Наукові конференції України, XVII ПРОГРЕСИВНА ТЕХНІКА, ТЕХНОЛОГІЯ та інженерна освіта

Розмір шрифту: 
ПОРИСТІ БІОСУМІСНІ КЕРАМІКИ З ІНДУКОВАНИМ ПОВЕРХНЕВИМ ЗАРЯДОМ ТА КОНСТРУЮВАННЯ ВОДЯНИХ ФІЛЬТРІВ
Іван Григорович ГРАБАР

Остання редакція: 2016-06-16

Тези доповіді


В доповіді показано, що пористі матеріали, виготовлені з біосумісних керамік, можуть застосовуватись  для покращення якості питної води, в тому числі – і  як фільтри. Наведені приклади застосування  наноструктурованої пористої кераміки з гідроксилапатиту  для очистки води від важких металів. Розроблена модель взаємодії  пористої кераміки, на поверхні якої індуковані поверхневі  зарядами,  з мікроорганізмами. Це дозволило запропонувати теоретичні передумови для конструювання мобільного фільтра для очистки води  від патогенної мікрофлори.

Незважаючи на велику кількість пристроїв і технологій водопідготовки, є нагальна потреба в надійних, доступних за ціною, енергонезалежних, економних  автономних систем комплексної очистки питної води від мікрофлори та важких металів. Як показує практика останніх десятиліть, дана проблема особливо актуальна в зонах стихійних лих (Суматра, Гаїті, Фукусіма та ін..), терористичних актів, військових конфліктів (Ірак, Сирія, Афганістан, схід України та ін..). В цих умовах не тільки порушується робота систем сталого забезпечення якісною питною водою, а й блокується енергопостачання, шляхи сполучення, а в багатьох випадках, як наприклад, при повенях – відбувається потрапляння каналізаційних стоків до джерел та криниць. А це, особливо в умовах літньої спеки, призводить до катастрофічно швидкого множення патогенної мікрофлори, наслідком чого є гігантські епідемії смертельних кишкових захворювань (Гаїті, Суматра) з величезними людськими втратами. В сезон дощів в густонаселених районах Китаю, Індії, Пакистану, Індонезії,  регіоні Карпат повені стали, на жаль, повсякденним явищем.

В даних системах очистки води  необхідно застосовувати фільтри з дуже високою ефективністю сорбції мікроорганізмів. Для цього робочий матеріал фільтра повинен мати максимально розвинену поверхню. Крім цього, сорбційні властивості поверхні мають бути адаптовані під конкретні мікроорганізми. Розвинену поверхню в матеріалах фільтрів можна забезпечити структурною перколяцією. Функціоналізацію поверхні для імоболізації мікроорганізмів, застосовуючи теорію адгезії Ландау, можливо забезпечити електричним зарядом. На даний момент в світі відсутні фільтри, в робочих матеріалах яких поєднана перколяція з необхідними механічними властивостями та ціленаправлені електричні  заряди поверхні.

Кераміку з гідроксилапатиту  отримували шляхом формування під тиском елементів фільтра необхідної геометрії з подальшим спіканням при високих температурах. Зразки виготовлялись у вигляді циліндрів заданих розмірів за схемою пресування в закритій матриці.  Для тиску пресування від 15 до 350 МПа  кінетика пресування порошкового гідроксилапатиту добре описується політропою виду [1-3]:

(1) дозволяє аналітично визначити режими пресування для забезпечення необхідної пористості. Так,  для зусиль пресування .

Кераміка, виготовлена за даною технологією, є напівпровідником з широкою забороненою зоною, (~4 еВ), що дозволяє формування  локальних енергетичних рівнів  з тривалим часом релаксації (за допомогою поверхневого легування та генерації структурних дефектів) а також реструктуризацію поверхневих іонно-ковалентних зв’язків (за допомогою переключення водню (протона) поверхневого О-Н зв’язку та переорієнтації його з поверхні в об’єм кераміки ) [5-7].

Електрична функціоналізація поверхні перколяційної кераміки проводилась наступним чином: для створення локальних енергетичних рівнів кераміка опромінювалась високоенергетичним випромінюванням  електронів. Реструктуризація поверхневих О-Н зв’язків , переключення протонів  досягалось  при обробці кераміки в середовищі водню під високим тиском.

Контроль електричного заряду, досягнутого в ході електричної функціоналізації, проводився  за допомогою методу ультрафіолетової фотоелектронної спектроскопії (визначенням фотоелектричної роботи виходу електрона) та Кельвін-зондової силової мікроскопії (різновид атомно-силової мікроскопії).

Апробація дослідного зразка фільтра проводилась на наступних модельних мікроорганізмах  : непатогенні  дріжжі S.Cerevisiae як модель грибкових мікроорганізмів, бактерії Burkholderia cepacia (B.cepacia) и Escherichia coli (E.coli). Бактерії B.cepacia широко розповсюджені і часто зустрічаються в природній воді та грунтах, , а бактерії E.coli є загальноприйнятим індикатором фекального забруднення води .

Для теоретичного контролю процесу об'єднання  пор в  кластери необхідних розмірів використовувалось наше співвідношення  для кінцевомірних областей пористої перколяційно-фрактальної системи: