Цитируемые ученые: «фотонный крючок» и уникальное экологичное топливо

| 715

Проект «Цитируемые ученые» подвел итоги публикационной активности политехников на сервере учета публикаций вуза за март 2018 года. В марте на нем были зарегистрированы 45 статей в журналах с высоким импакт-фактором, 42 статьи опубликованы в журналах первого и второго квартилей (Q1 и Q2).

Фото: разработка технологии по созданию органоводоугольного топлива (ОВУТ)

В мартовском выпуске проекта «Цитируемые ученые» самый высокоцитируемый соавтор статей ученых ТПУ имеет индекс Хирша 55. Самый высокорейтинговый журнал, в котором опубликовались политехники, имеет импакт-фактор 6,065.

Исследовательская школа физики высокоэнергетических процессов

Галина Няшина, инженер Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов, Ксения Вершинина, инженер Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов, Маргарита Курганкина, инженер Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов, Павел Стрижак, профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов.

Журнал: Journal of Hazardous Materials (6,065; Q1)

Статья: Экологические преимущества и недостатки композиционных топлив на основе индустриальных отходов и углей разного сорта

Современные исследования показывают, что большая часть антропогенных выбросов по всему миру приходится на тепловые электрические станции и котельные установки. Особенно следует отметить страны с развитой и активно развивающейся промышленностью (Китай, Индия, США, Евросоюз, Россия). При этом твердые топлива считаются наиболее опасными, с точки зрения антропогенных выбросов, среди всех основных энергоресурсов (уголь, газ, мазут, нефть). Именно страны с развитой угольной теплоэнергетикой наиболее сильно влияют на проблемы глобального потепления. Перспективным решением многих проблем угольной теплоэнергетики представляется перевод предприятий с традиционной угольной пыли на органоводоугольные топлива (ОВУТ).

В настоящей работе выполнены экспериментальные исследования наиболее опасных антропогенных выбросов (оксидов серы и азота) при сжигании перспективных суспензий ОВУТ. Проиллюстрированы основные преимущества применения ОВУТ в теплоэнергетике и потенциальные недостатки. Изучено влияние группы компонентов и добавок в суспензиях ОВУТ, существенно влияющих на экологические индикаторы сжигания топлив. Показано, что антропогенные выбросы при сжигании суспензий ОВУТ, приготовленных из широко распространенных отходов угле- и нефтепереработки, не превышают аналогичные характеристики при сжигании углей в традиционном пылевидном состоянии. За счет использования специализированных примесей и добавок к ОВУТ можно значительно изменять концентрации NOx и SOx (иногда в несколько раз). Наиболее привлекательными добавками к ОВУТ являются древесные примеси (опилки, солома, древесный уголь), а также известь и глицерин. Они положительно влияют не только на экологические индикаторы, но и на технико-экономические, энергетические и реологические свойства суспензий ОВУТ. Применение отработанных масел и нефтешламов в составе ОВУТ может ухудшить экологические индикаторы, но существенно увеличить технико-экономические и энергетические показатели.

«Использование суспензий ОВУТ в качестве топлива на теплоэнергетических предприятиях — экологически, экономически и энергетически эффективный способ утилизации индустриальных отходов с получением энергии и снижением негативного воздействия угольной теплоэнергетики на окружающую среду. Научно-обоснованный прогноз рационального компонентного состава топливных суспензий с дополнительными примесями позволяет на практике достигать высокие энергетические, экологические и технико-экономические показатели в теплоэнергетике», — отмечают авторы статьи.

Маргарита Курганкина, инженер Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов, Галина Няшина, инженер Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов, Павел Стрижак, профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов.

Журнал: Journal of Cleaner Production (5,715; Q1)

Статья: Экологические последствия сжигания суспензионных топлив на основе углей, отходов и продуктов их переработки

В статье приведены результаты экспериментальных исследований основных антропогенных выбросов при сжигании углей, отходов и продуктов углепереработки в традиционном (пылевидном) для теплоэнергетики виде, а также в составе суспензионных топлив при смешивании с водой и горючими жидкими примесями. Во время проведения исследования рассмотрены каменные угли нескольких марок (газовый, длиннопламенный, коксующийся, тощий, слабоспекающийся), отходы (кеки), продукты углепереработки (кокс, полукокс), жидкие горючие компоненты (отработанные индустриальные масла, мазут).

