EUR/RUB 67.89
USD/RUB 57.51
EUR/USD 1.18
Банк инноваций
2009, декабрь
2009, ноябрь
2009, октябрь
2009, сентябрь
2009, август
2009, июль
2009, июнь
2009, май
2009, апрель
2009, март
2009, февраль
2009, январь
2008, декабрь
2008, ноябрь
2008, октябрь
2008, сентябрь
2008, август
 •  Статья 1
 •  Статья 2
 •  Статья 3
 •  Статья 4
2008, Июль
2008, Июнь
2008, Май
2008, Апрель
2008, Март
2008, Февраль
Анонсы


Конструкция пульта управления телевизором, учитывающая различных пользователей

БЮРО ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
 

 
100%
800
960
1024
1152
 О компании  Услуги  Журнал  Контакты 
Журнал  2008, август  Статья 3

 

ПИКОВОЛНОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ


Суть пиковолновой технологии может быть сформулирована следующим образом: модификация или получение новых материалов, создание которых иными методами невозможно или требует многократно больших энергозатрат.

Инструментарием в пиковолновой технологии (ПВТ) при воздействии на тонкослойные материалы служат потоки электронов с энергией от 0,15 мегаэлектронвольт до 10 мегаэлектронвольт (МэВ). При модификации объемных материалов используют потоки гамма-квантов, как правило, кобальта-60 или цезия-137, проникающая способность которых достигает 30 см в материале с р = 1г/см3.

Пиковолновая технология приводит к выигрышу энергии за счет того, что высокоэнергетическое излучение с большей эффективностью генерирует в системе реакционноспособные частицы (ионы, электроны, свободные радикалы, возбужденные атомы и молекулы) по сравнению с другими типами воздействия, например, тепловым. Это и обуславливает экономическую целесообразность промышленного применения ПВТ (таблица 1).

Таблица 1. Сравнительные затраты на энергию при термической и пиковолновой обработке

ПроцеcсУдельная стоимость потребляемой энергии Отношение стоимостных показателей
 при термообработкепри пиковолновой обработке 
Сшивка полиэтилена2,4 цент./кг1,1 цент/кг2,18
Вулканизация силиконового каучука6,2 цент/кг0,73 цент/кг8,49
Отверждение армированного полиэстера50 долл./кг12 долл./кг4,77
Хранение пищевых продуктов3,7 цент./кг-сутки(охлаждение)0,04 цент./кг92,5
Стерилизация медицинской и фармацевтической продукции1,8 долл./м3 (оксид этилена)0,4 долл./м34,5
Сушка лаковых покрытий0,6 цент./м20,03 цент./м220

Кроме того, к достоинствам ПВТ следует отнести то, что:

  • процессы осуществляются без химических инициаторов и катализаторов, это позволяет получать продукты высокой степени чистоты (например, сополимеры для медицины), а заодно и экономить на расходе дефицитных химических реагентов;
  • скорость инициирования практически не зависит от температуры. Это позволяет проводить пиковолновую обработку при комнатной температуре, что чрезвычайно важно для термически лабильных систем;
  • скорость процессов легко регулируется изменением мощности потока электронов и гамма-квантов;
  • пиковолновая технология обладает стерилизующим действием, что исключительно важно с точки зрения охраны окружающей среды;
  • подача энергии в облучаемую систему может быть произведена с большой скоростью, что позволяет обеспечить высокую производительность процесса.

Пиковолновая технология интенсивно внедряется во всех странах мира, чему способствует деятельность МАГАТЭ. По этой технологии ежегодно обрабатываются материалы на десятки миллиардов долларов, и прирост достигает 20% в год.

Применение пиковолновой технологии

В физикеВ химииВ биологии
Легирование полупроводниковПолимеризацияСтерилизация медицинского инструмента, обработка фармпрепаратов, имплатантов
Ионная имплантацияМодификация полимеровПастеризация, стерилизация продуктов питания
Закалка режущего инструментаВулканизацияОбеззараживание стоков для больниц, вивариев и портов
Изготовление полимерных мембранДеструкция высокополимерных соединенийОбработка семян, корнеплодов, фруктов, ягод
ТрансмутацияОтвердение лакокрасочных покрытийДезинсекция деловой древесины
Окрашивание стекла и драгоценных камнейВодоподготовкаОбеззараживание осадков сточных вод, избыточного ила
 Очистка сточных вод 
 Очистка выбросных газов от окислов серы и азота 
 Иммобилизация радиоактивных отходов 

Приведем два примера реализованных технологий, в которых принимают участие сотрудники нашего института.

Стерилизация медицинских изделий и фармпрепаратов

Стерилизация медицинских изделий (в подавляющей степени одноразового пользования) является одним из крупномасштабных промышленных процессов. На основании исследования бактерицидной эффективности излучений, радиационной устойчивости органических (полимерных в том числе) и неорганических соединений разных классов, безопасности их использования создана индустрия пиковолновой стерилизации, удельный вклад которой в выпуске стерильной продукции постоянно растет.

