На правах рукописи

ИБРАГИМОВ Ильдар Маратович

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭНЕРГЕТИКИ

Специальность: 03.02.08 – Экология (в энергетике)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва 2011

2

Работа выполнена в Московском государственном открытом университете

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Аракелян Эдик Койрунович

доктор технических наук, профессор

Былкин Борис Константинович

доктор технических наук, профессор

Шевердяев Олег Николаевич

Ведущая организация: Государственный научный центр РФ –

Физико-энергетический институт

им. А. И. Лейпунского

Защита диссертации состоится 7 июня 2011 г. в 15 час. в ауд. 342

на заседании диссертационного совета Д 212.137.01 при Московском

государственном открытом университете по адресу: 107996, г. Москва,

ул. Павла Корчагина, д. 22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государ-

ственного открытого университета.

Автореферат разослан 12 апреля 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А. Б. Пермяков

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из ключевых сфер деятельности человече-

ства, оказывающих негативное влияние на окружающую природную среду,

является энергетика, которая по масштабам воздействия на климат планеты

превосходит все остальные антропогенные факторы и сравнима лишь с мощ-

ными природными силами. В настоящее время мировая энергетика носит

преимущественно природоразрушающий характер. Наряду с локальными

экологическими бедствиями, такими как загрязнение воздуха, воды и почвы,

существует также опасность резкого усиления парникового эффекта в ре-

зультате сжигания органического топлива, сопровождаемого выбросами уг-

лекислого газа, что приводит к дальнейшему более заметному повышению

средней температуры атмосферы (за последние 100 лет она повысилась на 0,6

градуса) и изменению климата нашей планеты. Такое положение усугубляет-

ся тем, что при эксплуатации как тепловых, так и атомных электростанций

происходят также значительные тепловые выбросы в окружающую среду

(градирни, пруды-охладители и др.), так как КПД преобразования тепловой

энергии в электрическую составляет в среднем 30–45 %.

Прошла всего пара десятилетий с тех пор, как в мировом сообществе за-

говорили о глобальном потеплении, а переломные моменты начинают следо-

вать один за другим. Полученные данные свидетельствуют о растущем числе

случаев засухи и, соответственно, наводнений, а также катастрофическом со-

кращении размеров ледников, которые питают водой города, расположенные

в Южной Америке и на азиатском субконтиненте. Исследования ледников

Гренландии и западной Антарктики показывают, что ледяные щиты, размы-

ваемые нагревающимися морскими водами, стали перемещаться в направле-

нии океана. По прогнозам экологов уровень воды в мировом океане в течение

столетия может подняться почти на 2 метра, что представляет реальную уг-

розу для всей цивилизации. В таких экологических последствиях нет ничего

неожиданного. Ведь сейчас бесконтрольно используется углеводородное то-

4

пливо, которое образовалось под воздействием солнечного излучения и ко-

пилось в недрах Земли на протяжении многих миллионов лет. Поэтому эко-

логическая политика, наряду с состоянием ресурсной базы, становится одним

из главных регуляторов развития мировой энергетической отрасли.

Существенное отрицательное воздействие энергетики на биосферу и ус-

ловия жизни людей вызывает необходимость срочного решения двух научно-

технических проблем: повышение эффективности технических средств и ме-

тодов защиты окружающей среды от действующих объектов энергетики; ос-

воение новых экологически чистых технологий для получения энергии, так как

применение возобновляемых источников энергии (вода и ветер) носит локаль-

ный характер и вызывает определенные экологические последствия (нарушение

режима рек и опасные низкочастотные колебания в окружающей среде).

Цель работы. Цель диссертационной работы заключается в исследовании

и разработке способов снижения негативного воздействия основных объек-

тов энергетики (ТЭС и АЭС) на окружающую природную среду с использо-

ванием инновационных технологий и систем. Для реализации этой цели были

определены следующие задачи:

1. Защита окружающей природной среды от вредных выбросов окси-

дов азота в котельных установках путем оптимизации процесса сжигания

топлива.

2. Повышение уровня контроля и степени очистки воздуха, воды и почвы

от загрязняющих веществ.

3. Ограничение выбросов углекислого газа в атмосферу при эксплуатации

энергетических объектов, сжигающих органическое топливо

4. Усиление экологической безопасности АЭС путем повышения надеж-

ности оперативного персонала.

5. Обоснование фотокаталитического разложения воды для получения

водорода в солнечно-водородной энергетике, которая не вызывает посту-

пление вредных веществ в окружающую среду и не нарушает тепловой

баланс Земли.

5

Научная новизна работы:

— показана возможность применения технологий искусственного интел-

лекта и наноструктурных материалов для решения экологических проблем в

энергетике;

— впервые в отечественной практике проведена цифровая обработка непре-

рывного изображения пламени в горелках действующей котельной установки;

— предложена модель интеллектуальной системы для мониторинга и

управления процессом горения на основе использования нейронных сетей и

цифровой обработки изображения пламени;

— выявлены факторы, определяющие поведение и ошибки персонала, а

также показатели, характеризующие его надежность, на основе комплексного

анализа роли человеческого фактора во время аварийных ситуаций; разрабо-

тана интеллектуальная система для оценки профессиональной подготовки

оператора;

— выбраны наносистемы для контроля газообразных выбросов и водной

среды на основе применения наноструктурных материалов: самособираю-

щихся мономолекулярных слоев на мезопористых подложках (СМСМП) и

углеродных нанотрубок (УНТ);

— рекомендованы наноструктурные материалы для очистки грунтовых

вод от тяжелых металлов от ТЭС и радиоактивных элементов от АЭС с ис-

пользованием наноразмерного нуль-валентного железа (ННВЖ);

— рекомендовано для улавливания углекислого газа из дымовых газов

котельных установок вместо достаточно дорогих традиционных методов

удаления использовать материалы СМСМП с аминовым сорбентом и метал-

лоорганические каркасные полимеры, включающие ионы магния;

— предложен пакет программных продуктов для моделирования процес-

сов наноочистки грунтовых вод от вредных загрязняющих веществ;

— рекомендованы наиболее эффективные наноструктурные материалы

для создания солнечных элементов;

6

— выбраны методы фотокаталитического разложения воды на молеку-

лярном уровне с целью получения водорода для использования в солнечно-

водородной энергетике.

Практическая значимость. Использование разработанной нейросетевой

модели для управления процессом горения на отечественных ТЭС даст воз-

можность повысить эффективность топочного процесса и снизить выбросы

оксидов азота в окружающую среду.

Применение интеллектуальных систем обучения и подготовки оператив-

ного персонала энергетических экологически опасных объектов (АЭС) по-

зволит повысить надежность операторов, снизить количество аварий и за-

грязнение окружающей среды.

Применение рекомендованных наноструктурных материалов при монито-

ринге и очистке воздушной и водной среды приведет к существенному

улучшению экологического состояния природной окружающей среды.

Осуществление на наноразмерном уровне фотокаталитического разложе-

ния воды с получением молекулярного водорода даст возможность создать

солнечно-водородную энергетику, самую экологически чистую энергетику,

когда при использовании водорода не происходит никаких выбросов загряз-

няющих веществ и не выделяется дополнительное тепло в окружающую сре-

ду (происходит лишь внутреннее перераспределение на Земле поступающей

солнечной энергии).

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

— методология цифровой обработки и анализа непрерывного изображе-

ния пламени в горелках котлов;

— нейросетевая модель мониторинга и управления процессом горения в

котельных установках;

— результаты анализа причин ошибок оперативного персонала во время

аварийных ситуаций и оценка профессиональной подготовки оператора энер-

гетических объектов;

7

— функциональные свойства и структуры наносистем, предназначенных

для контроля и очистки атмосферы и грунтовых вод от загрязняющих орга-

нических веществ, тяжелых металлов и радиоактивных элементов, возни-

кающих при эксплуатации АЭС;

— наиболее эффективные наноструктурные материалы для создания сол-

нечных элементов;

— методы фотокаталитического разложения воды на молекулярном уров-

не с целью получения водорода для его использования в солнечно-водо-

родной энергетике.

Личный вклад автора. Самостоятельная работа автора диссертации за-

ключается в постановке задач исследования экологических проблем в энер-

гетике с применением инновационных технологий и систем, в разработке и

обосновании способов и методов, позволяющих снизить негативное воздей-

ствие энергетики на окружающую природную среду, в анализе результатов

исследований и составлении рекомендаций по дальнейшему использованию

полученных результатов в промышленных испытаниях. Решение задач по

применению интеллектуальных систем для мониторинга и управления про-

цессом горения в котельных установках проводилось автором совместно с

Беликовым С. Е., который выполнял экспериментальную часть работы, а ав-

тор диссертации — постановку задачи, расчетно-теоретическую часть и ана-

лиз результатов работы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы док-

ладывались и обсуждались на следующих конференциях и форумах: XXXIII

научная конференция «Электронный мир МГОУ», г. Москва, 2002 г.; XV

Международная конференция «Информационные технологии в образовании

ИТО-2005», г. Москва, 2005 г.; Международная научно-практическая конфе-

ренция «Нанотехнология и информационные технологии — технологии XXI

века», г. Москва, 2006 г.; V Международное совещание по проблемам энер-

гоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и транспорте,

г. Москва, 2006 г.; 4-й Международный форум «Энергетика и экология»,

8

г. Москва, 2008 г., VI Международное совещание по проблемам энергоакку-

мулирования и экологии в машиностроении, энергетике и транспорте, г. Мо-

сква, 2009 г.; Международная научно-техническая конференция «Нанотехно-

логии и наноматериалы», г. Москва, 2009 г.; II Международный форум по

нанотехнологиям «Роснанотех-2009», г. Москва, 2009 г.; XIX Международ-

ная конференция «Информационные технологии в образовании ИТО-2009»,

г. Москва, 2009 г.; Международная научно-практическая конференция «Ис-

торические, научные и социальные проблемы отечественной космонавтики»,

г. Москва, 2010 г.; IV Международная научно-практическая конференция

«Энергия и энергоэффективные технологии», г. Липецк, 2010 г.

