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

Каталітичний швидкий піроліз відходів поліетилену високої щільності (укр.)

Олена Іванівна Іваненко — 2025-09-30

З огляду на стрімке зростання обсягів полімерних відходів та обмеженість традиційних енергетичних ресурсів, актуальним є пошук ефективних технологій утилізації полімерів з можливістю отримання корисних продуктів. Одним із таких методів є каталітичний піроліз – термохімічний процес розкладу органічних матеріалів за відсутності кисню, який дає змогу перетворювати пластикові відходи на рідкі та газоподібні паливні продукти. Застосування каталізаторів у процесі піролізу дозволяє оптимізувати температурні умови реакції та впливати на склад отриманих продуктів. Поліетилен високої щільності (ПЕВЩ), що широко використовується у пакуванні та побуті, є одним з основних компонентів полімерних відходів і має значний потенціал для переробки саме таким способом. В статті показана та обґрунтована доцільність переробки ПЕВЩ методом каталітичного піролізу з метою отримання альтернативних джерел енергії: піролізних газів, піролізної рідини та пірокарбону. Досліджена термодеструкція відходів ПЕВЩ на установці періодичної дії за відсутності кисню повітря із застосуванням каталізаторів (Ni/MgO, Fe₂O₃, Ni/CaO, Fe₃O₄, Аскарит, HY) та без них. Встановлено, що проведення швидкого каталітичного піролізу в температурному діапазоні до 450 °C сприяє підвищенню виходу рідких вуглеводнів, зокрема піролізної рідини, а також покращенню якісного складу отриманих газів. Методом газової хроматографії проведено аналіз продуктів піролізу, який показав значну частку насичених вуглеводнів. Визначено, що застосування каталізаторів сприяє зменшенню вмісту твердого залишку та підвищенню виходу газової суміші.

Полімерні гідрогелі на основі полівінілового спирту і оксиду цинку (укр.)

Валерій Леонідович Демченко — 2025-09-30

Останнім часом питання техногенно-екологічної безпеки стають все більш актуальними. Техногенні аварії та екологічні катастрофи мають серйозні наслідки для навколишнього середовища та здоров'я населення. Це змушує людство шукати шляхи пом'якшення впливу таких подій та запобігання їх виникненню в майбутньому. На перший план виходять інноваційні технології та розробки, спрямовані на покращення екології та здоров’я населення.

Актуальність удосконалення перев’язувальних засобів обумовлена зростаючою кількістю пацієнтів, які щороку страждають від хронічних ран, травм та опіків. Традиційні марлеві пов’язки мають суттєві обмеження, зокрема недостатню абсорбцію ексудату та ризик адгезії до рани. У відповідь на ці виклики зростає інтерес до полімерних гідрогелів, які мають бути нетоксичними, здатними підтримувати вологе середовище та демонструвати антимікробні властивості.

Робота присвячена формуванню цинквмісних гідрогелевих матеріалів на основі полівінілового спирту і поліетиленгліколю. Гідрогелеві матеріали формували шляхом відновлення іонів цинку за допомогою аскорбінової кислоти у лужному середовищі з подальшим зшиванням зразків шляхом опромінення високоенергетичним електронним променем. За допомогою методу ширококутової рентгенографії було досліджено особливості структури гідрогелевих матеріалв та підтвержено наявність оксиду цинку у досліджуваних зразках. Було виявлено, що полімерні гідрогелеві ситеми ПВС-ПЕГ-1% ZnO проявляють антимікробну та противірусну активність. Встановлено, що досліджувані полімерні гідрогелеві матеріали з частинками оксиду цинку не чинять цитотоксичного ефекту.

Визначення локацій для розбудови системи моніторингу якості атмосферного повітря урбаністичної території, що інтенсивно розвивається (на прикладі моделі міста Києва) (англ.)

В’ячеслав Володимирович Гнатюк — 2025-09-30

Сучасний розвиток суспільства характеризується великою чисельністю населення, а отже, і зростанням економічних та енергетичних потреб. Потужні викиди промислових шкідливих речовин в атмосферу, вихлопні гази від автотранспорту, застосування хімічних речовин у побуті спричиняють погіршення стану атмосферного повітря та зміну клімату в цілому. Крім того, Україна зіштовхнулась з безпрецедентною шкодою для якості атмосферного повітря, що спричинене широкомасштабною збройною агресією. Київ займає одне з перших місць по забрудненню повітря в країні і час від часу фігурує в топі самих забруднених міст світу. Так, у 2023 році в місті Києві середньорічні концентрації діоксиду сірки, діоксиду азоту, формальдегіду та фенолу перевищували середньодобові граничнодопустимі концентрації у 1,5–2,5 рази. Найгірша ситуація в плані якості атмосферного повітря міста склалася в районі Деміївської площі.

