделі. Гібридна модель забезпечує підвищення точності прогнозування октанового числа на 25% порівняно з базовою фізичною моделлю.

Синтезовано систему NMPC з квадратичною функцією цілі, що мінімізує відхилення керованих змінних від завдання та штрафує різкі зміни керуючих впливів. Задача оптимізації включає обмеження на діапазон температур, тиск та швидкість зміни керуючих впливів. Для програмної реалізації використано мову Python з бібліотеками CasADi для символьних обчислень та автоматичного диференціювання, IPOPT для розв'язання задачі нелінійного програмування методом внутрішньої точки. Реалізовано механізм адаптації моделі для компенсації дрейфу внаслідок дезактивації каталізатора.

Результати імітаційного моделювання для установки потужністю 1,5 млн т/рік підтверджують переваги розробленої системи NMPC: зниження середньої абсолютної похибки октанового числа на 57 % порівняно з PID-управлінням та на 36 % порівняно з лінійним MPC; скорочення часу перехідних процесів у 2,8 рази; зниження максимального відхилення при збуреннях складу сировини на 63%. Практичне значення роботи полягає у можливості застосування розроблених алгоритмів для підвищення ефективності управління промисловими установками CCR-риформінгу.

Методологія побудови автоматизованої системи оперативного моніторингу окремих параметрів виробництва біогазу (укр.)

2026-03-15T13:44:35+02:00

Запропоновано методологію побудови автоматизованої системи оперативного моніторингу окремих параметрів виробництва біогазу - температурного режиму та візуально-статистичних ознак субстрату (середнє значення пікселів, стандартне відхилення, асиметрія, ексцес). Система інтегрує чотири функціональні підсистеми: мобільний IoT-моніторинг середовища на базі мікроконтролера ESP32 із передачею даних через протокол MQTT, технології комп'ютерного зору для експрес-оцінки якості біосировини методом Оцу з попереднім застосуванням CLAHE, ансамбль алгоритмів машинного навчання (XGBoost, LSTM, ResNet-50) для прогнозування виходу біогазу та узагальнену функцію бажаності Харрінгтона для формування рекомендацій оператору. Систематизовано математичний апарат системи: формули обчислення статистичних ознак зображення, метод кількісної оцінки якості на основі нормалізованої відстані від референсних значень, подвійну експоненціальну функцію бажаності з лінійною нормалізацією та метрики регресійного аналізу. Оперативність системи забезпечується передачею даних від IoT-пристрою до хмарної інфраструктури Amazon Web Services менш ніж за 5 секунд та повним циклом обробки - від отримання зображення до видачі рекомендації оператору – за 3,2 хвилини, що суттєво менше характерних часових констант процесу анаеробного зброджування. Архітектура реалізована за розімкненою схемою, де результатом роботи є не безпосередній вплив на виконавчі механізми, а формування рекомендацій для оператора з класифікацією стану біосировини за п'ятьма рівнями якості. Порівняльний аналіз п'яти методів сегментації на наборі з 26 зображень підтвердив перевагу методу CLAHE + Otsu з найнижчим коефіцієнтом варіації 3,63%. Аналіз важливості параметрів методом Random Forest показав, що візуальна оцінка якості є найбільш впливовим предиктором із відносною важливістю 0,301. Результати 6-місячного тестування на пілотній установці підтвердили ефективність підходу: збір 98,6% запланованих вимірювань, коефіцієнт детермінації прогностичної моделі R² = 0,91 після циклу донавчання на 100 валідованих записах, зменшення RMSE на 42,6% – з 0,61 до 0,35 м³/добу.

Подрібнювачі будівельних відходів (класифікація та огляд конструкцій) (укр.)

2026-03-15T13:10:08+02:00

Будівельна галузь є джерелом утворення до половини побутових відходів у світі, тому в контексті циркулярної економіки будівельні відходи, й насамперед відходи від руйнувань, спричинені активними бойовими діями, терористичними актами й диверсіями, мають розглядатися як потенційний ресурс вторинної сировини. Основними компонентами будівельних відходів є бетон, цегла, облицювальна плитка, черепиця й кераміка, деревина, скло, полімерні й бітумні матеріали, метали, кабелі, ґрунт та каміння, дорожній баласт (щебінь), ізоляційні матеріали, а також будівельні матеріали та продукція на основі гіпсу. Натепер найбільш ефективними методами утилізації будівельних відходів є їх використання у будівництві та промисловості будівельних матеріалів з мінімальною зміною фізико-хімічних властивостей і мінімізацією утворення нових відходів. У цьому разі однією з основних операцій з оброблення будівельних відходів є їх розділення на дрібніші фрагменти, зокрема процеси дроблення й подрібнення. Аналіз конструктивно-технологічного оформлення цих процесів показує, що крім традиційного стаціонарного спеціалізованого подрібнювального обладнання наразі широко впроваджуються мобільні універсальні подрібнювачі, насамперед фрезерно-роздавлювального-розривного типу – шредери, які дають змогу ефективно обробляти відходи різної природи (як на мінеральній, так і природній та синтетичній основі). Також набувають поширення комбіновані подрібнювальні установки. При цьому, незважаючи на значну кількість розроблених типів і розмірів подрібнювальне обладнання продовжує удосконалюватися.

Обладнання та процес сполучення нетканих полімерних матеріалів з дисперсними наповнювачами (укр.)

2026-03-15T13:24:00+02:00

Розглянуто процеси формування композитних нетканих полімерних полотен методом melt-blown із післяфільєрним термоконтактним введенням дисперсних наповнювачів у зоні укладання полотна. Мета досліджень – вдосконалення конструкції та режимів створення композиційного нетканого матеріалу шляхом запровадження гарячої віброподачі дисперсних частинок на приймальну підкладку. Для експериментальної перевірки пропонованого метода створено стенд модуля гарячої вібродепозиції. Оптична мікроморфологія підтвердила селективну фіксацію частинок у вузлах без закупорення пор, що разом із відмовою від клеїв і розчинників та замкненим пилоконтуром забезпечує високий рівень енергоефективності й екологічності процесу.