Также приведены данные исследований для древесного угля и углеродного порошка, образующегося при переработке автомобильных шин. Определены концентрации наиболее опасных выбросов — оксидов серы и азота. Установлено влияние на концентрации газов группы определяющих факторов: показателей качества компонентов, их элементного состава и концентрации (уголь — 40-60 %, вода — 30-50 %, горючая жидкость — 5-15 %); способов приготовления суспензий (гомогенизатор, кавитатор); тонины помола (8–250 мкм); массы навески (0,5–1,5 грамм).

«При варьировании концентрации угольного компонента в составе суспензии от 40 до 60 % выбросы оксидов азота возрастают на 35 %, выбросы оксидов серы возрастают на 67 %, при варьировании концентрации воды в составе суспензии от 30 до 50 % выбросы оксидов азота снижаются на 17 %, выбросы оксидов серы снижаются на 62 %, при варьировании концентрации горючей жидкости в суспензии от 5 до 15 % выбросы оксидов азота снижаются на 5 %, выбросы оксидов серы возрастают на 28 %», — говорится в статье.

Также учеными были выделены преимущества применения топливных суспензий в сравнении с углями. Выполнен анализ перспектив и ограничений широкомасштабного применения суспензионных топлив в теплоэнергетике вместо традиционных энергоресурсов.

Дмитрий Глушков, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов, Павел Стрижак, профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов, Семен Сыродой, старший преподаватель Научно-образовательного центра И.Н.Бутакова Инженерной школы энергетики и др.

Журнал: Energy (4,52; Q1)

Статья: Математическая модель зажигания капли органоводоугольного топлива

«Глобальные проблемы поиска решений в направлении эффективной утилизации отходов угле- и нефтепереработки могут быть решены при использовании последних в качестве основных горючих компонентов органоводоугольных топлив (ОВУТ)», — говорится в статье.

По словам ученых, экономические и экологические преимущества ОВУТ по сравнению с углями очевидны, а также условия более высокой пожаровзрывобезопасности ОВУТ на крупных теплоэнергетических объектах. Однако до настоящего времени не были разработаны прогностические модели зажигания суспензий ОВУТ на основе компонентов с существенно отличающимися характеристиками (зольностью, влажностью, содержанием летучих, теплотой сгорания и другими).

Такая модель была разработана в данной работе. Для формирования полного объема представлений о закономерностях рассматриваемого процесса выполнены экспериментальные исследования. Сформирована экспериментальная база данных с основными характеристиками (длительности стадий, времена задержки газофазного и гетерогенного зажигания, максимальные температуры горения, минимальные достаточные температуры окислителя) зажигания ОВУТ.

Кроме того, разработана математическая модель, обеспечивающая возможность прогнозирования условий и характеристик зажигания капли ОВУТ. Отличительной особенностью модели является учет всех основных тепломассообменных процессов и химических реакций в системе «твердое горючее — жидкое топливо — вода». Разработанная математическая модель является основой для сопоставления и оценки характеристик зажигания ОВУТ на основе разных углей, фильтр-кеков и других компонентов, которые могут использоваться для приготовления топливных композиций.

Роман Егоров, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов, Дмитрий Антонов, студент Инженерной школы энергетики, Тимур Валиуллин, аспирант Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов, Павел Стрижак, профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов.

Журнал: Fuel Processing Technology (3,752; Q1)

Статья: Динамика зажигания водосодержащих топливных композиций

В последнее время актуальным является применение на практике композиционных топлив, когда какие-либо недостатки одних компонентов топлива компенсируются преимуществами других. В данной работе исследовано влияние процессов испарения воды на разных этапах зажигания водоугольной суспензии, полученной из отходов углеобогащения и нефтепереработки.

Показано, что при повышении температуры в камере сгорания выше 1000 К временной зазор между моментами газофазного и гетерогенного зажигания суспензии возрастает с 4 до 50 мс. Это объясняется тем, что с ростом температуры в камере сгорания максимум интенсивности испарения воды в объеме порции топлива сдвигается во времени ближе к моменту зажигания. В результате требуется дополнительный нагрев топлива для инициирования гетерогенного зажигания. С ростом температуры в камере сгорания с 870 до 1070 К объемная плотность энерговыделения при горении летучих веществ в окрестности капли топлива возрастает в 30–40 раз. Однако в результате выгорания летучих компонентов не выделяется достаточно тепла для инициирования гетерогенного зажигания топливной смеси, содержащей 30–40 % воды.

