На II Инновационном форуме Росатома было представлено 180 разработок, сделанных предприятиями отрасли для многих отраслей хозяйства. Десять из них эксперты признали наиболее привлекательными с точки зрения научно-технического и экономического потенциала. Проект «Плазмохимические наноструктурированные мембраны для тонкой очистки широкого класса жидкостей и газов» ГНЦ РФ «Физико-энергетический институт им. А. И. Лейпунского» победил в номинации «Водоочистка и водоподготовка».
Сегодня на наших АЭС сложилась критическая ситуация с переработкой жидких радиоактивных отходов (ЖРО). Очевидно, что их очистка должна проводиться комплексно, интенсивно, экономически целесообразно. Поэтому необходимы новые, более эффективные и экономически выгодные технологии переработки.
Фильтрующие мембраны: природа подсказывает решение
Для промышленной переработки ЖРО на АЭС используют сорбционные и термические методы (концентрирование ЖРО упариванием в выпарных аппаратах), цементирование, битумирование, наконец, фильтрование и мембранная очистка. Эти методы существуют уже несколько десятилетий и не подвергались существенной модернизации. Из них наиболее широко за рубежом и в нашем отечестве применяют технологии мембранного фильтрования.
Человек не изобрел фильтрующие мембраны – он взял у природы готовое техническое решение. Природа создала универсальный и совершенный метод разделения веществ с использованием селективных полупроницаемых клеточных мембран, которые обеспечивают перенос в клетку необходимых организму веществ из внешней среды и ее очищение. Мембрана в организме является живой системой с наноразмерной структурой. Она сама создает себя по принципу дифференцированной самосборки и самоподдерживается в течение жизненного цикла. Без мембран невозможны дыхание, кроветворение, синтез белка, усвоение пищи, удаление отходов и множество других биологических процессов.
Эволюционное совершенствование клеточных мембран заняло миллионы лет. Техническое использование мембран человеком в системах очистки загрязненных сред продолжается несколько сотен лет.
В клеточных мембранах очистка поступающих веществ происходит на атомно-молекулярном уровне. С другой стороны, для переноса вещества, необходимого для жизнедеятельности клетки, требуется трансмембранное давление всего 5–10 Па. Для обратно-осмотических (фильтрующих) мембран перепад давления фильтрации жидкости примерно в миллион раз больше – 1–5 МПа. Такое положение дел на протяжении последних сотен лет в мембранной технологии очистки считалось принципиально неразрешимым, поскольку невозможность аналогии клеточных и фильтрующих мембран обусловлена принципиальной разницей их создания.
В последние десятки лет стало ясно, что разрешение этого противоречия лежит в области применения нанотехнологий для получения фильтрующих мембран с наноразмерной структурой.
Новые наномембраны
Во ФГУП ГНЦ РФ «Физико-энергетический институт им А.И. Лейпунского» (ФЭИ) создаются наноструктурные мембраны по принципу самосборки наноразмерных структур мембран в потоке частиц плазмы. В зависимости от свойств среды и требований к ее очистке можно создавать наноструктурные мембраны с заранее заданными свойствами – фильтрующими, сорбционно-активными, обеззараживающими и другими. Получаемые в ГНЦ ФЭИ оксидные, нитридные, карбидные мембраны обладают свойствами гибкой керамики, их можно гнуть с радиусом сгиба до 5 мм без образования трещин, что позволяет изготавливать химически, радиационно, термостойкие фильтрующие элементы различных конфигураций.
В фильтрующих мембранах использованы тонкопленочные наноструктурные материалы. Это позволит кардинально улучшить технико-экономические показатели очистки техногенных жидких сред: скорость и эффективность очистки, стоимость единицы объема очищенной среды и другие.
Наноструктурные мембраны имеют множество преимуществ перед своими аналогами. Они изготавливаются из тугоплавких металлов – Ti, Cu, Zr, Al, Ni и других, их оксидов, нитридов, оксинитридов, карбидов и их композиций – благодаря чему обеспечивают высокую механическую прочность в широком интервале температур (10–650°C) и большом диапазоне давлений фильтрации (1–60 атмосфер), стойки в агрессивных средах. Высокая износостойкость мембран позволяет очищать воду и технические жидкости от абразивных взвешенных частиц. Они имеют слабую адгезию к осадкам взвесей фильтрующих жидкостей, что позволяет многократно накапливать и удалять осадки с поверхности, следовательно, они дольше служат.
На самом верхнем рисунке приведен фильтрующий элемент с наноструктурной Ti – мембраной, нанесенной на поверхность пористого полиэтилена.
По технологии ФЭИ достигнуто оптимальное сочетание качества очистки с гидравлическим сопротивлением потока жидкости. Очищенная вода соответствует по прозрачности двойному дистилляту, независимо от ее исходного качества. Степень очистки воды от бактерий по E-coli достигает 100%.
По совокупности свойств предлагаемые мембраны и системы очистки на их основе превосходят большинство существующих отечественных и зарубежных аналогов. Производство наноструктурных мембран для систем учета и очистки жидких и газовых сред экологически безопасно, базируется на доступном и дешевом российском сырье с использованием отечественного серийного и недорогого оборудования.