Публикации. Содержание диссертационной работы изложено в 48 печат-

ных публикациях, в том числе в 8 книгах и 13 статьях, которые опубликова-

ны в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,

выводов и списка литературы, включающего 185 наименований. Общий объ-

ем работы составляет 243 стр., в том числе 47 рисунков и 2 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, научная и практическая значи-

мость темы диссертационной работы; изложены краткие характеристики ее

основных положений.

В первой главе рассмотрено воздействие энергетики на экологическое

состояние окружающей природной среды. Для тепловой энергетики приве-

дены источники образования загрязняющих веществ и проанализированы

последствия попадания загрязняющих веществ в атмосферу и водную среду.

Для атомной энергетики указаны возникающие радиоактивные нуклиды и

пути их проникновения в окружающую среду. В выбросах радиоактивных

продуктов на АЭС основную долю составляют продукты деления, которые

могут проникать в организм человека различными путями и при этом оказы-

вать на него различное радиологическое воздействие.

9

Отечественная и мировая практика показывает, что добиться полностью

безаварийной работы экологически опасных предприятий не представляется

возможным. Причинно-следственный комплекс аварий и катастроф обуслов-

лен большим числом факторов случайной природы и характеризуется техно-

генным риском, который является неизбежным условием научно-техничес-

кого прогресса. Поэтому необходимо научиться управлять рисками и коррек-

тировать свое отношение к ним. Применение понятия риска позволяет пере-

водить опасность в разряд измеряемых категорий, т. е. величина риска пока-

зывает меру опасности.

Из проведенного анализа воздействия энергетики на окружающую среду

выявлены основные задачи, которые составляют цель диссертационной работы.

Во второй главе приведены сведения о свойствах и характеристиках ин-

теллектуальных систем и наноструктурных материалов, которые использова-

ны в диссертационной работе.

Изложены назначение и классификация технологий искусственного интел-

лекта, основанных на особенностях поведения и способности человека к обу-

чению и адаптации: нейронные сети (НС), которые в весьма условной и при-

ближенной форме моделируют процессы, происходящие в совокупности био-

логических нейронов человека; генетические алгоритмы (ГА), представляю-

щие собой специальные компьютерные технологии с последовательностью

управляющих действий и операций для поиска оптимальных решений; нечет-

кая логика (НЛ), которая оперирует не с четкими понятиями (да/нет,

ноль/единица, истина/ложь и т.п.), а имеет дело с понятиями (величинами),

находящимися в непрерывном или дискретном диапазоне.

Свойства наноструктурных материалов определяются особенностями

протекания процессов в наноразмерном масштабе, когда меняются все фун-

даментальные характеристики вещества: параметр решетки, электронный и

фононный спектры, работа выхода электронов, температура плавления, твер-

дость, пластичность и др. Поэтому размер частицы является активной пере-

менной, определяющей состояние системы и ее реакционную способность.

10

Новые качественные явления позволяют существенно улучшить свойства ма-

териалов и создать устройства с возможностями, которые недостижимы на

основе применения традиционных технологий.

Возможность конструирования, моделирования и расчета искусственных

наносистем является существенным требованием нанотехнологии, вследствие

чего вычислительная нанотехнология становится важным инструментом разра-

ботки и создания таких наносистем. Основой вычислительной нанотехнологии

становится в настоящее время компьютерное моделирование наносистем, кото-

рое основано на следующих основных численных методах расчета: квантово-

теоретические расчеты «из первых принципов» (ab initio), молекулярная меха-

ника, молекулярная динамика и методы Монте-Карло.

Квантово-теоретический подход состоит в нахождении обоснованных фи-

зических приближений, позволяющих упростить схему вычислений без при-

влечения экспериментальных данных. Распространенными методами расчета

«из первых принципов» являются модели самосогласованного поля, линей-

ной комбинации атомных и молекулярных орбиталей, теории функционала

плотности и поверхности потенциальной энергии.

Методы молекулярной механики и молекулярной динамики основаны на

классических представлениях. Частицы рассматривают как материальные

точки, взаимодействующие через силовые поля, которые, определяются по-

тенциалами взаимодействия. Молекулярная механика позволяет определить

энергетически выгодное пространственное строение молекулы путем нахо-

ждения локального минимума ее потенциальной энергии, молекулярная ди-

намика дает возможность найти траекторию движения атомов в силовом

поле молекулы, а с помощью методов Монте-Карло рассматривают стати-

стическую совокупность энергетических состояний атомов в молекуле, что

позволяет определить самое выгодное в энергетическом отношении про-

странственное строение молекул, а также оценить их термодинамические

характеристики.

11

В третьей главе рассмотрено применение технологий искусственного ин-

теллекта для решения экологических проблем в энергетике: оптимизация

процесса горения в котлах и повышение надежности персонала энергетиче-

ских объектов.

Непосредственный мониторинг пламени в котле ТЭС играет важную роль в

системе контроля за вредными выбросами и оптимизации процесса горения. Пла-

мя является центральной зоной реакции процесса горения, а его геометрические,

световые и термодинамические характеристики дают мгновенную информацию о

качестве и мощности горения. Поэтому визуализация и определение параметров

пламени являются необходимым условием оптимизации процесса горения.

Эксперименты по цифровому анализу пламени были проведены на ко-

тельной установке ЭТЭЦ ВТИ в 2004 г. Котел ПК-35-350-ГМ рассчитан на

паропроизводительность 35 т/ч и параметры острого пара: давление

350 кгс/см2 и температура 600 °С. Температура питательной воды на входе в

котел – 104 °С, температура горячего воздуха – 213 °С, температура уходя-

щих газов – 122 °С. В нижней части топки на боковых стенах камеры уста-

новлены четыре газомазутные горелки. Горелки имеют тангенциальную ком-

поновку с диаметром условной окружности в центре 500 мм.

С помощью цифровой видеокамеры CCD производилась непрерывная

съемка пламени одной горелки котла при разных режимах работы котельной

установки и различной концентрации выбросов оксидов азота. Проведены

идентификация и цифровой анализ пламени для каждого опыта. Для свето-

вой области Rf были рассчитаны яркость Bf и световая неоднородность Uf по

следующим формулам:

1 1( , ) 100%

255f f

f

i R j R f

B G i jR

,

8 4

5 1

8

1

( ) ( )

100%

( )

p pp p

f

pp

g H p g H p

U

g H p

,

12

где G(i, j) – матрица изображения, H(p) – распределение интенсивности све-

та, p и gp – диапазон значений и уровень серого цвета пиксела.

Такой анализ показал, что для каждого режима работы котла наблюдают-

ся свои характерные цветовые параметры пламени, которые были использо-

ваны для компьютерной обработки и анализа с помощью приложения Image

Processing Toolbox. Каждая элементарная область изображения пламени

(пиксел) отображалась в формате RGB тремя цифрами (красный, зеленый и

голубой компоненты) с интенсивностью от 0 до 255.

Предложена модель интеллектуальной системы наблюдения за пламенем

горелки и управления процессом горения, основанной на комбинации ней-

ронных сетей и технологии цифровой обработки изображений пламени (см.

рис. 1). Основной целью такой интеллектуальной системы является миними-

зация выбросов NOX при одновременном поддержании эффективности рабо-

ты котла. Подобная оптимизация может производиться путем изменения со-

отношения воздух/топливо на горелках всех уровней котла.

Геометрические и световые параметры пламени фиксируются для опреде-

ленной световой области изображения в динамическом режиме. Нейронная

Топливный клапан

Захват кадров

Обработка

изображений

Нейронная

сеть

Цифровая карта

ввода/вывода

Компьютер

Камера CCD

Оптический фильтр

Представление

данных

Управление

приводами

Воздушный клапан

Горелка

Поток воздуха

Поток топлива

Рис. 1. Модель мониторинга пламени и системы управления

процессом горения

13

сеть, разработанная на основе этих параметров, дает возможность идентифи-

кации пламени по всему диапазону расходов воздуха и топлива. В применяе-

мых алгоритмах управления используются выходные сигналы нейронной се-

ти, эффективно осуществляющие замкнутый контроль (с обратной связью)

состояния пламени и регулирование воздушных клапанов.