«Полученные результаты являются основой для оптимизации зажигания топлив, содержащих воду, а также для выбора более эффективных и экологичных режимов горения», — отмечают авторы исследования.

Ольга Лутошкина, преподаватель Учебно-научного центра «Организация и технологии высшего профессионального образования», Максим Пискунов, ассистент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов и др.

Журнал: International Journal of Thermal Sciences (3,615; Q1)

Статья: Испарение капель воды с неметаллическими включениями разных размеров в высокотемпературной газовой среде

В статье представлены результаты экспериментального исследования механизмов испарения неоднородных капель воды с частицами графита разных размеров и концентраций, нагреваемых в высокотемпературной (около 1373 К) газовой среде.

Авторами зарегистрированы основные стадии процесса парообразования: испарение со свободной поверхности капли, пузырьковое кипение на межфазной границе «твердое включение — жидкость», взрывное разрушение капли на множество мелких капель и их эффективное испарение. Установлены необходимые условия для реализации взрывного разрушения капель. Показано, что добавление мелкодисперсных частиц графита в капли жидкости уменьшает их время существования на 50 % при рассмотренных условиях нагрева, а также способствует взрывному разрушению капель вследствие более интенсивного парообразования.

Кроме того, выдвинута гипотеза о формировании на границе раздела сред между твердыми частицами и жидкостью изолирующего парового слоя. Установлено, что вследствие взрывного разрушения неоднородных капель воды площадь поверхности испарения жидкости увеличивается в 15 раз по сравнению с начальной площадью поверхности капель. В случае же капель графитовой суспензии (капли содержат одно крупное включение и распределенные по объему мелкодисперсные частицы графита) площадь поверхности испарения увеличивается не более чем в три раза. Площадь поверхности испарения во время взрывного разрушения капель суспензий графита в 5,4 раза меньше по сравнению с каплями воды без примесей (с одним крупным включением). Выполнен анализ причин таких различий.

«Полученные результаты могут быть применены при разработке технологий пожаротушения с использованием водяных спреев, содержащих неметаллические твердые примеси. Практическая реализация взрывного разрушения неоднородных капель способствует подавлению пожара, охватывающего большую площадь, с расходом значительно меньшего количества воды», — подчеркивается в исследовании.

Стефано Сфарра, научный сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов, Santulli C. (h-индекс: 23) и др.

Журнал: Construction and Building Materials (3,169; Q1)

Статья: Предложение по разработке нового материала для теплиц с использованием численного, оптического, теплового и механического подходов

Отмечается, что недавно была предложена технология изготовления панелей теплиц из полиэтилена высокого давления с использованием вторичной бумаги. В настоящем исследовании предложена новая технология и рецептура аналогичного материала, но дополнительно содержащего измельченный базальт.  В статье приводятся результаты испытания оптических, механических и тепловых свойств этого материала, а также результаты численного моделирования вышеуказанных свойств.

Исследовательская школа химических и биомедицинских технологий

Ольга Гусельникова, инженер Инженерной школы природных ресурсов, Павел Постников, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий, Svorcik V. (h-индекс: 37) и др.

Журнал: Advanced Materials Interfaces (4,279; Q1)

Статья: Получение управляемых и функциональных амфифильных поверхностей ПММА методом 3D-селективной модификации

В статье представлен метод получения функциональных амфифильных поверхностей ПММА с управляемой смачиваемостью.

Александра Першина, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий и др.

Журнал: PLOS Neglected Tropical Diseases (3,834; Q1)

Статья: Магнитно-резонансная томография и спектроскопия для дифференциальной диагностики повреждений печени при экспериментальной инвазии Opisthorchis felineus у животных

В данной работе методами магнитно-резонансной томографии (МРТ) и магнитно-резонансной спектроскопии (МРС) исследована печень инвазированных Opisthorchis felineus (вид плоских червей-паразитов, возбудителей кишечного описторхоза — ред.) хомяков. Показано, что неинвазивная методика исследования печени, основанная на МРТ и МРС, позволяет не только оценить степень повреждения органа при инвазии, но и делать некоторые заключения о характере метаболических нарушений в печени.