Пиковолновая стерилизация имеет ряд очевидных достоинств:

  • возможность стерилизации изделий в любой упаковке, гарантирующей исключение повторной контаминации при транспортировке и хранении;
  • надёжность стерилизации;
  • простота и эффективность контроля технологического процесса;
  • легкость осуществления непрерывного и автоматизированного процесса;
  • возможность стерилизации термочувствительных изделий и препаратов, не выдерживающих тепловой обработки.

О масштабах использования пиковолновой стерилизации свидетельствуют следующие цифры. Если в конце 80-х годов в развитых странах радиационным методом стерилизовали около 30% медицинской продукции одноразового использования, то в настоящее время эта цифра приближается к 50%.

В настоящее время в России производится около шести миллиардов шприцов одноразового пользования, до 200 миллионов контейнеров для хранения крови и более 320 миллионов комплектов для переливания крови.

Большая часть этой медицинской продукции одноразового использования должна подлежать пиковолновой обработке.

Механизм пиковолновой стерилизации весьма прост, ионизирующее излучение является губительным для биоты. Доза, приводящая к гибели, сильно различается для разных живых организмов, т.е. каждому биологическому виду свойственна своя мера чувствительности к действию ионизирующего излучения.

При облучении микроорганизмов или изделий, загрязненных ими, снижение числа способных к размножению клеток с ростом поглощенной дозы происходит по экспоненциальному закону:

ND = N0 .ехр(-1k.D) = Nо .10 D/D 10,

где N0 - начальное число «живых» клеток (г -1);
ND - содержание «живых» клеток после воздействия на объект дозы D (кГр);
k - константа, характеризующая эффективность действия ионизирующего излучения (кГр -1);
D10 - доза десятикратного уменьшения содержания «живых» клеток, обеспечивающая гибель 90% клеток (кГр).

Использование на практике любого метода стерилизации невозможно без выполнения трех необходимых условий:

  • должно происходить резкое снижение числа способных к размножению микроорганизмов (в идеале до вероятности присутствия 10-6 в изделии или меньше);
  • практически не должно происходить экспериментально обнаруживаемых изменений химических и биологических свойств стерилизуемого объекта. В первую очередь это относится к функциональным свойствам объекта. На практике считают, что относительное изменение величины любого параметра не должно превышать одного процента, что соответствует точности измерений типичных в этой области;
  • воздействие стерилизующего фактора не должно приводить к образованию вредных, токсичных веществ (канцерогенов), что особенно существенно для фармпрепаратов и изделий, контактирующих с кровью. Выполнение этих условий обеспечивается правильным выбором стерилизующей дозы.


Авторы практически всех работ, посвященных изучению применимости пиковолновой обработки лекарств в целях их стерилизации, исходят из предположения о том, что ионизирующее излучение, убивая микрофлору, в той или иной мере разрушает основной действующий компонент препарата и, следовательно, снижает эффективность терапевтического действия последнего. Поэтому все свои усилия исследователи направляют на то, чтобы уменьшить степень воздействия излучения на фармпрепарат, априори считая такое воздействие отрицательным. Сотрудникам кафедры радиационной технологии во главе с профессором Юдиным И.В. удалось показать, что пиковолновая обработка препаратов природного происхождения приводит не только к стерилизующему действию, но зачастую проявляется существенный синергизм лечебного действия отдельных компонентов лекарства.

Полимерные композиции для иммобилизации радиоактивных отходов

В результате деятельности атомных электростанций, судовых ядерно-энергетических установок образуются радиоактивные отходы (РАО), которые представляют постоянную опасность для жизни и здоровья человека в течение многих лет. В мире накопилось огромное количество радиоактивных отходов, которые невозможно или экономически нецелесообразно перерабатывать полностью.

Поскольку радионуклиды, составляющие РАО, отрицательно воздействуют на живую природу, имеют свойство создавать радиационную опасность в течение очень продолжительного времени, в большинстве своем не являются химически инертными и легко распространяются в биосфере, разнообразны по химическим формам и агрегатным состояниям и имеют различные уровни активности, то, прежде всего, ставится вопрос об их связывании и последующем хранении и/или захоронении.

Определяющим пригодность тех или иных материалов для связывания РАО, является химическая устойчивость отвержденных РАО к действию природных факторов. Эта устойчивость оценивается скоростью выщелачивания радионуклидов из отвержденного блока [Rn (г/см2 сутки)]. Скорость выщелачивания радионуклидов представляет собой скорость вымывания наполнителя, меченного радионуклидом, определяемую по измерению активности того или иного изотопа в веществе.

В силу того, что отвержденные блоки закладываются на длительное хранение и в дальнейшем не исключены механические воздействия на них, довольно важной характеристикой служит предел прочности на сжатие, МПа. Наибольшее значение этот параметр приобретает при выборе условий транспортировки контейнера.

Термический коэффициент линейного расширения имеет смысл при выборе материала контейнера для длительного хранения или окончательного захоронения отвержденных блоков.

