Анализ температурной зависимости изменения энергии Гиббса показывает, что наибольшей эффективности при нормальном давлении следует ожидать в области комнатных температур, что хорошо согласуется с первичными экспериментами по фотокаталитическому разделению изотопов углерода по описанной схеме.
3 Аппаратурно-технологическая схема фотокаталитического разделения изотопов углерода
В соответствии с проведенными расчетами разработана принципиальная аппаратурная схема осуществления процесса. Общая схема экспериментальной установки представлена на рисунке 4. Емкость с рабочим веществом – баллон 1, соединена с буферной емкостью – баллоном 2, который позволяет демпфировать резкие скачки давления в системе. На буферной емкости предусмотрено наличие системы контроля давления - 5, позволяющей отслеживать изменение давления в емкости. Из буферной емкости разделяемый газ подается в разделительную ячейку, через регулирующий мембранный клапан 3, который обеспечивает контроль скорости натекания газа. Входящий поток газа контролируется согласно показаниям дифференциального манометра - 6, установленного параллельно входному штуцеру разделительной ячейки. Готовая продукция улавливается азотными ловушками
.
Схема рабочей зоны экспериментальной установки приведена на рисунке 6. Система представляла собой спиральную колонку диаметром 1,5 мм и длинной 2,5 м, вырезанную в пластине из оптического кварца.
Наночастицы полупроводника наносились на внутреннюю поверхность колонки, используя золь-гель технологию, так, чтобы в полученном слое не реализовывался контакт между частицами.
Дисперсность частиц полупроводника 7-15 нм. Сверху кварцевая пластина закрывалась пластиной KBr на оптическом шлифе для обеспечения вакуумного уплотнения. Длина зоны фотохимической реакции составила 1,5 м. Температура реакции поддерживалась на уровне 298 К. Общий объем СО, подвергшегося конверсии (10 л, Р=10 атм., (113 г.)).
Облучение системы производилось в областях: 2153см-1 (СО-лазер), 932 см-1 (СО2 - лазер). Улавливание готовых продуктов производилось в ловушке, охлаждаемой жидким азотом. Медленная разморозка, которой позволяла разделять не прореагировавший СО и полученный СО2.
Концентрации изотопов углерода до и после разделения определялись масс-спектрометрически на приборе Finigan ТRACE DSQ. ИК-спектры монооксида углерода и диоксида углерода, образовавшегося в результате окисление на поверхности полупроводника, представлены на рисунке 8.
Исходные концентрации изотопов в СО: 12С=98,901 ± 0,003% мас., 13С=1,12 ± 0,05% мас. Концентрация изотопов углерода в полученном СО2: 12С = 99,1153 ± 0,0003% мас., 13С=0,86 ± 0,05% масс.
Концентрации изотопов углерода в молекуле монооксида углерода (СО), находившегося на поверхности катализатора, определялись масс-спектрометрически и составили: 12С = 96,8536 ± 0,0005 % мас., 13С= 2,321 ± 0,004 % мас.
Таблица 2 – Концентрация изотопов углерода до и после разделения
Концентрация изотопа | 12C | 13С |
До разделения | 98,901 ± 0,003 % мас. | 1,12 ± 0,005 % мас. |
После разделения | 96,8536 ± 0,0005 % мас. | 2,321 ± 0,004 % мас. |
Таким образом, на поверхности полупроводниковых наночастиц возможно осуществление эффективного фотокаталитического разделения изотопических молекул.
6. Права на интеллектуальную собственность.
Номер патента: 306574
Cтрана публикации: Россия
Год подачи заявки: 2007
Год публикации: 2007
Патентообладатели: В. И. Сачков, О. С. Андриенко, С. В. Турубаров, М. А. Казарян, С. Т. Кабаев, А. С. Князев, Т. Д. Малиновская, В. С. Мальков
Наименование изобретения: Способ фотокаталитического разделения и очистки веществ в том числе изотопов
7. Конкурентные преимущества.
Конкурирующие производители:
Название продукта | Компания-производитель | Страна | Лучший |
13С | cambridge | Англия | |
13С | ГНЦ РФ ТРИНИТИ | Россия | |
13С | "Газ-Ойл" | Россия |
Важнейшие параметры:
Параметр | Единица измерения | Продукт-конкурент | Ваш продукт |
Энергозатраты | кВт ч/кг ЕРР | 150-3000 | 100 |
Коэффициент разделения | безразмерная величина | 1,1-1,3 | 2,1 |
Преимущество реализованного способа разделения по сравнению с ранее известными состоит в следующем:
а. высокая концентрация целевого изотопа в реакционной камере, что позволяет проводить разделение в установках небольших размеров;
б. низкое энергопотребление;
в. высокий коэффициент разделения;
г. использование излучения только одного перестраиваемого лазера;
д. простота экспериментальной установки.
8. Рынок сбыта.
