УСВР — Углеродная Смесь Высокой Реакционной способности
Что такое УСВР?
Как известно, углерод является самым распространённым элементом на Земле и во всей Вселенной. Различия между углем, графитом, УСВР и алмазом (всё это — один и тот же химический элемент — углерод) определяются их принципиально различной кристаллической конструкцией. Перестраивая кристаллическую конструкцию можно получить из одной модификации углерода другую. Если мы к частице графита применим давление в 80 тысяч атмосфер и нагреем её до температуры в 1600 °С, то атомы углерода перестроятся из графитовой гексагональной плоскостной структуры в пространственную (пирамидальную) алмазную, т.е. мы получим сверкающий алмаз. И наоборот, если мы нагреем в вакууме алмаз до температуры 1600 °С, то он превратится в кусочек обыкновенного черно-серого графита.
УСВР по своим свойствам так же резко отличается от графита, как графит — от алмаза. Суть открытия академика РАЕН В.И.Петрика — получение углерода с принципиально новой кристаллической конструкцией. Международной ассоциацией авторов научных открытий на основании результатов научной экспертизы заявки на открытие № А-191 от 3 января 2001 года подтверждено установление научного открытия «Явление образования наноструктурных углеродных комплексов» (автор открытия — В.И.Петрик, диплом № 163).
Метод получения УСВР из слоистых углеродных соединений (СУС), разработанный академиком В.И.Петриком
Приставка «нано…» обозначает размер порядка 10-9 метра. Углеродный нанослой — это слой, толщина которого составляет около 10-9 метра. Такой атомарный углеродный слой называют графеном.
Строение графита очень похоже на хорошо известный нам предмет, а именно — на обыкновенную настольную книгу, только страницами в случае графита являются графены, толщиной в один атом. Атомы углерода в графенах расположены в виде шестиугольников (гексагоналов), поэтому и говорят, что графены имеют гексагональную структуру. Связи между графенами — слабые (когда мы пишем карандашом, то разрываем эти связи), их называют ван-дер-ваальсовыми (межплоскостными) связями. Связи между атомами в гексагоналах — сильные. Физики долгое время не верили, что В.И.Петрику удалось разорвать межатомарные (ковалентные) связи, т.к. считалось, что они реально могут быть разорваны только в эпицентре ядерного взрыва. В.И.Петриком было синтезировано химическое соединение, способное к взрывообразному разложению. Это соединение способно проникать путем обычного смачивания в межслоевые пространства графита (СУС) и находиться в таком состоянии сколь угодно долго, никак себя не проявляя. Однако, достаточно взорвать некоторое критическое количество молекул этого соединения, и начинается настоящая цепная реакция. Запустить такую реакцию автокаталитического распада соединения можно, например, механическим воздействием, т.е. простым ударом, химическим воздействием, нагреванием до 150–200 °С, даже направленным мощным звуком. И при каждом взрыве заложенной молекулы от общей массы графита (СУС) отделяется один атомарный углеродный слой — графен.
Выглядит фантастически, когда в результате неуправляемой (!) холодной (!)
цепной реакции происходит радикальная деструкция СУС, и объем СУС (графита) увеличивается минимум в 500 раз.
Кусок графита превращается в легчайший черный пух, содержащий до 20% наноструктур. Наноструктуры, содержащиеся в УСВР — это не только графены, но и нанотрубки, ветвящиеся нанотрубки, нанокольца, нанофракталы. В смеси встречаются и фуллерены. Представим себе, что мы оторвали от книги страницу и оставили ее в сухом месте. Спустя некоторое время высыхающая страница свернется в наиболее энергетически удобную для нее форму — форму свитковой трубки. Точно то же самое происходит и с графеном, отделенным от общей графитовой структуры — он сворачивается в нанотрубку с открытыми концами. Взрывы молекул химического соединения разрывают не только ван-дер-вальсовы связи между графенами (в результате чего графит «распушается», увеличиваясь в 500 и более раз в объеме), но они также частично разрывают ковалентные связи между атомами углерода в самих графенах, в результате чего в массе УСВР образуется огромное количество свободных радикалов — ненасыщенных атомарных связей.
Основные физико-химические свойства УСВР
УСВР химически инертна, электропроводна, гидрофобна (краевой угол
смачивания более 90 градусов), устойчива к агрессивным средам, экологически чиста.
Содержание углерода не менее 99,4%, насыпная плотность — 0,01—0,001 г/см3 (в зависимости от способа изготовления).
Удельная поверхность — 2000 м2 на 1 г.
Диапазон рабочих температур: от -60 °С до +3000 °С.
Возврат присоединённого вещества — до 98%.
УСВР как сорбент
Частично разорванные ковалентные связи образуют в массе УСВР огромное количество ненасыщенных межатомарных углеродных связей по периметру гексогоналов углерода. Эти ненасыщенные межатомарные углеродные связи (свободные радикалы) при контакте с очень широкой группой веществ (можно сказать — со всеми нерастворимыми и некоторыми растворимыми в воде примесями) удерживают их в массе УСВР, пропуская молекулы (кластеры) воды.
Лучше всего удерживаются примеси, родственные УСВР по химическому составу (основа — углерод), например, нефтепродукты и эфирорастворимые вещества. Очень важно, что УСВР не вступает в химические реакции с сорбируемыми веществами, иными словами, в отфильтрованной воде не может быть никаких веществ, которых не было на входе: может быть сама УСВР в незначительных количествах, которую не удержали прокладки (это неявляется опасным для здоровья, т.к. УСВР можно принимать во внутрь, равно как привычно многими людьми принимаются таблетки из активированного угля), могут быть в незначительных количествах те или иные не до конца сорбированные примеси, но чего-то третьего, каких-то веществ, образовавшихся в результате химической реакции УСВР и тех или иных примесей (или химической реакции между самими примесями, где катализатор — УСВР) быть не может.
