Нанотехнологии в энергетике

 

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ 

НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ 

ПРАКТИКУМ 
для обучающихся по направлению подготовки 35.03.06 Агроинженерия, 
профиль «Электрооборудование и электротехнологии в АПК» 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 
2017 

 

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ 
ФГБОУ ВО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ 

НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ 

ПРАКТИКУМ 
для обучающихся по направлению подготовки 35.03.06 Агроинженерия, 
профиль «Электрооборудование и электротехнологии в АПК» 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2017 

УДК 621.311(07) 

ББК 40.76 

С о с т а в и т е л и :  
М.М. Беззубцева, В.С. Волков.  Нанотехнологии в энергетике: практикум для 
самостоятельной работы обучающихся по направлению подготовки 35.03.06 Агроинженерия, 
профиль «Электрооборудование и электротехнологии в АПК». – СПб: СПбГАУ, 2017. – 188 с. 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы :  
доктор техн. наук, профессор ИТМО  А.Г. Новоселов; 
доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник (ИАЭП) С.А. Ракутько 
 
 

 
 
 
 
 

Практикум включает цикл практических работ для самостоятельной работы 

обучающихся, посвященных применению нанотехнологий в аграрном секторе 
экономики. Каждый цикл работ содержит теоретическое введение, которое может 
играть роль краткого конспекта лекций. Решения и иллюстрации сопровождаются 
подробными пояснениями и комплексным инженерным анализом, способствующим 
большему 
пониманию 
алгоритмов 
решения 
практических 
задач 
в 
области 

нанотехнологий.  

Приведены задания и тесты для самостоятельного решения, которые могут 

использоваться 
для 
проведения 
различных 
аттестационных 
мероприятий 

обучающихся электроэнергетических специальностей. 

Практикум 
предназначен 
для 
бакалавров 
направления 
подготовки 

Агроинженерия, профиль «Электрооборудование и электротехнологии в АПК». 
Может быть полезен для широкого круга специалистов, работающих над проблемами 
разработки и применения нанотехнологий. 
 

 

        
 
 
 
 
 
 
 
 
                                                                                                                             УДК 621.311(07) 
                                                                                                                             ББК 40.76 
 
 
                                                                                                                      ©    М.М. Беззубцева,  
                                                                                                                      ©    В.С Волков,                                  

                                                                                             ©    СПбГАУ, 2017 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение ....................................................................................................................... 5 
1. Изучение нанотехнологий в процессе водоочистки .......................................... 11 
2. Исследование процесса Нормализаци удельного электрического 
сопротивления воды для электродных котлов ....................................................... 21 
3. Нанотехнологии озонирования технологических сред ..................................... 33 
4. Исследование работы барьерного озонатора ..................................................... 65 
5. Изучение нанотехнологий в процессе создания искусственных газовых сред
 ..................................................................................................................................... 89 
6. Нанотехнологии магнитно – импульсной обработка металлов ..................... 104 
7. Нанотехнологии в процессах нанесения порошковых полимерных покрытий 
в камерах с электрическим кипящим слоем ......................................................... 114 
8.Нанотехнологии процессов нейтрализации статического электричества ..... 126 
9.Нанотехнологии электрографии ......................................................................... 136 
Тест по теме «Нанотехнологии мембранных процессов разделения жидких и 
газовых сред» ........................................................................................................... 147 
Тест по теме «Нанотехнологии и наноматериалы» ............................................. 152 
Вопросы для контроля остаточных знаний .......................................................... 155 
Самостоятельная работа обучающихся ................................................................ 172 
Тема для самостоятельной проработки «Методы получения наночастиц» ...... 173 
Литература                                                                                                                187 
 

 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Характерной особенностью развития ведущих экономически 

развитых стран является переход к инновационной экономике, 
внедрение 
перспективных 
разработок, 
принципиально 
новых 

высоких технологий во все сферы деятельности человека. Одним из 
приоритетных направлений развития научно-технического прогресса 
в мире являются нанотехнологии. При этом данное направление 
зачастую 
рассматривается 
как 
рычаг, 
способный 
обеспечить 

всемерное превосходство.  