Школа базовой инженерной подготовки

Сергей Лазарев, ассистент отделения русского языка Школы базовой инженерной подготовки, Chollet M. (h-индекс: 23), Zhu D. (h-индекс: 28), Feng Y. (h-индекс: 21), Williams G. (h-индекс: 46), Petukhov A.V. (h-индекс: 34), Vartanyants I.A. (h-индекс: 30).

Журнал: Scientific Reports (4,259; Q1)

Статья: Основанная на дифракции Хэнбери-Браун и Твисс интерферометрия излучения лазера на свободных электронах в области жесткого рентгена

В данной работе был впервые произведен статистический анализ рентгеновского излучения современного лазера на свободных электронах в рентгеновском спектре (LCLS, США) с помощью интерферометрии Хэнбери-Браун и Твисс в геометрии дифракции Брэгга.

Уникальность работы заключается в том, что характеристика была сделана с использованием дифракционного сигнала от коллоидного кристалла (образца).

«В отличии от стандартного метода, когда анализу подвергается непосредственное излучение, без образца, разработанный метод позволяет одновременно проводить исследование образца и характеристику падающего рентгеновского излучения. Учитывая уникальность лазеров на свободных электронах в области жесткого рентгена (всего меньше пяти приборов в мире), разработанная методика позволит экономить время на исследование излучения лазера», — отмечают авторы.

Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности

Игорь Минин, старший научный сотрудник отделения электронной инженерии Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности и др.

Журнал: Scientific Reports (4,259; Q1)

Статья: Оптомеханический манипулятор наночастиц на основе «фотонного крюка»

Ранее физики ТПУ обнаружили новый вид искривленных световых пучков. Их назвали «фотонными крюками». Впервые они были описаны в монографии 2015 года «Diffraction optics and nanophotonics: resolution beyond diffraction limit.  Springer» (I.V.Minin and O.V.Minin).

Такие пучки уникальны тем, что радиус их кривизны существенно меньше длины волны, а распространяются они на расстояние нескольких длин волн. Искривление электромагнитных волн с таким маленьким радиусом описано впервые. Используя фотонный крюк, можно не только улучшить разрешение оптических сканирующих систем, но и создать оптомеханический манипулятор для управления движением наночастиц, отдельных клеток, бактерий и вирусов, что было предложено российскими учеными еще в 2014 год. Тогда же был получен патент РФ.

Первые результаты, описывающие работу таких пучков на основе компьютерного моделирования, были опубликованы в Optics Letters и Scientific Reports в 2018 командой ученых из России, Англии, Израиля, США.

В своем исследовании ученые ТПУ совместно с коллегами, экспериментируя с мезочастицами из диэлектрических материалов с нарушенной симметрией формы, показали, что такие частицы формируют новый тип криволинейных лучей — «фотонный крюк». Благодаря такой форме в частице неравномерно изменяется время полной фазы колебаний оптической волны.

«Как оказалось, эти лучи можно использовать в качестве своеобразного светового крючка, который будет одновременно удерживать микроскопический объект и толкать его в определенную сторону не по прямой, а по произвольной траектории. Это позволяет двигать объекты, находящиеся за прозрачными препятствиями, что было предсказано российскими учеными в 2014 году», — отмечается в статье.

Инженерная школа ядерных технологий

Егор Кашкаров, ассистент отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий, Николай Никитенков, профессор отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий, Алина Сутыгина, аспирант отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий и др.

Журнал: International Journal of Hydrogen Energy (3,582; Q1)

Статья: Поглощение водорода сплавом Zr-1Nb, после имплантации в него титана

В работе описывается поглощение водорода сплавом Zr-1Nb, поверхность которого модифицирована путем плазменно-иммерсионной ионной имплантации (ПИИИ) ионов титана из плазмы вакуумного дугового разряда. Показано влияние времени имплантации на защитные (от проникновения водорода в сплав) свойства модифицированного слоя.

Уточняется, что кинетика сорбции образцов модифицированного сплава исследовалась газофазным гидрированием при 400°С в течение часа. Наименьшая скорость сорбции водорода образцом сплава через имплантированный слой достигалась после ПИИИ в течение 30 мин.

«Основным фактором в уменьшении сорбции водорода образцом является, по-видимому, образование при имплантации оксидного слоя, состоящего из нано структурированных TiO2 и ZrO2, на модифицированной поверхности сплава. Толщина модифицированного слоя увеличивается с увеличением времени имплантации, что улучшает эффективность захвата водорода в слое. Весь поглощенный водород распределяется в модифицированном слое, и в сплаве циркония гидриды не образуются после гидрирования в течение 15 и 30 мин», — отмечают исследователи.