В результате анализа различных технологий искусственного интеллекта

для управления процессом горения была выбрана наиболее перспективная

архитектура рекуррентной динамической нейронной сети, основанная на

многоагентной системе. В большинстве случаев неполнота и недостовер-

ность информации о текущем состоянии окружающей среды вызвана в ос-

новном отсутствием или ошибочной работой датчиков (сенсоров). Поэтому

для обучения агента была использована технология так называемого подкре-

пленного (усиленного) обучения RL (Reinforcement Learning).

Доступной при эксплуатации ТЭС является только общая информация о

процессе горения, например общее количество приточного воздуха и топли-

ва, величины выбросов NOX, и в то же время отсутствует более детальная

информация, например, о соотношении воздуха и топлива для каждой горел-

ки. Поэтому для получения большей информации о распределении топлива и

воздуха по отдельным горелкам и состоянии пламени следует установить

специальные системы видеокамер, ведущих наблюдение за каждым пламе-

нем горелок. Получаемые данные должны использоваться для управления

процессом горения. На рис. 2 показана схема получения визуальных характе-

ристик, описывающих процесс горения для шести горелок котла, располо-

женных на 3-х уровнях 10, 20 и 30. Вначале происходит фильтрация видео-

потоков от каждой камеры по отрезкам времени, а затем вычисляются необ-

ходимые величины, представляющие интенсивность, форму и положение

пламени. Для уменьшения большого количества данных, описывающих ха-

рактеристики пламени, проводится корреляционный анализ визуальных ха-

рактеристик и нескольких важных параметров процесса горения, например

величины выхода NOX и температура выходящих газов.

14

Из-за огромного объема пространства действий (12 независимых пере-

менных управления) в сочетании с очень большим пространством состояний

процесса, полный анализ всех пар «состояний-действий» занял бы очень

много времени. В связи с этим принята система из нескольких агентов, каж-

дый из которых ведет наблюдение только в соответствующем подмножестве

пространства состояний и использует только подмножество доступных

средств управления. На рис. 3 показана декомпозиция системы на 4 агента со

своими входами (средние интенсивности изображений пламени) и соответст-

вующими средствами управления.

Агенты L10, L20 и L30 наблюдают только отношения интенсивности ле-

вого и правого пламени на всех уровнях и управляют распределением возду-

ха на соответствующем уровне горелки. Агент O2 наблюдает интенсивности

пламени всех горелок и суммарного отношения приточного воздуха и угля

(λ). Этот агент контролирует также общую сумму потребления воздуха для

каждого уровня.

6 горелок

камеры

среднее

отклонение

среднее

отклонение

среднее

отклонение среднее

отклонение

среднее

отклонение

среднее

отклонение

камеры

Вектор характеристик

Рис. 2. Получение визуальных характеристик,

описывающих процесс горения.

15

Принципиальная схема архитектуры нейронной сети для отдельного аген-

та показана на рис. 4. На вход нейронной сети (НС) подаются визуальные ха-

рактеристики пламени горелок и значение параметра λ. В самой нейронной

сети производится анализ полученных данных и на основе самообучения

системы вырабатываются соответствующие управляющие решения и дейст-

вия для приведения процесса горения в оптимальный режим.

Коррекция весов нейронной сети wk(t) для нейрона k рассчитывается по

формуле

( )

НС ( )( ) ( ) [ ( ) ( )]

i k

h t

k kw t t e x t w t

,

где ηНС

(t) – скорость обучения, i(k) – индекс нейрона k в упорядоченном спи-

ске по расстоянию от входных значений x(t) и h(t) – радиус обучения.

FB11

… FB12

… FB21

… FB22

… FB31

… FB32

… λ

Агент L10 Агент L20 Агент L30 Агент O2

В е к т о р х а р а к т е р и с т и к

По

дач

и в

озд

ух

а сл

ева/

спр

ава

По

дач

и в

озд

уха

осн

./до

п.

В11

По

дач

и в

озд

уха

осн

./до

п.

В12

По

дач

и в

озд

уха

слев

а/сп

рав

а

По

дач

и в

озд

ух

а осн

./до

п. В

21

По

дач

и в

озд

ух

а осн

./до

п. В

22

Об

щи

й р

асхо

д в

озд

ух

а L

10

Об

щи

й р

асхо

д в

озд

ух

а L

20

О

бщ

ий

рас

хо

д в

озд

ух

а L

30

По

дач

и в

озд

ух

а сл

ева/

спр

ава

По

дач

и в

озд

ух

а осн

./до

п. В

31

По

дач

и в

озд

ух

а осн

./до

п. В

32

Рис. 3. Декомпозиция задачи управления на 4 агента со своими входами и

соответствующими средствами управления.

16

Контролируемый процесс горения путем интеллектуального мониторинга

пламени на основе нейронных сетей с использованием технологии усиленно-

го обучения позволяет надежно эксплуатировать котлы с пониженным уров-

нем избыточного воздуха, что приводит к повышению эффективности энер-

гетической установки, уменьшению расхода топлива и снижению выбросов

оксидов азота. На диаграмме (см. рис. 5) показана процедура оптимизации

процесса горения, основанная на изменении соотношения между подаваемым

воздухом и количеством топлива. При этом концентрация NOX в дымовых газах

снижается, концентрация CO не переходит установленный допустимый предел,

а общее количество подаваемого воздуха также уменьшается. В оптимальном

режиме горения при минимально возможных выбросах NOX и CO будет обес-

печена максимально возможная эффективность (КПД) горения. Поддержание в

котельных установках оптимального соотношения воздух/топливо имеет прин-

ципиальное значение при использовании низкосортного угля с изменяющимся

во время эксплуатации его качеством.

дискретное управление

λ визуальные характеристики пламени горелок

RL

-си

стем

а

Рис. 4. Нейронная архитектура управления процессом горения для от-

дельного агента с RL-алгоритмом

действия

ассоциативная память НС

элементы НС

весовые функции НС

входные векторы

17

Другой достаточно широкой областью применения интеллектуальных сис-

тем является повышение надежности персонала АЭС. Это связано с осознани-

ем того факта, что одной из основных причин многих аварий глобальных

масштабов являются человеческие ошибки. По литературным данным, 80%

катастроф в авиации и 64% на морском флоте происходят в результате ошибок

человека. В атомной энергетике эта цифра достигает 70%.

Статистический анализ происшествий на АЭС по результатам 200 отчетов

позволил сделать вывод, что поведение человека и его ошибки определяются в

основном неправильным выбором действий в аварийной ситуации (76,5%).

Это обстоятельство указывает на необходимость внедрения интеллекту-

альных систем для оценки профессиональной пригодности оператора, усиле-

ния его подготовки, развития средств и методов обучения и тренировки.

С этой целью составлены рекомендации по созданию специализированно-

го контента для автоматизированного обучения на основе компьютерных

программ, для корпоративного дистанционного обучения и мобильного элек-

тронного обучения, позволяющего в полной мере реализовать принцип:

«Обучение в любом удобном месте, в любое удобное время».

Соотношение воздух/топливо λ Оптимальное

значение Начало

оптимизации

Концентрация

NOX +ΔCO

–Δλ

Концентрация

CO

КПД

–ΔNOX

Рис. 5. Схема процедуры оптимизации процесса горения

18

Для заключительной оценки профессиональной подготовки оператора

разработана интеллектуальная система на основе обучаемой нейронной сети

с радиально-базисной функцией. В качестве входных параметров НС выбра-

ны 32 фактора, характеризующие индивидуальные особенности, образова-

ние, качество обучения и условия работы оператора. На выходе НС опреде-

ляется уровень подготовки оператора: «хороший», «удовлетворительный» и

«неудовлетворительный» (рис. 6).

Выходное значение i-го нейрона скрытого слоя рассчитывается по следую-

щей формуле (в качестве радиально-базисной функции выбрана функция Гаусса)

kii

ii

iWX

WXy

22

22

2exp

2exp

,

где X – входной вектор, Wi = {w1i, w2i, wmi} – вектор весов i-го нейрона скры-

того слоя, σi – параметр рассеяния. Выходное значение z рассчитывается как

взвешенная сумма выходных значений

m

jij yvz

1

,

где vj – весовой коэффициент j-го входа выходного нейрона.

Рис. 6. Нейронная сеть с радиально-базисной функцией

Входной слой

«хороший»

Уровни подготовки

«удовлетворительный» «неудовлетворительный»

Выходной слой Скрытый слой

w11 x1

x2

xn

w21

wn1

wnm

v1

v2

vm

z

19

В четвертой главе диссертации приведены результаты исследований по вы-

бору наноструктурных материалов для контроля и очистки окружающей среды.

Принцип действия полупроводниковых газовых сенсоров основан на за-

висимости электропроводности чувствительного слоя сенсоров от содержа-

ния газов в окружающей среде. Характеристики сенсора определяются мате-

риалом чувствительного слоя — химическим составом и кристаллической

структурой, а также зависят от свойств всех составляющих элементов сенсо-

ра — материала подложки, материала и геометрии нагревателя и измери-

тельных электродов, конструкции сенсора.

Большое количество разных наноразмерных материалов было исследовано

на применимость в качестве детекторов. Диоксид олова SnO2 может быть ис-

пользован как подходящий полупроводящий материал для детектирования в

виде нанокристаллических пленок, в форме наночастиц или в соединении с

другими материалами, например, функционализированной медью. SnO2 по-

зволяет обнаружить такие загрязнители воздуха, как CO, CO2, NOX, H2S и др.