Центральна геофізична обсерваторія, яка здійснює моніторинг атмосферного повітря міста і має найбільш детальну інформацію про якість повітря, потребує нагального вдосконалення через розширення мережі системи спостереження і підвищення рівня технічного та інформаційного забезпечення.

Одночасно столиця є лідером по діжіталізації міста не тільки в Україні, а й в Європі. На тлі існуючої ситуації оновлення та розширення системи моніторингу стану довкілля Києва, зокрема якості атмосферного повітря, має бути пріоритетним.

В той же час постійно активізується зв’язок між столицею та областю, що супроводжується підвищенням антропогенного навантаження на повітря від транспортних засобів. В роботі представлено структуру Київської агломерації та запропоновано проєкт орієнтовного розміщення локацій системи моніторингу якості атмосферного повітря міста Києва з урахуванням розташування основних осередків забудови Київської агломерації.

Висадження іонів магнію із водних розчинів реагентним методом (укр.)

Вячеслав Михайлович Радовенчик — 2025-09-30

Сучасні тенденції в негативних змінах клімату та стану навколишнього середовища змушують приділяти більше уваги захисту довкілля та майбутньому людства. Особливо потерпає від антропогенної діяльності людини гідросфера, яка чи не найбільш чутлива до скидів різноманітних забруднюючих речовин. Не очищені чи недостатньо очищені стічні води при надходженні у поверхневі водойми та підземні горизонти суттєво знижують якість води в них та перешкоджають їх безпосередньому споживанню і використанню. Одночасно з масою різних забруднювачів до компонентів гідросфери скидаються відносно нетоксичні сполуки кальцію та магнію, котрі суттєво підвищують жорсткість води та її мінералізацію. Підвищені рівні жорсткості справляють негативний вплив як на окремі органи людини, так і на технологічне обладнання промислових підприємств. Класичною технологією зниження вмісту солей жорсткості сьогодні вважається реагентна содово-вапняна чи содово-натрієва технологія. Головними недоліками цих технологій є недостатня ефективність за звичайних температур навколишнього середовища та необхідність використання значної кількості реагентів. Найбільшого поширення сьогодні набула іонообмінна технологія пом’якшення води, але її застосування супроводжується скидом в гідросферу значних об’ємів регенераційних розчинів хлориду натрію з домішками сполук кальцію та магнію. Це зумовлює формування антропогенного кругообігу цих сполук. Тому завжди існувала необхідність в розробці та впровадженні екологічно безпечних процесів пом’якшення води. Одним з таких перспективних процесів зниження вмісту солей жорсткості сьогодні вважається електрохімічна технологія. Вона дозволяє регулювати рН без використання хімічних реагентів і переводити іони кальцію та магнію в твердий стан. Проведені нами дослідження показали, що навіть при підтриманні в катодному відділенні водневого показника на рівні 11,5–12,5 іони магнію не завжди швидко гідролізуються та можуть бути виведені з технологічного процесу. Причиною такої ситуації є тривалий інкубаційний період формування гідроксиду магнію та залежність властивостей сформованих твердих частинок від умов їх осадження. Оскільки для розведених розчинів при рН ≤ 11,3 тверда фаза візуально взагалі не фіксується, діапазон досліджень було обмежено діапазоном в 11,5–12,5. Відстоювання отриманих при осадженні суспензій показало відсутність суттєвого впливу рН на швидкість відстоювання та фізико – хімічні властивості осаду. Не зафіксовано суттєвого впливу рН осадження і на параметри відділення твердої фази фільтруванням. Більш різноманітним виявився вплив температури. При температурах на рівні 10 °С в момент зливання розчинів тверда фаза взагалі візуально не фіксується. При відстоюванні спочатку починає спостерігатися помутніння розчину та формування високодисперсних часток, котрі протягом годинного відстоювання практично не осідають. При початковій температурі модельних розчинів 21,3 та 41,7 °C після обробки гідроксидом натрію і відстоюванні спостерігається формування аморфних структур, котрі починають агрегатуватися та спливати на поверхню маточного розчину. Освітлення розчину спостерігається одночасно по всьому об’єму. При осадженні за температури розчину в 32,1 °C спостерігається утворення розвинутих агрегатів пластівців по всьому об’єму, які відразу починають осідати на дно посудини. Таким чином, найбільш прийнятною температурою для осадження гідроксиду магнію реагентним методом з використанням гідроксиду натрію можна вважати температуру розчину на рівні 30 °C. Оскільки результати і відстоювання, і фільтрування виявилися незадовільними, було запропоновано використовувати рециркуляцію твердої фази. Показано, що рециркуляція осаду навіть в кількості 260 мг/дм³ дозволяє прискорити формування твердої фази та освітлення маточного розчину. При цьому загальний уявний об’єм твердої фази після відстоювання протягом 1 год суттєво не змінюється, незважаючи на значне збільшення її загальної маси. Спостерігається також підвищення ефективності видалення іонів магнію. В цілому, підбираючи рівень рН та температуру осадження, можливо забезпечувати необхідну ефективність пом’якшення.

