Версия для печати Версия для печати

УСВР

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.

УСВРКусок 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.

ВеществоПрисоединительная способность
1 г УСВР
в граммах вещества
Азотная кислота50
Ацетонитрил45
Бензин A­7030
Бензол35
Бутиловый спирт35
Гексан25
Гептил (НДМГ)20
Дизельное топливо40
Дихлорметан30
Дихлорэтан35
Керосин (Т1)40
Нефть сырая80
Нефтяные осадки50
Пропиленовый спирт30
Растительное масло45
Серная кислота40
Скипидар30
Толуол40
Четыреххлористый углерод50
Ксилолы40
Легкие нефтяные фракции30
Масляные красители100
Машинное масло50
Фосфорная кислота70
Хлороформ30
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.

ВеществоСорбционная ёмкость 1 г УСВРСорбционная ёмкость
5 г активированного угля (ГАУ)
Ацетонитрил32,11,22
Бензол31,631,36
Хлороформ24,551,32
Сырая нефть*74,510,95
Дихлорметан32,761,02
Дизельное топливо36,651,11
Бензин29,761,4
Гексан27,541,31
Изопропиловый спирт22,791,06
Керосин40,161,12
Неорганические спирты29,210,94
Лигроин (гарное масло)24,141,01
Азотная кислота51,331,04
Фосфорная кислота60,281,16
Серная кислота36,541,09
Тетрахлорэтан38,221,41
Толуол34,890,95
Скипидар26,680,89
Ксилол38,610,97
* 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.