Общеизвестна возрастающая с каждым годом потребность в применении изотопной продукции для нужд ядерной энергетики (топливо, конструкционные материалы, автономные источники энергии), медицины (диагностика, лечение), экологии (контроль за состоянием окружающей среды), а также для контроля инженерных и строительных сооружений. В США, например, проводится около 36000 диагностических медицинских тестов в день и около 10 миллионов тестов в год, основанных на использовании углерода 13С. Подобные технологии развиваются и используются в Японии, Германии, России, Канаде и других странах. По оценкам зарубежных специалистов рынок стабильных изотопов, применяемых в биомедицинских исследованиях, ежегодно увеличивается на 10-15%. Биомедицинские потребности, например, только по 13С к 2006 – 2007 гг. должны составить сотни килограмм в год. Кроме того, по оценкам специалистов в ближайший период следует ожидать значительного повышения спроса на изотопную продукцию в микроэлектронике. По прогнозам специалистов и в соответствии с существующими программами развития атомной энергетики ведущих стран, следует ожидать, как минимум, повышения потребностей в разделительных мощностях для энергетики в 2 – 3 раза по сравнению с 1985 годом. Существующие на сегодняшний день методы разделения изотопов, однако не позволяют обеспечить потребность в изотопической продукции, или сопряжены с огромными финансовыми затратами, такими, что себестоимость конечной продукции оказывается очень высокой. Возрастающая потребность в изотопической продукции, также сказывается на конечной цене продукта. Например, если в 1989 году цена 13С с обогащением 99 ат. % в форме составляла: СО2 = 125 долларов за грамм, то уже в 1997 году она поднялась до 170 долларов за грамм. Увеличение спроса на изотопическую продукцию связано также ростом цен на энергоносители и с увеличившимся спросом на электроэнергию в большинстве стран мира, что в свою очередь сделало необходимым наращивание энергетических мощностей как за счет строительства АЭС, так и путем модернизации уже действующих атомных энергоблоков, которые сопряжены с потребностью в изотопических конструкционных материалах и топливе.
Рынок изотопной продукции постоянно растет, развиваются области ее применения, расширяется номенклатура изотопной продукции, объемы поставок и изотопическая чистота. Наличие изотопной продукции в достаточном количестве по приемлемым ценам имеет решающее значение для ее применения.
Поэтому, разработка основ технологии разделения изотопов углерода является актуальной научно-практической задачей.
9. Порядок коммерциализации результатов разработки.
На данный момент:
· Проведена теоретическая оценка термодинамических и кинетических параметров процесса фотокаталитического разделения изотопов, которая показала возможность достижения высокого коэффициента разделения на уровне 1,6174;
· Разработана принципиальная аппаратурно-технологическая схема экспериментальной установки;
· Осуществлен процесс фотокаталитического разделения изотопов углерода, коэффициент разделения составил (α) 2,1
0.5, причем, его отличие от теоретического, по-видимому, обусловлено тем, что при прохождении газа через разделительную ячейку происходит несколько процессов адсорбции и десорбции продуктов реакции. Также причиной может служить то, что при теоретическом расчете в суммарной схеме каталитической реакции не учитывались некоторые стадии, те рассматривалась идеализированная система.
В дальнейшем планируется:
Определить режимы ведения процесса разделения изотопов, Отработать режимы процесса с целью их оптимизации, Одновременно будет прорабатываться проект полупромышленной установки разделения изотопов углерода.После сдачи в эксплуатацию (время на разработку проекта ~3 года) пилотного реактора для разделения изотопов, устройство установки позволит получать изотопы в промышленных объемах. Для скорейшей реализации проекта, выводу продукции на рынок и привлечения потребителей проведены (и в дальнейшем планируются) различные рекламные акции — выступления на конференциях, статьи в журналах, участие исполнителей проекта на форумах.
Схема коммерциализации
Годы | Предполагаемая себестоимость | Цена за единицу готового изделия | Объем реализации | Прибыль | |
В штуках | В стоимостном выражении | ||||
2010 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
2011 | 70 у. е./г. | 100 у. е./г | 7 кг | 700000 | 210000 |
2012 | 60 у. е./г. | 100 у. е./г | 10 кг. | 1000000 | 400000 |
1 у. е. = 1 доллар США
10. Состояние и источники инвестирования в реализацию проекта.
На этапе НИР и НИОКР работы финансировались при поддержке гранта РФФИ (1500000 руб).
Венчурного инвестирования не проводилось.
Все исследования проводились с использованием оборудования Сибирского Физико-технического института (г. Томск) при поддержке Института оптики атмосферы (г. Томск). Расходные материалы (газы реагенты) закупались за свой счет. В дальнейшем планируется привлечение стратегического инвестора для финансирования разработок, внедрения, сопровождения и организации промышленного производства продукции.
11. Предстоящие затраты по проекту.
Смета затрат на выполнение НИОКР
По теме «Фотокаталитическое разделение изотопов с применением наночастиц полупроводников»
1 год
№ п/п | Наименование статей затрат | Сумма руб. |
1 | Заработная плата с отчислениями | 1300000 |
2 | Оборудование Расходные материалы Командировочные расходы Услуги связи Арендная плата за пользование имуществом Транспортные услуги Услуги сторонних организаций (рекламная кампания, сертификация и т. п.) | 7000000 3500000 550000 30000 350000 65000 300000 |
3 | Прочие расходы | 1000000 |
ИТОГО: | 12795000 |
2 год
№ п/п | Наименование статей затрат | Сумма руб. |
1 | Заработная плата | 2000000 |
2 | Расходные материалы Командировочные расходы Услуги связи Арендная плата за пользование имуществом Транспортные услуги Услуги сторонних организаций (рекламная кампания, сертификация и т. п.) | 2300000 200000 10000 100000 35000 500000 |
3 | Прочие расходы | 650000 |
ИТОГО: | 5795000 |
3 год
№ п/п | Наименование статей затрат | Сумма руб. |
1 | Заработная плата | 2000000 |
2 | Расходные материалы Услуги связи Арендная плата за пользование имуществом Транспортные услуги Командировочные расходы Услуги сторонних организаций (рекламная кампания, сертификация и т. п.) | 2500000 10000 100000 50000 200000 600000 |
3 | Прочие расходы | 800000 |
ИТОГО: | 6260000 |
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
Основные порталы (построено редакторами)