При этом рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия показала, что оксид титана существует на поверхности в виде TiO2, который после гидрирования превращается в смесь оксидов Ti2O3 и TiO2.

Работа направлена на решение задачи защиты конструкционных и функциональных материалов от водородного охрупчивания. Что является одной из самых актуальных проблем современных промышленных технологий.

Инженерная школа природных ресурсов

Максим Рудмин, доцент отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов, Roberts A.P. (h-индекс: 55), Horng C.S. (h-индекс: 19), Алексей Мазуров, профессор отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов, Олеся Савинова, доцент отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов, Алексей Рубан, ассистент отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов и др.

Журнал: Geochemistry, Geophysics, Geosystems (3,201; Q1)

Статья: Формирование ферромагнитных сульфидов железа и мобилизация метана через прибрежно-морские отложения древнего Западно-Сибирского моря в течении палеоцен-эоценового термального максимума

В течении палеоцен-эоценового термического максимума (ПЭТМ) среди оолитовых железняков Бакчарского месторождения (юго-восточная часть Западной Сибири) происходило формирование аутигенных ферримагнитных сульфидов железа (грейгит и моноклинный пирротин). Наличие этих минералов связано с диагенетической обстановкой в условиях анаэробного окисления метана, которое было подтверждено анализом газово-жидких включений изученных породах. В современных морских условиях образование ферримагнитных сульфидов железа связано с эмиссией метана в присутствии незначительного количества растворенных сульфидных ионов.

«ПЭТМ является наиболее экстремальным глобальным потеплением в кайнозое, и массовая мобилизация метана рассматривается как основной фактор этого события, отражающийся в изменении изотопного состава углерода. Изученные отложения дают редкие прямые доказательства мобилизации метана во время ПЭТМ», — говорится в статье.

Добавляется, что формирование ферромагнитных сульфидов железа, связанное с метаногенезом в изученных толщах, можно объяснить усилением локального захоронения углерода через ПЭТМ. Несмотря на отсутствие убедительных доказательств для увязки локального выброса метана с более широкой мобилизацией метана и глобальным потеплением, используемый в работе магнитный, петрографический и геохимический подход применим для идентификации аутигенных минералов. Последнее служит важным признаком подвижности метана и может использоваться для поиска обстановок мобилизации метана как через ПЭТМ, так и другие гипертермальные климатические явления.

Максим Рудмин, доцент отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов, Алексей Мазуров, профессор отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов, Дмитрий Мартемьянов, инженер Научно-производственной лаборатории «Чистая вода» Инженерной школы новых производственных технологий и др.

Журнал: Applied Clay Science (3,101; Q1)

Статья: Экономический потенциал глауконитовых пород Бакчарского месторождения (юго-восток Западной Сибири) в качестве нетрадиционных калийных удобрений

В работе изучена возможность практического использования глауконитовых пород верхнемелового возраста Бакчарского месторождения в Западной Сибири в качестве альтернативного калийного удобрения.

«Содержание K2O в этих глауконитовых породах варьирует от 2,5 до 4,1 %, что указывает на их потенциал как калийных удобрений для агрономических целей», — подчеркивают ученые.

Согласно минеральному составу и текстурным характеристикам глауконитовые породы можно разделить на три типа: глауконитолит, глауконитовый песчаник и глауконит-шамозитовый ооидовый железняк, содержание глауконита в которых составляет 58,5, 25,7 и 24,6 %, соответственно.

При этом в промежуточной размерной фракции глауконитолита концентрация зерен глауконита достигает 90,4 % при мокром просеивании. Электромагнитная сепарация дополнительно увеличивает концентрацию глауконитовых зерен для каждого типа пород, особенно для глауконитового песчаника. Кроме того, добавление глауконитовых продуктов в почву увеличивает скорость прорастания семян овса до 5,2 %, высоту растений — от 0,8 до 18,8 %. Как исходный глауконитолит, так и его гранулометрическая фракция приводят к одинаковой скорости роста овса.

Результаты исследования показывают, что глауконитовые породы Бакчарского месторождения можно использовать в качестве нетрадиционного калийного удобрения, используя простейшие методы обогащения: просеивание и при необходимости электромагнитную сепарацию.