Інтелектуальна система автоматизованого моніторингу якості біоматеріалу для зброджування в біогазовій установці (укр.)

Сергій Григорович Павлов — 2025-09-30

Для вирішення проблеми неефективного та неоперативного контролю біогазових установок розроблено інтелектуальну систему автоматизованого моніторингу. Метою є підвищення стабільності та продуктивності анаеробного зброджування шляхом впровадження проактивного аналізу даних та адаптивного управління.

Дослідження проводилося на пілотній біогазовій установці з використанням ферментованого біоматеріалу. Для збору даних застосовано IoT-пристрій на базі ESP32 з датчиками температури та камерою. Аналіз даних реалізовано на хмарній інфраструктурі AWS з використанням сервісів S3, DynamoDB та Fargate, а також ансамблю моделей машинного навчання (XGBoost, LSTM) та комп'ютерного зору (ResNet-50).

Протягом 6-місячного тестування система продемонструвала високу надійність, забезпечивши збір 98,6 % запланованих вимірювань, та оперативність із середнім часом обробки даних 3,2 хвилини. Для аналізу зображень субстрату валідовано та обрано метод сегментації Оцу з підвищенням контрастності (CLAHE), який показав найнижчий коефіцієнт варіації 3,63 %, що свідчить про його стабільність.

Початкова прогностична модель машинного навчання демонструвала коефіцієнт детермінації (R²) 0,85 та кореневу середньоквадратичну помилку (RMSE) 0,61 м³/добу. Ключовим результатом є ефективність адаптивного механізму донавчання: після першого циклу оновлення на 100 нових, валідованих оператором записах, точність моделі значно зросла. Показник R² підвищився до 0,91, а RMSE зменшилася на 42,6 % до 0,35 м³/добу. Це доводить, що система здатна ефективно навчатися на реальних експлуатаційних даних, постійно покращуючи точність своїх прогнозів та, як наслідок, якість управлінських рекомендацій.

Порівняння систем керування мультироторним БПЛА (укр.)

Богдан Миколайович Біганський — 2025-09-30

У статті розглянуто задачу стабілізації висоти квадрокоптера під дією зовнішніх збурень, зокрема поривів вітру. Використано стандартну математичну модель такого об’єкту, що базується на жорсткому тілі з шістьма ступенями вільності (6-DOF), описаними рівняннями Ньютона та Ейлера. Розглядаються рівняння динаміки, що описують результуючу силу та момент, а також швидкості та кутові швидкості у відповідній системі координат.

Метою дослідження є порівняльний аналіз ефективності різних стратегій керування для стабілізації висоти під час дії збурень. Зокрема, розглядаються ПІД-регулятор, нечітка логіка (Fuzzy Logic) та лінійно-квадратичний регулятор (LQR). Проведено моделювання роботи систем керування з використанням кожного типу регулятора, оцінено якість перехідних процесів, стійкість та здатність до відновлення рівноваги після впливу збурень.

Результати демонструють відмінності у швидкості реакції, точності стабілізації та адаптивності методів керування, що дозволяє визначити оптимальні підходи для забезпечення надійного утримання висоти квадрокоптера в умовах змінного середовища. Моделювання систем керування здійснено за допомогою MATLAB Simulink.

Особливості нанесення вуглецевих нанотрубок на полімерну основу методом холодного газодинамічного напилення (англ.)