По прогнозам американской ассоциации National Science 

Foundation мировой объем рынка товаров и услуг с использованием 
нанотехнологий может в ближайшие 10…15 лет вырасти до 1 трлн. 
долл. В том числе в промышленности материалы с высокими 
заданными характеристиками, которые не могут быть созданы 
традиционными способами, могут в ближайшие 10 лет занять рынок 
объемом 340 млрд. долл. 

Существенный эффект ожидается от внедрения технологических 

процессов 
нанесения 
износостойких 
покрытий 
на 
режущие 

инструменты, штампы и пресс­формы, а также износо, коррозионно­, 
жаростойких и водооталкивающих покрытий деталей машин. Важное 
значение 
имеет 
наноструктурированная 
продукция 

триботехнического направления и оборудование для обработки 
деталей с нанометровой точностью и для нанесения нанопокрытий. 
При этом улучшение соответствующих качественных показателей 
(прочность, твердость, пластичность, износо- жаро, коррозионная 
стойкость и т.д.) может быть достигнуто как посредством введения 
того или иного технологического процесса (литье, прессование, 
нанесение покрытий и т.д.) получения нанопорошков, нанотрубок, 
фуллеренов, так и за счет соответствующих технологических 
режимов 
изготовления 
заготовок 
и 
изделий 
(равноугольное 

прессование, термомеханическая обработка и др.). 

Заметный 
прогресс 
достигнут 
в 
области 
производства 

ультрадисперсных нанопорошков. Расширяются и области их 
применения. 
Так, 
выпускаемые 
концерном 
«Наноиндустрия» 

наноразмерные порошки на основе серпентинитов нашли массовое 
применение в узлах трения практически всех видов оборудования. 
Речь идет о технологии восстановления изношенных узлов и 
механизмов промышленного оборудования до первоначальных 
параметров с помощью специальных ремонтновосстановительных 
составов (РВС). Стоимость ремонта по РВСтехнологии в 2–3 раза 
ниже, чем при использовании обычных технологий, что позволяет 
заменить плановые ремонты планово­предупредительной обработкой 
с увеличением межремонтного срока в 1,52 раза. Экономия 
электроэнергии и топлива после РВС составляет 10-15%.  

Отсутствие необходимой для этого методологической базы и 

практического 
инструментария 
ведет 
к 
противоречивым 

представлениям о состоянии сферы нанотехнологий в энергетической 
отрасли, ее экономических и социальных эффектах. 

В настоящее время нанотехнологии признаны наиболее перспективным 
направлением  научно-технологического развития.  

Практический 
аспект 
нанотехнологий 
включает 
в 
себя 

производство устройств и их компонентов,  необходимых для 
создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и 
наночастицами.  Подразумевается, что не обязательно объект должен 
обладать линейным размером менее 100 нм — это могут быть 
макрообъекты, 
атомарная 
структура 
которых 
 
создаётся 
с 

разрешением на уровне отдельных атомов, либо содержит в себе 
нанообъекты. В более широком смысле этот термин охватывает 
также методы диагностики  и исследований таких объектов. 

Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных 

дисциплин, 
поскольку 
на 
таких 
масштабах 
привычные, 

макроскопические 
технологии 
обращения 
с 
материей 
часто 

неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно 
слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: 
свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или 

агрегатов молекул (например, силы Ван-дер-Ваальса), квантовые 
эффекты. 

Нанотехнология и в особенности молекулярная технология — 

новые, мало исследованные дисциплины. Основные открытия, 
предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, про-
водимые исследования уже дают практические результаты. Использо-
вание в нанотехнологии передовых научных достижений позволяет 
относить её к высоким технологиям.   