Весьма перспективными являются композиционные пленки SnO2 + SiO2,

полученные одновременным распылением олова и кварца в кислородосодер-

жащей атмосфере. Таким методом могут быть изготовлены пленки, размер зе-

рен кристаллов в которых лежит в пределах 5÷10 нм.

Большой интерес для газовых сенсоров представляет также оксид цинка

ZnO из-за его уникальных физических и химических свойств, в частности,

достаточно сильной зависимости электрической проводимости от химиче-

ского состава поверхности.

Особенно привлекательны для разработки сенсоров углеродные нанотрубки

(УНТ), так как их электропроводность может изменяться при адсорбции раз-

личных материалов на поверхность. Одностенные углеродные нанотрубки

имеют более быструю реакцию и существенно более высокую чувствитель-

ность, в частности, к молекулам газов (таким как NO2 и NH3) по сравнению с

существующими твердотельными датчиками при комнатной температуре.

20

Таким образом, на основании результатов исследований для контроля воз-

душной среды следует использовать в качестве датчиков полупроводниковые

наноструктурные материалы (ZnO, SnO2, In2O3) и углеродные нанотрубки. Та-

кие датчики газов способны обнаруживать посторонние газы в воздухе в

объемных концентрациях на уровне единиц ррm (1 молекула на миллион мо-

лекул воздуха).

Контроль состояния водной среды на содержание неорганических и орга-

нических веществ проводится методом вольтамперометрии, который основан

на регистрации катодного или анодного тока, возникающего в результате

электрохимической реакции на индикаторном микроэлектроде.

Наноструктурные материалы становятся все более распространенными

при разработке электрохимических сенсоров с достаточно малыми размера-

ми, которые являются весьма чувствительными и легко интегрируемыми в

полевые переносные устройства. В наносенсорах наиболее часто применяют

углеродные нанотрубки (УНТ), которые отличаются широким диапазоном

электрических свойств. Большинство нанотрубок — полупроводники, но есть и

хорошие проводники и даже изоляторы. Проводимость нанотрубки зависит от

ее геометрического строения, а именно от ориентации графитовой плоскости

относительно оси нанотрубки.

Большая площадь поверхности УНТ обеспечивает эффективную адсорб-

цию многих веществ: диоксинов, ионов фтора, свинца и т.д. Поверхность

УНТ можно модифицировать функциональными группами (например, кар-

боксильными) и допировать другими атомами путем введения их внутрь на-

нотрубки. Модификация поверхности УНТ полимерными пленками повыша-

ет селективность сенсоров. Так, полиэтилениминовое покрытие позволяет

селективно измерять крайне низкие концентрации NO2 (на уровне 10–4

ppm)

на фоне многих других газов, а с покрытием пленкой нафиона можно опре-

делять NH3 на фоне NO2.

Помимо углеродных нанотрубок могут быть применены также нанотруб-

ки из других веществ, в частности, Co3O4, Fe2O3, SnO2 и TiO2. Металлооксид-

21

ные нанотрубки используют в основном в химических сенсорах для контроля

газов и паров веществ (H2, CO, этанол, этиленоксид и др.).

На основе кристаллического диоксида кремния с шестиугольными ячейка-

ми, содержащими упорядоченные поры (MCM-41), был создан новый класс

наноструктурированных сорбентов: самособирающиеся мономолекулярные

слои на мезопористых подложках (СМСМП), получаемые присоединением

различных органических соединений к материалу MCM-41 (рис. 7).

Материалы СМСМП являются чрезвычайно эффективными сорбентами.

Открытая параллельно-пористая структура таких материалов с размерами пор

5 нм обеспечивает диффузию исследуемых материалов в нанопористую мат-

рицу, а твердая керамическая основа не допускает смыкания пор. В течение

нескольких минут обычно достигается адсорбция равновесия на материале

СМСМП. Большая площадь поверхности подложек из диоксида кремния

(1000 м2/г) и технология самосборки мономолекулярных слоев приводит к

очень высокой плотности функциональных групп органосиланов.

Материалы СМСМП являются универсальной основой построения различ-

ных сорбентов. Путем изменения вида взаимодействующего лиганда химиче-

ская селективность сорбента может быть настроена для определенных веществ.

Рис. 7. Схема функционализированных самособирающихся

мономолекулярных слоев на мезопористых подложках.

Органосиланы

Самосборка

Мезопористый диоксид кремния

(например, MCM-41)

Самособирающиеся монослои на

мезопористых подложках (СМСМП)

22

Такие наноструктуры позволяют производить выборочную изоляцию опреде-

ленных веществ, включая лантаниды, актиниды, ионы тяжелых и переходных

металлов и др.

На рис. 8 в схематическом виде показаны четыре вида материалов

СМСМП, разработанные как сорбирующие материалы и модификаторы

электродов: c тиолом (SH-СМСМП) для свинца и ртути, с ацетамидом-

фосфиновой кислотой (Ac-Phos-СМСМП) для актинидов и переходных ме-

таллов, с глицинилом-мочевиной (Gly-Ur-СМСМП) для различных металлов

и с салициламидом (Sal-СМСМП) для лантанидов.

Углерод является универсальным материалом для получения поверхностей

с повышенной чувствительностью. Поэтому для повышения чувствительности

анализа материалы СМСМП были внедрены как модификаторы в электроды с

углеродной пастой (ЭУП). Так, материал Ac-Phos-СМСМП-ЭУП может быть

использован для эффективного детектирования урана при наличии весьма

высоких концентраций ионов других тяжелых и переходных металлов.

HO

OH

P O

O

NH

O

O O Si

MCM-41 MCM-41 MCM-41 MCM-41

O

O O Si

SH

Si O

O

O

HO

NH

O O

OH

NH

NH

O

O Si O

Ac-Phos-СМСМП SH-СМСМП Sal-СМСМП Gly-Ur-СМСМП

O

Рис. 8. СМСМП-материалы с различными органосиланами

23

Таким образом, на основании результатов исследований для контроля

водной среды предлагается использовать химические сенсоры на основе

СМСМП из диоксида кремния с соответствующими органосиланами.

Очистка воздушной среды от загрязняющих веществ разработана доста-

точно хорошо. Поэтому в диссертации рассмотрены те вопросы, эффектив-

ность решения которых можно повысить с помощью нанотехнологии, а

именно, фотокаталитическая очистка воздушной среды и улавливание угле-

кислого газа, образующегося при сжигании топлива в котельных установках.

В качестве фотокатализатора в процессах очистки воды и воздуха от ор-

ганических примесей используют исключительно диоксид титана TiO2. На

поверхности TiO2 могут быть окислены до СО2 и H2O практически любые ор-

ганические соединения. Если в состав соединений входят азот или атомы га-

логена Х, то в продуктах реакции будут наблюдаться HNO3 и HX.

Выбор процессов разделения и улавливания диоксида углерода CO2 зави-

сит от условий в газовом потоке, которые в свою очередь зависят от выбора

общей стратегии улавливания CO2. На наш взгляд, наиболее эффективным яв-

ляется применение твердых аминовых сорбентов, как функциональных мате-

риалов для разделения CO2. Полная кинетика адсорбции CO2 на твердом ами-

новом сорбенте определяется кинетикой реакции функциональных аминовых

групп с CO2, а также диффузией газовой фазы через структуры сорбента.

Пористые подложки твердых аминовых сорбентов создают устойчивый

массообмен, а большой диаметр пор, иерархическая структура пор и взаим-

ные соединения пористых каналов способствуют усилению массопереноса.

В качестве подложек для твердых аминовых сорбентов можно выбрать

мезопористые материалы из диоксида кремния MCM-41, MCM-48 и SBA-15,

у которых диаметры пор составляют от 2 до 200 и более нм. Емкость погло-

щения CO2 связанными аминовыми сорбентами при температуре окружаю-

щей среды составляет около от 0,5 до 2,0 молей/кг.

Для улавливания CO2 рекомендуется использовать новый класс нанома-

териалов — искусственно синтезируемые металлоорганические каркасные

24

структуры, способные избирательно захватывать объемные органические

молекулы. Такие наноструктуры с огромной пористостью (внутри этих пор

находятся атомы металлов) и крайне низкой плотностью играют роль емких

губок, впитывающих CO2. Так, металлоорганический полимер Mg-MOF-74,

состоящий из ионов магния, связанных друг с другом органическими линке-

рами, эффективно улавливает диоксид углерода до состояния насыщения

(89 г CO2 на один кг полимера), что значительно превышает емкость цеоли-

тов и других материалов. Важным свойством такого полимера является то,

что при понижении его парциального давления самопроизвольно высвобож-

дается до 90% поглощенного CO2, остальные 10% CO2 можно «выдавить»

при нагреве до 80°С.