Олександр Володимирович Гондлях — 2025-09-30

Холодне газодинамічне напилення вуглецевих нанотрубок на полімерні матеріали у якості підкладки є перспективним методом формування функціональних покриттів, але процес осадження частинок на полімерних основах залишається недостатньо вивченим. У даній роботі розроблено чисельну модель для аналізу механізмів контактної взаємодії вуглецевих нанотрубок із поліефірефіркетоновою (ПЕЕК) підкладкою під час напилення при швидкостях 600 – 1000 м/с. Чисельне моделювання проведено в програмному забезпечені ABAQUS/Explicit з використанням методу скінченних елементів. Враховано модель пластичності Джонсона-Кука та модель руйнування Джонсона-Кука. Досліджено вплив швидкості на процеси пластичної деформації, локального нагрівання та умови закріплення нанотрубок на поверхні полімерної основи. При ударних швидкостях, менших за 600 м/с, ВНТ при зіткненні з підкладкою лише відскакує від поверхні полімеру, не спричиняючи суттєвих пластичних деформацій. Зі збільшенням швидкості удару зони пластичної деформації в підкладці розширюються як у площині контакту, так і в глибину. При зіткненні ВНТ з поверхнею ПЕЕК виникає інтенсивна локалізована пластична деформація, що супроводжується зосередженням напружень та активним тепловиділенням у результаті внутрішнього тертя та дисипації енергії. За рахунок збільшення швидкості удару глибина проникнення ВНТ у підкладку зростає: від 0,10 нм при 600 м/с до 0,19 нм при 1000 м/с. Температура в зоні контакту різко зростає до 397 К при 600 м/с і до 432 К при 1000 м/с, її величина пропорційна швидкості нанотрубки. Це пояснюється вищою інтенсивністю локалізованої пластичної деформації. Після піку температура стрімко зменшується внаслідок теплопровідності матеріалу підкладки та розподілу тепла вглиб масиву полімеру. Ефективна фіксація вуглецевої нанотрубки на поверхні полімерної підкладки з поліефірефіркетону досягається за умови ударної швидкості 1000 м/с. При швидкості 1000 м/с спостерігається максимальна глибина проникнення ВНТ до 0,19 нм, що забезпечує її часткове занурення в поверхневий шар полімеру. Удар супроводжується локальним підвищенням температури в зоні контакту до 432 К, що перевищує температуру склування ПЕЕК (400 К). За таких умовах полімер переходить у високоеластичний стан, що супроводжується значним зниженням механічної жорсткості та підвищенням податливості до пластичної деформації. Це дає змогу полімеру деформуватися навколо нанотрубки, частково її охоплюючи. Локальне термічне розширення матеріалу в зоні удару додатково посилює ефект механічного захоплення нанотрубки в полімерній пластині. Після завершення ударної взаємодії відбувається швидке охолодження системи до температури нижче точки склування, зумовлене теплопровідністю підкладки. В результаті ПЕЕК відновлює свої вихідні жорсткі властивості, фіксуючи ВНТ у застиглій структурі. Критична швидкість 1000 м/с забезпечує надійну фіксацію ВНТ у ПЕЕК завдяки локальним термо-структурним ефектам. Запропонована модель дозволяє прогнозувати оптимальні параметри процесу напилення для забезпечення високої ефективності напилення нанотрубок.

Призматичні насадки тепломасообмінних колон (Класифікація та огляд конструкцій) (укр.)

Ігор Олегович Мікульонок — 2025-09-30

Разом з таким конструктивно простим та універсальним контактним елементом колонних тепломасобмінних апаратів як кільцева насадка у вигляді прямого кругового кільцевого циліндра широкого поширення набули насадки у формі призм – правильних і неправильних, напівправильних і зрізаних, прямих і похилих, зірчастих і тороїдальних, скручених, а також антипризм. На відміну від більш універсальної кільцевої циліндричної насадки призматична насадка переважно застосовується лише як регулярна насадка. При цьому основною перевагою призматичних насадок є висока технологічність, а недоліком – відносно низька питома поверхня в разі щільного прилягання плоских бічних граней сусідніх елементів насадки. Саме тому пропонуються різноманітні технічні рішення для їх дистанційного розташування – як завдяки різноманітним виступам на бічних гранях насадки, так і використанню спеціальних дистанційних пристроїв для відокремлення сусідніх елементів насадки. У разі завантаження призматичної насадки орієнтовано, а саме у вертикальному положенні з певним проміжком між сусідніми елементами не лише збільшується питома поверхня шару насадки, а й забезпечуються подібні гідродинамічні умови оброблюваних фаз усередині та ззовні елементів насадки. При цьому орієнтована (регулярна, структурована) насадка має менший гідравлічний опір і забезпечує більшу допустиму швидкість легкої фази. Незважаючи на значну кількість розроблених типорозмірів призматичних насадок удосконалення їхніх конструкцій та способів розміщення в тепломасообмінних апаратах тривають.