Однако особые надежды специалисты связывают с массовым 

использованием нанопродуктов в сфере энергетики. Ожидается, что 
уже в ближайшей перспективе на энергетику будет приходиться 
порядка 13% мирового потребления нанопродуктов, а в обозримом 
будущем разработки в сфере нанотехнологий помогут совершить 
революционный скачок в развитии технологий получения и 
преобразования энергии. 
        «Электромембранная технология» – наука о нанотехнологии  
мембранного разделения, концентрирования и очистки жидких и 
газовых систем с использованием электрического тока. В последние 
годы 
электромембранная 
технология 
получила 
широкое 

распространение 
в 
аппаратурно-технологических 
системах 

предприятий агропромышленного комплекса.  
Мембраны – это селективно-проницаемый барьер между двумя 
фазами. 
Их 
изготавливают 
из 
органических 
(в 
том 
числе 

полимерных) и неорганических (металлических, керамических, 
стеклянных и пр.) материалов. Мембраны могут быть твердые и 
жидкие. Для производства мембран необходима современная 
высокоточная технология, которая принципиально отлична для 
органических и неорганических мембран. Мембранное разделение 
основано на селективном переносе компонентов смеси через 
мембрану. Использование мембранных процессов для разделения 
смесей позволяет создать экономически эффективные, ресурсо – и 
энергосберегающие малоотходные технологии. Можно выделить 
следующие основные области применения и направления развития 
мембранной техники и мембранных технологических процессов: 

Топливно-энергетический комплекс:  

 очистка и осушка попутного нефтяного газа;  
 разделение компонентов нефтехимических производств;  
 разделение биогаза.  

Водоподготовка:  

 получение питьевой воды путем опреснения морских вод;  
 повышение качества питьевой воды;  
 получение 
особо 
чистой 
воды; 
обеззараживание 
и 

стерилизация воды;  

 очистка сточных вод производственных предприятий АПК 

и  бытовых сточных вод.  

Перерабатывающая промышленность:   

 получение 
очищенной 
воды 
для 
технологических 

процессов; концентрирование соков;  

 очистка вина, пива; переработка молочных продуктов;  
 создание инертных сред для длительного хранения овощей 

и фруктов и переработки сырья и полуфабрикатов;   

 получение сока из плодовоовощной продукции. 

Биотехнология:  

 стерилизация технологических сред; извлечение целевых 

компонентов (ферментов, витаминов и пр.);  

 концентрирование продуктов биотехнологических процес-

сов; 
организация 
непрерывных 
биотехнологических 

процессов, в которых происходит непрерывное извлечение 
целевых 
компонентов 
из 
биореактора 
(мембранный 

реактор). 

Ветеринария:   

 получение очищенной, стерильной, апирогенной воды для 

приготовления 
вакцин, 
медицинских 
препаратов, 

промывки ампул;  

 очистка крови методом диализа, выделение, очистка и 

концентрирование лекарственных преператов в процессах 
получения лекарственных средств;  

 физиотерапия (аппарат «Горный воздух»). 

  
      Это лишь краткий перечень областей применения мембранной 
нанотехнологии. В любом процессе, где требуется извлечь целевой 
компонент, провести концентрирование, разделение, очистку газовых 
и жидких сред, провести процессы в инертных средах может 
применяться мембранная технология. И практически во всех случаях 
она будет конкурентноспособна и более выгодна по сравнению с 
традиционными методами очистки, разделения и концентрирования. 
Рынок 
мембран 
ежегодно 
увеличивается 
на 
15-20%. 

Электромембранная нанотехнология – одна из самых динамично 
развивающихся отраслей промышленности.  
    Современные электромембранные процессы отличаются высокой 
селективностью, низкими энергозатратами, простотой аппаратурного 
оформления, 
служат 
основой 
создания 
энергосберегающих, 

экологически чистых  и безотходных технологий. 

Наиболее актуальными являются исследования наносистем очи-

стки и обеззараживания водных ресурсов и воздушной среды с 
использованием мембранных и озонных технологий. 