Хотя УСВР удерживает примеси за счет свободных радикалов на молекулярном и атомном уровнях, так сказать, электрохимическими методами (а не просто чисто механически, как это происходит на мембранах), но при этом в химические реакции не вступает. Связь УСВР и сорбируемых примесей достаточно прочная для того, чтобы их задержать в массе УСВР, но при этом достаточно слабая, чтобы при определенных условиях отделить примеси от УСВР. Так, например, УСВР, присоединившая нефть из нефтесодержащей воды (1 г УСВР присоединяет примерно 80 г нефти), может быть регенерирована простым отжимом (пресс, центрифуга и др.). После отжима УСВР на 30-40% теряет сорбирующую способность (часть нефти останется в массе УСВР), но способна «работать» и дальше.
Сорбционные свойства УСВР
НИИ физики фуллеренов и новых материалов РАЕН получил следующие данные:
Таблица 2. Сорбционная емкость материала УСВР по жидкой фазе горючих и ядовитых веществ.
Вещество | Присоединительная способность 1 г УСВР в граммах вещества |
Азотная кислота | 50 |
Ацетонитрил | 45 |
Бензин A70 | 30 |
Бензол | 35 |
Бутиловый спирт | 35 |
Гексан | 25 |
Гептил (НДМГ) | 20 |
Дизельное топливо | 40 |
Дихлорметан | 30 |
Дихлорэтан | 35 |
Керосин (Т1) | 40 |
Нефть сырая | 80 |
Нефтяные осадки | 50 |
Пропиленовый спирт | 30 |
Растительное масло | 45 |
Серная кислота | 40 |
Скипидар | 30 |
Толуол | 40 |
Четыреххлористый углерод | 50 |
Ксилолы | 40 |
Легкие нефтяные фракции | 30 |
Масляные красители | 100 |
Машинное масло | 50 |
Фосфорная кислота | 70 |
Хлороформ | 30 |
Циклогексагон | >35 |
В 2004 году лаборатория Sierra Analytical Labs, Inc. (США, Калифорния) провела сравнительный анализ сорбционной емкости УСВР и лучшего вида кокосового гранулированного активированного угля (ГАУ) из активированных углей, представленных на американском рынке (см. табл.3).
Таблица 3. Сравнительные сорбционные характеристики УСВР и ГАУ.
Вещество | Сорбционная ёмкость 1 г УСВР | Сорбционная ёмкость 5 г активированного угля (ГАУ) |
Ацетонитрил | 32,1 | 1,22 |
Бензол | 31,63 | 1,36 |
Хлороформ | 24,55 | 1,32 |
Сырая нефть* | 74,51 | 0,95 |
Дихлорметан | 32,76 | 1,02 |
Дизельное топливо | 36,65 | 1,11 |
Бензин | 29,76 | 1,4 |
Гексан | 27,54 | 1,31 |
Изопропиловый спирт | 22,79 | 1,06 |
Керосин | 40,16 | 1,12 |
Неорганические спирты | 29,21 | 0,94 |
Лигроин (гарное масло) | 24,14 | 1,01 |
Азотная кислота | 51,33 | 1,04 |
Фосфорная кислота | 60,28 | 1,16 |
Серная кислота | 36,54 | 1,09 |
Тетрахлорэтан | 38,22 | 1,41 |
Толуол | 34,89 | 0,95 |
Скипидар | 26,68 | 0,89 |
Ксилол | 38,61 | 0,97 |
* Сорбционная ёмкость зависит от вязкости вещества. |
* Сорбционная ёмкость зависит от вязкости вещества.
Из табл.3 видно, что 1 грамм УСВР превосходит 5 граммов ГАУ по сорбционной емкости в среднем более, чем в 30 раз!
УСВР как фильтр
При смачивании УСВР образует массу, обладающую огромным гидравлическим сопротивлением, которое намного выше, чем например, у активированного угля. В этой массе, как в очень плотно сплетенной сети «запутываются» — чисто механически — даже самые мелкие взвеси. Это означает, что масса УСВР толщиной в несколько сантиметров работает не только как сорбент, удерживая примеси при помощи ненасыщенных межатомарных углеродных связей, но и как фильтр, чисто механически удерживая даже мельчайшие примеси и взвеси. В этой второй своей ипостаси УСВР-фильтр работает подобно мембранным бытовым фильтрам. Подобно — не значит, что также, нет — намного лучше. Дело в том, что мембраны удерживают примеси только одной плоскостью или несколькими плоскостями, а УСВР удерживает их объемом.
Пример. В объединении садоводств «Дунай» (Всеволожский район, Ленинградская область) подаваемая по частично проржавевшим трубам питьевая вода имеет желтый цвет за счет не только гумуса, но и нерастворенного в воде трехвалентного железа (ржавчины). Эта ржавчина состоит из настолько мелких частиц, что удержать их можно лишь мембраной с ячейками размером 0,3 микрона. Стоящий на очистке этой воды мембранный фильтр засорился уже через 50 литров и перестал пропускать воду. Стоящий рядом УСВР-фильтр полностью очистил воду от всех примесей, в том числе и от мелкой ржавчины, в объёме 25 куб.м.
Чтобы засорить мембрану или систему мембран мелкими и мельчайшими примесями, достаточно пропустить через них объем воды, на несколько порядков меньший, чем для того, чтобы засорить объемный УСВР-фильтр. Мембранные фильтры не только необходимо регулярно промывать (ясно, что система обратной промывки резко удорожает очистку воды), но и менять значительно чаще, чем картриджи УСВР-фильтров, не требующие никакой промывки.