Нанотехнология позволяет создать новые и эффективные методы очистки

источников загрязнения грунтовых вод «на месте». В этих методах исполь-

зуются наночастицы с уникальными и настраиваемыми физическими и хи-

мическими свойствами. Их свойства могут быть подобраны таким образом,

чтобы сделать их высокореактивными к общим органическим и неорганиче-

ским загрязнителям, а также для того, чтобы локализовать формирование

нежелательных токсичных продуктов. Малый размер наночастиц (10–100 нм)

обеспечивает возможность доставки этих очистительных агентов под земную

поверхность непосредственно к загрязнителям, а также обеспечивает доступ

к загрязнениям, находящихся в мельчайших порах матрицы водоносного

слоя. Это позволяет ускорить деградацию загрязнителей в зоне источника и

уменьшить время и стоимость очистки по сравнению с традиционными тех-

нологиями.

Железо, которое обладает способностью легко окисляться и образовывать

ржавчину, может стать важным звеном в решении проблемы очистки водной

среды. В этом процессе нуль-валентное железо (НВЖ) Fe0 окисляется до ио-

нов Fe+2

и Fe3+

, показывая прочную тенденцию отдавать электроны к подхо-

дящим акцепторам электронов

Fe0 → Fe

2+ + 2e

–.

25

Наряду с этим НВЖ также хорошо реагирует с большим разнообразием

загрязняющих примесей, подверженных окислительно-восстановительным

процессам. Например, обобщенный хлорированный углеводород RCl пре-

вращается с помощью НВЖ в соответствующий углеводород RH:

RCl + H+ + Fe

0 → RH + Fe

2+ + Cl

–.

Для тяжелых металлов, таких как свинец(II) или хром(VI), происходит

восстановление до нулевой валентности на поверхности наножелеза или до

смешанных форм, выпадающих в осадок, так как они становятся полностью

нерастворимыми. Общая реакция восстановления тяжелых металлов (Me –

ион металла с зарядом а) описывается следующим уравнением:

Mea+

+ b·e– → Me

a–b

Однако при использовании обычного НВЖ возникают определенные ог-

раничения, связанные с уменьшением реакционной способности железа из-за

осаждения гидрооксидов металлов и карбонатов металлов на поверхность

железа. Использование наноразмерного нуль-валентного железа (ННВЖ) по-

зволяет существенно снизить эти ограничения ввиду резкого увеличения у

наночастиц отношения площади поверхности к объему.

В наночастицы ННВЖ (размерами от 10 до 100 нм) в качестве катализа-

тора следует добавлять благородные металлы (например, палладий, серебро).

При этом происходит каталитическое взаимодействие между вторым метал-

лом и железом, а также увеличивается мобильность наночастиц. Второй ме-

талл является обычно менее реактивным и способствует более интенсивному

окислению Fe и переносу электронов. Ряд благородных металлов, особенно

палладий, катализирует дехлорирование и гидрирование и может сделать

очистку более эффективной.

Большое значение имеет использование наночастиц НВЖ для очистки за-

грязненной грунтовой воды «на месте», в частности, для ускоренной дегра-

дации хлорированных органических соединений и сокращения количества

тяжелых металлов в зонах источников загрязнения (см. рис. 9).

26

Наночастицы изолируют загрязняющие вещества грунтовых вод (с помо-

щью адсорбции и комплексообразования), делая их немобильными, дегради-

руют или преобразовывают их в безвредные смеси.

Полевые исследования по очистке сточных вод показали, что частицы

ННВЖ остаются активными в течение 4-8 недель и перемещаются с подзем-

ными водами на расстояния до 20 и более метров. Для улучшения переноса и

стабильности частиц ННВЖ можно рекомендовать использование сополиме-

ра поливиниловый спирт — поливинилацетат — полиитаконовая кислота

(PV3A), который существенно увеличивает стабильность суспензий ННВЖ

при сохранении их реагирующей способности до шести месяцев.

Для удаления тяжелых металлов в сточных водах наиболее перспективны-

ми, на наш взгляд, являются методы с использованием мезопористых кремне-

земов, таких как MCM-41, HMS, SBS 15 и SBS 1, функционализированных с

помощью ряда соединений-групп с целью придания этим материалам способ-

ности эффективно взаимодействовать с катионами металлов, т. е повысить их

адсорбционную способность, в частности, использовать сорбент тиол-

СМСМП (SH-СМСМП).

Просачивание в почву и грунтовые воды

Загрязняющие вещества Инжекция наночастиц железа

Подземные воды

Связывание тяжелых металлов

Удаление хлора и других

загрязняющих веществ

Рис. 9. Схема очистки грунтовых вод наночастицами железа

27

Для мембранной наноочистки воды можно рекомендовать реактивную мем-

брану из ферроксана, т. е. керамики на основе оксида железа. Благодаря уни-

кальным химическим свойствам железа такие реактивные мембраны позволяют

очищать воду, удаляя из нее загрязняющие вещества и органические отходы.

В связи возникающими на АЭС авариями большое значение приобретает

очистка окружающей среды от радиоактивных элементов. Радиоактивный

йод, один из продуктов деления в ядерных реакторах, является очень мо-

бильным в окружающей среде, так как не происходит образование твердых

частиц с ограниченной растворимостью или необратимой адсорбции на по-

верхности минералов в грунтовых породах. Для адсорбции радиоактивного

йода в грунтовых водах с различными pH и химическим составом следует

применять сорбенты Hg-SH-СМСМП и Ag-SH-СМСМП, которые сохраня-

ют адсорбцию йодидов с очень высокой селективностью в естественных

природных растворах, содержащих ионы других галогенов, такие как Cl, Br

и F с концентрациями, на восемь-десять порядков превышающими концен-

трацию радиоактивного йода.

Растворимый уран, присутствующий в сточных водах после переработки

урановых руд и аварийных ситуациях на АЭС, может быть удален двумя

процессами: адсорбцией на различных типах материалов или восстанови-

тельным осаждением. В зависимости от типа используемого материала-

реагента эти два процесса могут протекать индивидуально или комбиниро-

ванным способом. Для улавливания урана основное внимание направлено на

использование ННВЖ, которое способствует удалению урана осаждением по

реакциям восстановления. Растворение и окисление нуль-валентного железа

формирует необходимые электроны для осаждения урана:

UO22+

+ 4H+ + 2e

– → U

4+ + H2O

U4+

+ 2H2O ↔ UO2(тв) + 4H+

В то время как нуль-валентное железо подвергается реакции окисления, об-

разование продуктов окисления Fe(II) и Fe(III) приводит к формированию цен-

тров адсорбции. Восстановление U(VI) до U(IV) происходит в растворе вблизи

28

границы Fe0-раствор. После адсорбции комплексов U(VI) происходит их вос-

становление до смеси твердых фаз U(VI)/U(IV) или фазы U(IV). Таким образом,

иммобилизация урана нуль-валентным железом происходит как путем восста-

новления осажденного четырехвалентного урана, так и путем адсорбции ком-

плексов урана (VI) на продуктах коррозии нуль-валентного железа.

Для выявления эффективности удаления урана из сточных вод были ис-

следованы следующие химически активные вещества: синтезированное на-

ноструктурное железо (1); наноструктурное железо на активированном угле

типа Purolite AG 20G (2); наноструктурное железо на макропористой смоле

типа Purolite C 160 (3) и смоле Purolite ARSEN-Xnp

(4). Исследования по ско-

рости удаления урана из сточных вод с использованием ННВЖ показали, что

наилучшие результаты наблюдаются для смолы ARSEN Xnp

. Поэтому этот

материал рекомендуется для очистки урана, так как уже через 24 часа эффек-

тивность очистки достигает 99,99% (рис. 10)

Большие перспективы для защиты окружающей среды от радиоактивных

элементов имеют также углеродные нанотрубки. Они могут быть использо-

ваны как сорбенты и фильтры, для инкапсулирования и отверждения отхо-

дов, для связывания радиоактивных отходов с целью их захоронения, для до-

бавления в материалы-наполнители хранилищ отходов (при наличии угрозы

миграции радионуклидов).

2

3

1

4

Концентрация U,

мг/л

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

2

0,0

4 8 16 32 64 128 256 512 часы

Рис. 10. Остаточное содержание урана в

зависимости от времени очистки

29

Для моделирования и расчета процессов наноочистки рассмотрены раз-

личные программные продукты. Наиболее эффективным, на наш взгляд, яв-

ляется программный комплекс PHAST, предназначенный для моделирования

многокомпонентных геохимических реакций в трехмерном приближении и

переноса различных растворенных соединений.

В пятой главе диссертации рассмотрены возможности и проблемы соз-

дания экологически чистой энергетики на основе наноструктурных материа-

лов. Как уже было отмечено, единственным глобальным источником энер-

гии, не нарушающим тепловой баланс Земли, является солнечное излучение.

Поэтому были исследованы два направления использования солнечного из-

лучения: фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии и рацио-

нальные пути развития солнечно-водородной энергетики.

Из способов преобразования энергии Солнца в электрическую наиболее

эффективным и проверенным является фотоэлектрический с помощью полу-

проводниковых фотоэлементов (солнечных элементов). В настоящее время

большая часть солнечных элементов (СЭ) сделана из кремния, что требует

трудоемких производственных процессов. Именно из-за этого солнечная

энергия стоит в 3-4 раза дороже, чем энергия, получаемая от традиционных

источников. Массовые СЭ имеют эффективность (КПД) около 12-18%. Ре-

корд по эффективности у промышленно выпускаемых элементов достигает

20%, а самые дешевые СЭ имеют КПД в пределах 8-10%.