Стремительно растущая потребность в воде и ограниченные 

ресурсы источников воды в виде рек, озер и подземных вод, с одной 
стороны, и удорожание подготовки питьевой и технической воды, с 
другой 
стороны, 
приводят 
к 
необходимости 
создания 
и 

использования 
новых 
технологий 
обработки 
воды, 
которые 

позволяют быстро, эффективно и экономически выгодно очищать 
воды, а также получать питьевую и индустриальную воду из 
огромных запасов морской воды. В последние 10 - 15 лет широкое 
применение находят мембранные технологии обработки воды, 
которые позволяют при подготовке питьевой воды надежно очищать 
исходную воду от примесей, вызывающих болезни, при обработке 
сточных муниципальных вод получать воду, пригодную для 
использования 
в 
промышленных 
целях, 
а 
при 
обработке 

индустриальных сточных вод получать воду, пригодную для 
повторного использования. Кроме того, с помощью мембран можно 

достаточно эффективно удалить соли из морской воды (т. е. 
произвести 
обессоливание 
воды), 
что 
открывает 
огромные 

перспективы в получении питьевой и индустриальной воды 
практически из неисчерпаемого источника.  

Эффект от использования наноматериалов выражается в 

экономии средств на транспортировку, сокращении энергозатрат, 
ослаблении 
нагрузки 
на 
окружающую 
среду, 
повышении 

эксплуатационных свойств.   

В практикум 
включен цикл практических исследований 

наиболее перспективных способов и методов нанотехнологий в 
области 
очистки 
и 
улучшения 
качества 
водных 
сред 
с 

использованием мембранных технологий и озонирования, получения 
регулируемых 
газовых 
сред 
для 
различных 
технологических 

процессов переработки и хранения продукции, технологий нанесения 
износостойких порошковых покрытий и др. 

Представлены материалы для самостоятельной проработки, а 

также тесты для контроля знаний.  

Основные компетенции, приобретаемые обучающимися в процессе 

изучения дисциплины: 

ОПК-2 - способность к использованию основных законов 

естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности; 

ПК-7- готовность к участию в проектировании новой техники и 

технологии 

Практикум рекомендован для бакалавров, обучающихся по 

направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия», профилю 
«Электротехнологии и электрооборудование в АПК».  

Может быть использован в очно- заочном обучении. Представляет 

интерес для специалистов и научных работников, занимающихся 
проблемами повышения энергоэффективности предприятий АПК.  

    

 

 

 
 
 

1. ИЗУЧЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В ПРОЦЕССЕ ВОДООЧИСТКИ  

 

Цель работы:  
1. 
Ознакомиться 
с 
процессом 
водоочистки 
при 
помощи 

мембранного метода.  

2. Изучить устройство и принцип работы мембранного фильтра.  
3. Изучить устройство и принцип работы приборов, используемых 

для контроля чистоты воды. 

Общие вопросы: 
С каждым годом растет потребность людей в воде, пригодной для 

использования, и в то же время, естественные воды непрерывно 
загрязняются деятельностью человека. Индустриальная деятельность 
человека сопровождается непрерывным сбросом многообразных по 
своему химическому составу сточных вод, которые, попадая в 
источники питьевой воды, создают серьезную угрозу здоровью 
людей.  

В такой ситуации международные организации и правительства 

многих стран вынуждены усиливать требования к качеству сточных 
вод и осуществлять строгий контроль качества питьевой воды, что 
приводит к удорожанию стоимости питьевой воды для населения и 
технической воды для промышленных предприятий.  

Стремительно растущая потребность в воде и ограниченные 

ресурсы источников воды в виде рек, озер и подземных вод, с одной 
стороны, и удорожание подготовки питьевой и технической воды, с 
другой 
стороны, 
приводят 
к 
необходимости 
создания 
и 

использования 
новых 
технологий 
обработки 
воды, 
которые 

позволяют быстро, эффективно и экономически выгодно очищать 
воды, а также получать питьевую и индустриальную воду из 
огромных запасов морской воды. В последние 10 - 15 лет широкое 
применение находят мембранные технологии обработки воды, 
которые позволяют при подготовке питьевой воды надежно очищать 
исходную воду от примесей, вызывающих болезни, при обработке 
сточных муниципальных вод получать воду, пригодную для