Стройматериал из отходов угольной промышленности
Специалисты Уральского федерального университета совместно с коллегами из Пермского Политеха создали экологичный строительный материал на основе отходов угольной промышленности. Легкий и теплый гипсокерамзитобетон может стать экологичной альтернативой цементу, однако его применение ограничено из-за низкой водостойкости. Исследователи решили эту проблему, добавив в состав тонкомолотые горелые породы, что позволило повысить водостойкость материала на 50 % и снизить негативное влияние промышленных отходов на окружающую среду. Ученые высушили образцы породы и размололи их до консистенции пудры с высокой удельной поверхностью. Дополнительно исследователи создали модификатор, повышающий пластичность смеси, снижающий потребность в воде и увеличивающий плотность структуры. В состав легкого бетона также ввели высокопрочный гипс, который усиливает каркас материала. Оптимальное соотношение компонентов определили с помощью математического моделирования: пик водостойкости достигается при пропорциях на 1 м3 – 400 кг обычного гипса, 200 кг высокопрочного гипса, 125 кг горелой породы и 2,4 кг пластификатора.
Рентген для повышения добычи
Основные запасы углеводородов сосредоточены в плотных породах-коллекторах вроде известняков и доломитов. Чтобы извлечь оттуда сырье, в скважины закачивают воду, но процесс этот идет вслепую. Ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из Китая разработали комплекс, который сочетает заводнение керна с непрерывной рентгеновской съемкой. Технология распознает нефть на полученных изображениях с точностью 89 %, позволяя поэтапно увидеть процесс вытеснения и точно спрогнозировать поведение пласта. Образец породы помещают в специальный сканер – медицинский томограф, приспособленный для работы с горной породой. Через керн прокачивают воду, а сканер делает трехмерные снимки. Чтобы жидкости были видны на рентгене, в воду добавляют йодистый калий. На готовых изображениях вода выглядит светлой, нефть – темной, а горная порода имеет серый оттенок. Получается послойная картинка, на которой видно расположение воды и нефти в каждый момент времени. Чтобы превратить изображения в точные данные, снимки загружают в программу, которая обрабатывает их и определяет, где на них нефть, а где вода.
Укрощение «огненного льда»
«Огненный лед» – это газогидрат с метаном внутри. Один кубометр такого льда дает до 180 м³ газа. Однако его добыча опасна, так как при разрушении структуры выделяется метан, который усиливает парниковый эффект и создает угрозу обрушения грунта. Чтобы решить эту проблему ученые из России, Китая и Саудовской Аравии создали виртуальную модель «огненного льда», процесс просачивания жидкости из цементного раствора в породу и ее контакт с гидратом. Для этого в систему добавили раствор с полимерами в концентрациях от 0,5 до 1,5 % и стали повышать температуру, имитируя нагрев от затвердевающего цемента, наблюдая, при какой температуре гидрат начинает разрушаться. Исследователи выбрали три типа добавок: кислотные, серосодержащие и азотистые, а также их сочетания. Для каждого рассчитали температуру разрушения гидрата при давлении от 5 до 10,5 МПа. Наиболее агрессивными оказались амидные группы. При содержании 1,5 % такого полимера гидрат начинает таять при температуре на 2,77 °C меньше, чем в воде без добавок. Азотистая и кислотная группы снижали температуру на 3,56 °C, а серосодержащие добавки оказались наименее вредными.
Очень умная система управления заводами
Современные заводы управляются интеллектуальными системами, но заводские настройки устаревают. Ученые ПНИПУ разработали программу, которая решает проблему устаревания заводских моделей управления. Система непрерывно анализирует архивные данные работы производства и самостоятельно обновляет свои алгоритмы, подстраиваясь под текущее состояние оборудования и сырья в реальном времени без остановки процесса. Ключевой элемент разработки – блок текущей идентификации, включенный в схему управления. Он сравнивает прогноз модели с фактическими параметрами работы. Как только накопленная ошибка превышает допустимый порог, программа запускает процедуру переобучения: загружает свежие данные, пересчитывает параметры и обновляет настройки. Разработка прошла три этапа испытаний. Сначала исследователи создали цифровую копию завода и запустили алгоритм 1200 раз. Затем проверили на реальных данных завода по производству масляных альдегидов – точность прогнозов выросла вдвое. Далее протестировали на действующем производстве, внедрив программу на установку депропанизации. Программа проанализировала архивные данные (4 тысячи измерений) и заново рассчитала 25 ключевых коэффициентов, повысив показатель качества на 30 %.
Водород для повышения устойчивости энергосетей
Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Узбекистана разработали метод интеграции водородных систем хранения энергии в электрические сети, обеспечивающий повышение малосигнальной устойчивости системы на 24,8 %. Исследователи предложили математическую модель водородной системы хранения с особым вниманием к блоку управления силовым преобразователем в водородных системах хранения энергии – это комплекс электронных устройств и алгоритмов, который регулирует работу преобразователя. Его особенность – в применении усовершенствованного алгоритма синхронизации с предварительным каскадом фильтрации. Новый алгоритм быстрее синхронизируется с сетью, уменьшает амплитуду колебаний напряжения и показывает более стабильную работу в нештатных ситуациях. Алгоритм состоит из двух основных блоков: предварительный каскад фильтрации подавляет шумы, помехи и выделяет полезный сигнал, а блок синхронизации обеспечивает точное согласование фаз и частот между сигналами. Такой подход дает возможность перераспределять нагрузку и поддерживать стабильное электроснабжение в течение суток, а также улучшает малосигнальную устойчивость сети.
Топливо из углекислого газа
Российские материаловеды из МИСИС, Института биохимической физики РАН и Сколтеха создали катализатор, способный в течение длительного времени превращать углекислый газ в монооксид углерода – исходное вещество для синтеза многих жидких углеводородов и спиртов. Катализатор представляет собой наночастицы платины и железа, закрепленные на специальной подложке из гексагонального нитрида бора. Этот материал состоит из двумерных слоев атомов азота и бора, уложенных стопками подобно слоям углерода в графите. Ученые структурировали частицы нитрида бора таким образом, что на их поверхности образовались особые дефекты, препятствующие спеканию наночастиц в процессе работы катализатора. Благодаря этому катализатор демонстрирует высокую химическую активность и сохраняет ее на протяжении 50 ч. В ходе экспериментов выяснилось, что со временем катализатор начинает производить не только монооксид углерода, но и углеводороды. Монооксид углерода, получаемый в результате каталитической конверсии CO2, служит ключевым компонентом для многих промышленных процессов. В частности, он используется в синтезе Фишера–Тропша для производства синтетических жидких топлив, метанола и других ценных химических соединений.