Новые возможности для дальнейшего увеличения КПД солнечных эле-

ментов открываются с применением наноструктурных материалов. Одно из

таких перспективных направлений — создание нанокомпозитов, состоящих

из наночастиц металла, размещенных в матрице из иного, не взаимодейст-

вующего с наночастицами материала: металла, полупроводника или диэлек-

трика. Подобные гранулированные структуры проявляют ряд физических

свойств, которые резко отличают их от обычных материалов.

Особое значение в нанокомпозитах приобретает использование эффекта

плазмонного резонанса. Плазмоны — это коллективные колебания свобод-

30

ных электронов в металле. Характерной особенностью возбуждения плазмо-

нов можно считать так называемый плазмонный резонанс, который возника-

ет при взаимодействии наночастиц между собой и приводит к заметному

возрастанию энергии наносистемы.

Для органических материалов, используемых в СЭ, характерны два не-

достатка: низкая подвижность носителей зарядов и слабое поглощение в об-

ласти энергии ниже 2 эВ. Для преодоления этих недостатков рекомендуется

применение гибридных материалов, в которых скомбинированы преимуще-

ства органических и неорганических полупроводников и минимизированы их

недостатки. В качестве органического компонента гибридных СЭ можно ис-

пользовать органические красители или сопряженные полимеры, а в качестве

неорганического — наночастицы полупроводников (халькогениды, оксид

цинка и др.).

Возможность производить СЭ путем печати на гибкой пластиковой подлож-

ке возникает при использовании углеродных нанотрубок совместно с фуллере-

нами. Таким путем можно сформировать наноструктуры наподобие «змееви-

ков». Солнечный свет, падая на полимерную основу, возбуждает в полимере

ток, а фуллерены захватывают электроны и передают их нанотрубкам. Захва-

ченные электроны, двигаясь по нанотрубкам, создают в них электрический ток.

Большое значение имеет разработка технологии для использования сол-

нечной энергии после захода солнца. В такой технологии металлические на-

ноантенны нужно наносить на лист пластмассы. Подобная конструкция по-

зволяет использовать до 80% энергии солнечного света. Это вызвано тем, что

размеры наноантенн меньше длины волн видимого света, поэтому они спо-

собны поглощать также энергию в тепловой области излучения, которое со-

храняется длительное время в окружающей среде даже после заката солнца.

Эффективность солнечных элементов во многом ограничена тем, что они

не могут преобразовывать в электричество солнечную энергию с низкой час-

тотой. Для решения этой проблемы можно предложить осуществление про-

цесса преобразования солнечного излучения до более высокой частоты. Та-

31

кой процесс, при котором два фотона низкочастотного солнечного излучения

преобразуются в один высокочастотный фотон, пока удается осуществить

лишь в ограниченных пределах (произвести без потерь зелено-синее преоб-

разование частоты).

В солнечно-водородной энергетике основные проблемы связаны с получе-

нием и использованием водорода. Можно ожидать, что одним из наиболее пер-

спективных видов синтетических топлив энергетики XXI века станет молеку-

лярный водород. Перед использованием в качестве топлива его необходимо по-

лучить. Существуют многочисленные методы получения водорода: химиче-

ские, электролитические, термолитические, фотокаталитические и биохимиче-

ские. В настоящее время 96% водорода получают из ископаемого топлива, при-

чем половина этого объема приходится на парофазный риформинг метана.

Получение водорода — лишь первый шаг в солнечно-водородной энергети-

ке. Следующая проблема заключается в хранении водорода в такой форме, ко-

торая могла бы быть достаточно дешевой, простой в обращении и безопасной

для потребителя. Современная технология допускает как физические, так и хи-

мические способы хранения водорода. При физических способах используют

изолированные объемные хранилища или контейнеры высокого давления, в ко-

торых водород хранится в виде сжиженного или сжатого газа. При химических

методах используют металлогидриды и сплавы (LaNi5, FeTi, Mg2Ni, ZrV2 и др.),

которые поглощают водород до 4 вес. % при высоких давлениях (до 200 атм).

Применение нанотехнологии может повысить эффективность поглощения

водорода, так как методы, используемые при создании наноматериалов, позво-

ляют управлять физическими характеристиками получаемых композитов.

Геометрическая упаковка молекул водорода внутри однослойных угле-

родных трубок обеспечивает его аккумулирование до 5 вес. %. При этом

гармонично сочетаются как механическое удерживание молекул водорода,

так и химическое их связывание. К тому же относительно несложным ока-

зался и способ извлечения водорода из накопителей нового поколения, осно-

ванный на ультразвуковом или электромагнитном воздействии.

32

Металлоорганические полимеры на основе титана показали возможность

поглощения до 7 вес. % водорода. В этом случае, согласно результатам ком-

пьютерного молекулярного моделирования, один атом титана способен

удерживать 3–5 молекул водорода.

Несмотря на все преимущества водорода в качестве синтетического топ-

лива, принципиальным остается вопрос об источнике энергии для получения

водорода из воды. Единственным источником, не вызывающим нарушения

теплового баланса Земли является солнечная энергия. Поэтому возникает не-

обходимость развития солнечно-водородной энергетики, когда водород, по-

лученный с помощью фотокаталитического разложения воды, будет играть

роль связующего звена (дополнительного вида топлива-энергоносителя) ме-

жду солнечным источником энергии и потребителем.

Объединение солнечной энергии и водорода как аккумулирующего то-

плива позволяет в значительной степени ослабить серьезные недостатки

солнечной энергии, пока еще ограничивающие ее широкое применение:

непостоянство во времени (суточные, сезонные и погодные колебания) и

относительно невысокая плотность солнечного энергетического потока,

которая к тому же существенно варьируется в зависимости от широты мес-

та на поверхности Земли.

Природный процесс фотосинтеза показывает принципиальную возможность

прямого фотохимического разложения воды солнечным светом. Однако чистая

вода совершенно прозрачна для падающего на поверхность Земли солнечно-

го света, основная часть которого приходится на область видимого и ближне-

го инфракрасного излучения (300–1000 нм). Заметное поглощение электро-

магнитного излучения водой, способного привести к ее фоторазложению, на-

чинается лишь с длин волн короче 200 нм, практически отсутствующих в

спектре солнечного излучения, достигающего поверхности Земли. Это озна-

чает, что эффективное фотохимическое разложение воды солнечным светом

возможно только на основе фотокаталитических процессов.

33

Фотокаталитическое разделение зарядов в присутствии материалов доно-

ра (D) и акцептора (A), а также фотокатализатора (ФК) соответствует сле-

дующему уравнению:

ФК

4D + 4A + 4hν → 4D+ + 4A

–.

Последующие «темновые» каталитические процессы (К1 и К2) выделения

кислорода и водорода из воды происходят под действием электронов окис-

ленной формы донора (D+) и восстановленной формы акцептора (A

–):

К1

4D+ + 2H2O → 4D + 4H

+ + O2,

К2

4A– + 4H2O → 4A + 4OH

– + 2H2 .

Таким образом, суммарный процесс фоторазложения воды имеет следующий вид:

ФК, К1, К2

2H2O + 4hν → 2H2 + O2.

Возможно осуществление двух типов искусственных фотокаталитических

систем: полупроводниковой и молекулярной. В первом случае в качестве фо-

токатализатора обычно используют диоксид титана TiO2. Как более эффек-

тивный полупроводниковый фотокатализатор можно рекомендовать дисили-

цид титана (TiSi2). Этот материал позволяет разделять и отдельно хранить

выделяющиеся кислород и водород. Последнее обстоятельство решает про-

блему, характерную для тех методов разложения воды, использование кото-

рых приводит к образованию взрывоопасной смеси двух газов.

Особенности успешной работы такого катализатора заключается в тонких

слоях (A) диоксида титана TiO2 и диоксида кремния SiO2, образующихся на по-

верхности TiSi2 (см. рис. 11). Эти слои защищают катализатор от отравления,

связанного с его дальнейшим окислением и обусловливают формирование ка-

талитически активных центров (D1 и D2), облегчающих протекание реакции.

Оксидные слои способствуют также приемлемому решению проблемы

разделения водорода и кислорода, которые адсорбируются и удерживаются

на поверхности катализатора (B и C). Однако эти газы высвобождаются в

различных условиях: водород выделяется при комнатной температуре, а ки-

слород – при нагревании катализатора до 100°C (без света).

34

В молекулярных фотокаталитических системах разложения воды в качестве

фотокатализатора (ФК), доноров (Д) и акцепторов (А) электрона используют

химические соединения, удовлетворяющие определенным требованиям. Фото-

катализаторы должны обеспечивать интенсивное поглощение солнечного излу-

чения, иметь высокоэнергетические, долгоживущие возбужденные состояния

(ФК*), способные участвовать в бимолекулярных реакциях переноса электрона:

ФК* + D → ФК– + D

+,

ФК* + A → ФК+ + A

–.

Они должны обладать высокой химической и фотохимической устойчи-

востью и эффективно регенерировать свою форму в результате взаимодейст-

вия с промежуточными акцепторами или донорами:

ФК– + А → ФК + А

–,

ФК+ + D → ФК + D

+.