Теплопроводность, [Вт/(м2хК)] имеет существенное значение при отводе тепла от контейнера, но эта характеристика важна для высокоактивных РАО. Радиационная стойкость - комплексный параметр, учитывающий изменение основных свойств матрицы под действием внутреннего облучения. Под действием радиации происходит деструкция материалов, газовыделение, изменяется прочность, скорость выщелачивания и т.д. Часто характер этих изменений сложен, носит экстремальный характер. При рассмотрении информации по проблеме отверждения РАО имеют в виду под радиационной стойкостью, как правило, резкое снижение устойчивости к выщелачиванию при наборе определенной дозы.

Теплостойкость отвержденных образцов необходимо учитывать как при проведении технологического процесса отверждения, так и при определении режима охлаждения. Следует учитывать возможность химических превращений наполнителя и матрицы при повышенных температурах.

Оценивая по приведенным характеристикам применяемые в настоящее время способы перевода жидких радиоактивных отходов в твердое состояние можно констатировать, что практически все они не лишены недостатков, т.е. не удовлетворяют всему комплексу свойств, необходимых для длительного хранения РАО.

Так, наиболее простой способ отверждения РАО - цементирование, находит ограниченное применение, как правило, при отверждении низкоактивных радиоактивных отходов, поскольку обладает достаточно высокой выщелачиваемостью в контакте с водой, что требует дополнительно создания надежной гидроизоляции в хранилищах. Особенно подвержены выщелачиванию из цементной массы изотопы Cs и Ru. Высокая выщелачиваемость из цемента ограничивает количество радиоактивных веществ, которое можно включать в блоки. Кроме того, цементные блоки подвержены эрозии при хранении их на открытом воздухе.

Битумирование - процесс сплавления высушенных радиоактивных осадков с битумом, имеет практически все характеристики лучше, чем цементирование, но требует уже специального технологического оборудования (отгонка воды из солевых концентратов, разогрев всей массы до температуры не ниже 160°С и т.д.), что существенно усложняет процесс.

Самым надежным способом отверждения РАО является остекловывание. Остекловывание позволяет связывать высокоактивные отходы с активностью более 1 Ки/л (3,7* 1013 Бк/м3). Остеклованные отходы характеризуются наибольшей стойкостью к выщелачиванию (до 10-8 г/(см2* сут)).

Химические проблемы остекловывания в настоящее время имеют несколько аспектов. Среди них основными являются: получение гомогенных стекол с высоким содержанием окислов; улавливание летучих радиоактивных изотопов Cs и Ru; борьба с коррозией плавильных установок.

Радиационная стойкость стекол начинает падать при дозах более 109 Гр и сопровождается расстекловыванием, что приводит к растрескиванию и, как следствие, к интенсификации выщелачивания.

Анализируя существующие методы отверждения радиоактивных отходов, мы пришли к выводу, что для этих целей может быть использована разработанная нами эпоксиакриловая композиция (ЭАК). Композиция отверждается под действием ионизирующего излучения на воздухе при комнатной температуре.

Эпоксиакриловые композиции приготовляются смешением эпоксидных смол (ЭД-16 или ЭД-20) с акриловой кислотой.

Сравнительные результаты по использованию различных методов отверждения радиоактивных отходов, включая и эпоксиакриловую композицию, приведены в таблице 2.

Таблица 2. Сравнительные характеристики различных методов отверждения РАО

Метод отвержденияRn, г/(см2 сут)Предел прочности на сжатие, МПаТеплопроводность, Вт/(мК)Радиац. Стойкость, ГрОтверждаемые РАОНедостатки метода
Цементирование10-3-10-2100-2000.1-0.2105НизкоактивныеУвеличение объема. Эрозия блока. Необходимость гидроизоляции
Битумирование10-5-10-4 0.1-0.3107СреднеактивныеПожароопасность
Остекловывание10-8-10-7500-15000.8-1.5109ВысокоактивныеВысокая температура отверждения
Заключение РАО в ЭАК10-7-10-510.300.1-1.0108Среднеактивные 


Из таблицы видно, что ЭАК стоит на одном уровне с битумированием, а по некоторым параметрам даже превосходит его: на порядок выше радиационная стойкость, на порядок ниже скорость выщелачивания, выше теплопроводность. Кроме того, следует отметить положительное качество ЭАК - негорючесть и отверждение при комнатной температуре, что не требует дополнительных энергозатрат при отверждении. Битумы же, как уже отмечалось, пожароопасны, для отверждения требуют нагрева до 200-300°С, что приводит к утечке в окружающую среду летучих радионуклидов. Высокая технологичность процесса, возможность проведения процесса отверждения при комнатной температуре на воздухе, позволяет считать этот метод конкурентоспособным по сравнению с существующими в настоящее время традиционными методиками.

Основным преимуществом предлагаемого метода является его технологичность. Процесс замоноличивания остатков жидких радиоактивных отходов (шламов) может быть осуществлен непосредственно на объекте, что особенно важно для военно-морского флота, без дополнительных капитальных затрат, как например, при битумировании, и после выдерживания до отверждения ЭАК под действием ионизирующего излучения самих РАО, блок транспортируется на длительное хранение (захоронение). Именно это и позволило применить нашу технологию для иммобилизации радиоактивных отходов при утилизации плавбазы ПМ-32.

Персинен А.А.
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)


 

©2007-2017 Бюро инновационных технологийcms4site™