Наряду с фотохимической и химической устойчивостью основным требовани-

ем к промежуточным донорам и акцепторам электрона является их способность

участвовать в обратимых каталитических процессах выделения водорода и кисло-

рода из воды. В качестве компонентов молекулярных фотокаталитических систем

можно рекомендовать химические соединения на основе органических красите-

лей, переходных металлов, порфиринов, фталоцианинов и их металлокомплексов.

Для осуществления замкнутого цикла фоторазложения воды солнечным

светом в молекулярных фотокаталитических системах требуется разработка

Рис. 11. Схема работы фотокатализатора на основе дисилицида титана

TiSi2 hν

H2O H2

O2

100 °C без света

2H2O

O2+4H+

O

4H+

2H2

TiSi2

A A

B

C

D1

D2

Выделение кислорода

Образование молекулярного водорода

35

методов предотвращения реакции рекомбинации первичных продуктов фо-

торазделения зарядов (доноров и акцепторов):

D+ + A

– → D + A,

которая протекает намного быстрее, чем сложные каталитические реакции

окисления и восстановления воды.

Такая задача может быть решена при переходе к разложению воды на водо-

род и кислород на молекулярном уровне без участия доноров и акцепторов (по

аналогии с природным фотосинтезом). Этот процесс происходит с использова-

нием молекулярных наноструктур для поглощения света и пространственного

разделения положительных и отрицательных зарядов. Молекулярные наност-

руктуры, используемые для этой цели, относятся к различным классам. По на-

шему мнению, на сегодняшний день наиболее эффективным является процесс

фотолиза, состоящий из трех стадий разложения воды на водород и кислород.

На первой стадии процесса происходит поглощение молекулы воды синте-

зированным комплексным химическим соединением, который состоит из ато-

мов рутения Ru и органических молекул, представляющих аналог природного

хлорофилла. При этом протоны H+ из молекул воды переходят на органическую

часть комплексного соединения, а гидроксильные группы OH– присоединяются

к комплексообразующим элементам — атомам Ru.

На второй стадии при нагреве комплексного соединения выделяются элек-

троны, которые захватываются свободными протонами и превращаются в мо-

лекулы водорода H2, выделяющиеся из раствора в виде газа.

На третьей стадии процесса под воздействием фотонов солнечного излуче-

ния гидроксильные группы OH– передают свои электроны комплексному со-

единению и окисляются до пероксида водорода H2O2, являющимся весьма не-

стабильным веществом, который легко разлагается на воду и кислород.

Дальнейшее совершенствование на основе компьютерного молекулярного

моделирования процесса фотолиза воды позволит повысить эффективность та-

кого процесса и производить водород в холодное время года, а также в утрен-

ние и вечерние часы, когда солнечный свет теряет свою интенсивность и высо-

коэнергетическую составляющую.

36

ВЫВОДЫ

1. Проведен комплексный анализ техногенного воздействия на экологиче-

ское состояние природной окружающей среды. Указаны последствия влия-

ния энергетических объектов: загрязнений от тепловой энергетики и радиа-

ционной опасности атомной энергетики. На основании такого анализа сфор-

мулированы задачи исследования экологических проблем энергетики.

2. С целью выбора наиболее эффективных способов решения экологиче-

ских задач в энергетике рассмотрены основные положения использованных в

диссертации инновационных технологий: систем искусственного интеллекта

(нейронные сети, генетические алгоритмы, нечеткая логика) и физико-

химические особенности и свойства наноструктурных материалов.

3. Исследованы принципы функционирования и возможности применения

интеллектуальных систем в энергетике. Разработана и апробирована в реаль-

ных условиях на котельной установке методология цифровой обработки не-

прерывного изображения пламени горелок. Для цифровой обработки изо-

бражений пламени в полноцветном формате RGB, полученных с помощью

цифровой видеокамеры, было использовано приложение Image Processing

Toolbox, входящее в систему инженерных и научных расчетов MATLAB.

4. Разработана модель интеллектуальной системы контроля и управления

процессом горения в горелках котла, основанной на комбинации нейронных

сетей и цифровой обработки изображения пламени. Ввиду огромного числа

визуальных характеристик пламени всех горелок котла была выбрана много-

агентная система на основе нейронных сетей и с использованием технологии

усиленного обучения (алгоритма RL).

5. Показана возможность осуществления с помощью интеллектуальной

системы эффективного управления процессом горения и выбора оптимально-

го соотношения между поступающими в котел воздухом и топливом при раз-

личных эксплуатационных режимах и качестве топлива. Оценочные расчеты

показывают, что за счет оптимизации процесса горения возможно повыше-

ние эффективности (КПД) котла на 1% и снижение выбросов оксидов азота

37

на 20%. Это указывает на необходимость внедрения таких интеллектуальных

систем для управления процессом горения на отечественных ТЭС.

6. Проведен комплексный анализ роли человеческого фактора в обеспече-

нии безопасности энергетических объектов, на основе которого сформулиро-

ваны основные причины техногенных аварий, факторы, определяющие пове-

дение и ошибки персонала, и показатели, характеризующие его надежность

при эксплуатации технических систем. Предложены способы повышения на-

дежности оператора путем оценки его профессиональной подготовки на ос-

нове применения нейросетевой модели и внедрения интеллектуальных сис-

тем обучения оперативного персонала, учитывающих когнитивные особен-

ности личности и видов деятельности.

7. Исследованы структура и функциональные свойства наносистем для

контроля состояния окружающей среды. Показано, что наиболее эффектив-

ными датчиками контроля воздушной среды являются полупроводниковые

наноструктурные материалы (ZnO, SnO2, In2O3) и углеродные нанотрубки.

Для контроля водной среды наибольшей чувствительностью и селективно-

стью обладают химические сенсоры на основе самособирающихся мономо-

лекулярных слоев на мезопористых подложках (СМСМП) из диоксида крем-

ния, которые рекомендуются для внедрения в производство.

8. В результате исследования разных способов улавливания углекислого

газа из дымовых газов котельных установок можно рекомендовать использо-

вание материала СМСМП с твердым аминовым сорбентом на подложках из

диоксида кремния, а также искусственно синтезируемых маталлоорганиче-

ских каркасных полимеров, состоящих из ионов магния, связанных друг с

другом органическими линкерами, которые могут улавливать до 90 г CO2 на

один кг полимера.

9. Исследованы различные наносистемы для очистки окружающей среды

от загрязняющих веществ и радиоактивных элементов. Показана эффектив-

ность очистки воздушной среды от примесей с помощью полупроводниково-

го фотокатализатора — диоксида титана. Очистка водной среды (грунтовые

воды) от различных загрязнений, включая тяжелые металлы и радиоактивные

38

элементы (ядерные отходы), может успешно проводиться с использованием

наноразмерного нуль-валентного железа (ННВЖ). Поэтому такие нанораз-

мерные материалы рекомендуются для использования в практической дея-

тельности, а для моделирования и расчета процессов наноочистки применять

программный комплекс PHAST.

10. Исследованы различные способы использования солнечной энергии,

как путем прямого преобразования солнечного излучения в электрический

ток (солнечные элементы на основе наноструктурных материалов), так и пу-

тем создания экологически чистой солнечно-водородной энергетики, которая

не загрязняет окружающую среду и не вызывает нарушение теплового балан-

са Земли. Создание такой энергетики базируется на возможности фотоката-

литического разложения воды на молекулярном уровне для получения водо-

рода — универсального энергоносителя, который может быть использован

либо в виде топлива, либо в топливных элементах для получения электро-

энергии. Для получения водорода рекомендуется трехстадийный процесс фо-

толиза воды с помощью синтезированного комплексного химического со-

единения, состоящего из атомов рутения и органических молекул, представ-

ляющих аналог природного хлорофилла.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Паули В. К., Магид С. И., Ибрагимов И. М. Применение технологий ис-

кусственного интеллекта в энергетике. М.: РАО «ЕЭС России», Академия

промышленной экологии, 2000. 44 с.

2. Ковшов А. Н., Ибрагимов И. М. Методологические основы дистанци-

онного обучения. М.: МГОУ, 2001. 48 с.

3. Ибрагимов И. М. Практика использования программных продуктов

фирмы Macromedia для разработки мультимедийных электронных учебников

// XXXIII научная конференция «Электронный мир МГОУ», Москва, 11-12

апр. 2002 г. М.: МГОУ, 2002.

4. Магид С. И., Оразбаев Б. Е., Камнев В. И., Ибрагимов И. М. Моделиро-

вание энергетических систем. М.,Алматы: Апарт, 2002. 144 с.

5. Камнев В. И., Ибрагимов И. М. Преимущества и возможности приме-

нения технологий искусственного интеллекта для оптимизации работы энер-

39

гетических систем и оборудования // Известия Академии промышленной

экологии. 2003. №1. С. 10-21.

6. Ибрагимов И. М. Информационные технологии и средства дистанци-

онного обучения. Учебное пособие. М.: Издательство МГОУ, 2003. 308 с.

7. Беликов С. Е., Ибрагимов И. М. Применение нейронных сетей для по-

вышения экологической безопасности тепловых электростанций // Известия

Академии промышленной экологии. 2004. №1. С. 50-56.

8. Ибрагимов И. М. Информационные технологии мобильного обучения //

Известия Академии промышленной экологии. 2005. №1. С. 82-89.

9. Ибрагимов И. М. Информационные технологии и средства дистанци-

онного обучения. М.: Издательский центр «Академия», 2005, 2006 (2-е изд.),

2008 (3-е изд.). 336 с.

10. Беликов С. Е., Ибрагимов И. М. Методология интеллектуального мо-

ниторинга пламени в горелках котельных установках // Энергосбережение и

водоподготовка. 2005. №4. С. 59-61.

11. Ибрагимов И. М. Проблемы создания контента для электронного обу-

чения // Известия Академии промышленной экологии. 2005. №2. С. 85-91.

12. Ибрагимов И. М. Стандарты и спецификации в электронном обучении

// Известия Академии промышленной экологии. 2005. №3. С. 65-73.

13. Ибрагимов И. М. Разработка и применение обучающего алгоритма

дисциплины в системе дистанционного образования // XV Международная

конференция «Информационные технологии в образовании» ИТО-2005, Мо-

сква, ноябрь 2005: сб. трудов, часть III. М., 2005. С. 36-37.

14. Беликов С. Е., Ибрагимов И. М. Цифровой анализ изображения пламени

горелок котла // Энергосбережение и водоподготовка. 2006. №1. С. 50-51.

15. Ковшов А. Н., Назаров Ю. Ф., Ибрагимов И. М. Основы нанотехноло-

гии в технике. М.: Издательство МГОУ, 2005. 244 с.

16. Ибрагимов И. М., Перфилова Е. А. Основные понятия и определения

техногенного риска // Известия Академии промышленной экологии. 2006.

№2. С. 41-46.

17. Ибрагимов И. М., Перфилова Е. А. Применение нанотехнологии для

защиты окружающей среды // Международная научно-практическая конфе-

ренция «Нанотехнология и информационные технологии – технологии XXI

века», Москва, май 2006: сб. трудов. М.: МГОУ, 2006. С. 203-204.

18. Ибрагимов И. М. Использование наносистем для решения проблем энер-

гетики и окружающей среды // V Международное совещание по проблемам

40

энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и транспорте,

Москва, декабрь 2006: сб. научных докладов. М.: ИМАШ РАН, 2006. С. 238-249.

19. Ибрагимов И. М., Перфилова Е. А. Принципы управления безопасно-

стью и риском в производственной деятельности // Энергосбережение и во-

доподготовка. 2007. №2. С. 73-76.

20. Ибрагимов И. М. Новое направление развития водородной энергетики

на основе наноструктур-фотокатализаторов // МГОУ-XXI-Новые технологии.

2007. №5. С. 9-12.

21. Ибрагимов И. М., Перфилова Е. А. Анализ надежности персонала энерге-

тических объектов // Энергосбережение и водоподготовка. 2007. №5. С. 51-54.

22. Ибрагимов И. М. Методологические основы разработки наноструктур

для преобразования солнечной энергии и защиты окружающей среды // 4-й

Международный форум «Энергетика и экология», Москва, январь 2008: сб.

трудов. М., 2008. С. 95-100.

23. Ибрагимов И. М. Методологические основы применения технологий

искусственного интеллекта в энергетике // Энергосбережение и водоподго-

товка. 2008. №1. С. 6-9.

24. Ибрагимов И. М. Использование систем искусственного интеллекта

при эксплуатации энергетических объектов // Надежность и безопасность

энергетики. 2008. №1. С. 51-55.

25. Нанотехнологiя та ïï iнновацiйний розвиток / Пономаренко В. С., Назаров

Ю. Ф., Свидерський В. П., Ибрагимов И. М. Харькiв: ВД IНЖЕК, 2008. 280 с.

26. Ибрагимов И. М. Принципы компьютерного моделирования наноси-

стем // МГОУ-XXI-Новые технологии. 2008. №2. С. 2-5.

27. Назаров Ю. Ф., Ибрагимов И. М., Алексеев А. К. Малогабаритные

солнечные батареи на основе нанокомпозитных материалов // Вестник Феде-

рации космонавтики России. 2008. №2(4). С. 31-33.

28. Ибрагимов И. М. Нейросетевая система регулирования процесса горе-

ния и снижения выбросов оксида азота на ТЭС // Промышленная энергетика.

2008. №9. С. 54-57.

29. Ибрагимов И. М. Применение наноструктурных материалов для по-

вышения эффективности солнечно-водородной энергетики // Энергосбере-

жение и водоподготовка. 2008. №5. С. 7-10.

30. Ибрагимов И. М. Математическое моделирование физических процес-

сов. М.: МГОУ, 2008. 36 с.

31. Ибрагимов И. М. Новые возможности солнечной энергетики на основе при-

менения композиционных наноструктур // VI Международное совещание по про-

41

блемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и транс-

порте, Москва, 2009: сб. научных докладов. М.: ИМАШ РАН, 2009. С. 216-225.

32. Назаров Ю. Ф., Ибрагимов И. М., Иванайский А. В., Алексеев А. К.

Малогабаритные солнечные батареи на основе нанокомпозитных материалов

// Технология машиностроения. 2009. №2. С. 42-45.

33. Ибрагимов И. М. Интегрированные прикладные системы. М.: МГОУ,

2008. 56 с.

34. Ковшов А. Н., Назаров Ю. Ф., Польцер Г., Ибрагимов И. М. Методо-

логические основы вычислительной нанотехнологии // Нанотехнологии и на-

номатериалы: Материалы международной научно-технической конференции.

М.: Издательство МГОУ, 2009. С. 495-500.

35. Ковшов А. Н., Назаров Ю. Ф., Ботвинников Б. И., Ибрагимов И. М. При-

менение нанокомпозитных материалов для повышения эффективности солнеч-

ных батарей // Нанотехнологии и наноматериалы: Материалы международной

научно технической конференции. М.: Издательство МГОУ, 2009. С. 500-505.

36. Перфилова Е. А., Ибрагимов И. М. Нанотехнологии как способ решения эко-

логических проблем // Нанотехнологии и наноматериалы: Материалы международ-

ной научно технической конференции. М.: Издательство МГОУ, 2009. С. 464-466.

37. Зотов П. С., Ибрагимов И. М. Использование наноматериалов для очистки

грунтовых вод // Нанотехнологии и наноматериалы: Материалы международной

научно технической конференции. М.: Издательство МГОУ, 2009. С. 461-463.

38. Ковшов А. Н., Назаров Ю. Ф., Ибрагимов И. М. Основы нанотехноло-

гии в технике. М.: Издательский центр «Академия», 2009. 240 с.

39. Ибрагимов И. М. Зотов П. С. Применение наноструктурных материа-

лов для процессов водоочистки // Энергосбережение и водоподготовка. –

2009. №5. С. 21-22.

40. Ковшов А. Н., Назаров Ю. Ф., Ибрагимов И. М. Методы компьютер-

ного моделирования наноструктур // II Международный форум по нанотех-

нологиям «Роснанотех-2009», Москва, 6-8 октября: сб. тезисов докладов. М.,

2009. С. 206-207.

41. Ибрагимов И. М. Принципы компьютерного моделирования нанострук-

тур // XIX Международная конференция «Информационные технологии в обра-

зовании» ИТО-2009, Москва, ноябрь 2009: сб. трудов, часть II. М., 2009. С. 21-22.

42. Was ist die Nanotechnologie / Kovshov A. N., Nazarov J. F., Botvinnikov

B. I., Ibragimov I. M. Köln: Verlag Akademie IATE, 2009. 172 с.

43. Ибрагимов И. М., Ковшов А. Н., Назаров Ю. Ф. Основы компьютерно-

го моделирования наносистем. СПб: Лань, 2010. 384 с.

42

44. Зотов П. С., Ибрагимов И. М. Перспективы применения наноструктур-

ных материалов для очистки водной среды от вредного воздействия энергети-

ческих объектов // Энергосбережение и водоподготовка. 2010. №5. С. 15-16.

45. Алексеев А. К., Ибрагимов И. М. Системный подход к анализу надеж-

ности профессиональной деятельности оператора // Надежность и безопас-

ность энергетики. 2010. №3. С. 20-23.

46. Ибрагимов И. М., Алексеев А. К. Условия работы оператора в человеко-

машинных системах // Энергосбережение и водоподготовка. 2010. №6. С. 64-67.

47. Ботвинников Б. И., Ибрагимов И. М. Применение нанокомпозитных мате-

риалов для повышения эффективности солнечных батарей // Международная на-

учно-практическая конференция «Исторические, научные и социальные пробле-

мы отечественной космонавтики», Москва, 15-16 ноября 2010 г. М., 2010.

48. Ибрагимов И. М., Зотов П. С. Применение наноструктурных материа-

лов для поглощения диоксида углерода, выделяемого тепловыми электро-

станциями // IV Международная научно-практическая конференция «Энергия

и энергоэффективные технологии», г. Липецк, 28-30 октября 2010 г.: сб. док-

ладов. Липецк, 2010. С. 155-156.