Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Инновационные технологии и системы для защиты окружающей среды от воздействия энергетики

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Инновационные технологии и системы для защиты окружающей среды от воздействия энергетики"

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

2 О ДПР

Москва 2011

4844651

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:

Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН

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 государственного открытого университета.

Автореферат разослан 12 апреля 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из ключевых сфер деятельности человечества, 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 мощными 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 результате сжигания органического топлива, сопровождаемого выбросами углекислого 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 усугубляется 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 заговорили о глобальном потеплении, а переломные моменты начинают следовать один за другим. Полученные данные свидетельствуют о растущем числе случаев засухи и, соответственно, наводнений, распространении москитов, переносящих инфекции, а также катастрофическом сокращении размеров ледников, которые питают водой города, расположенные в Южной Америке и на азиатском субконтиненте. Особенно зловеще выглядят итоги новейшего исследования ледников Гренландии и западной Антарктики. Ледяные щиты, размываемые нагревающимися морскими водами, стали перемещаться в направлении океана. Проведенные исследования указывают, что уровень воды в мировом океане в течение столетия может подняться почти на 2 метра, что, в свою очередь, представляет реальную угрозу для всей цивилизации. В таких экологических последствиях нет ничего неожиданного. Ведь сейчас бес-

контрольно используется углеводородное топливо, которое образовалось под воздействием солнечного излучения и копилось в недрах Земли на протяжении многих миллионов лет. Поэтому экологическая политика, наряду с состоянием ресурсной базы, становится одним из главных регуляторов развития мировой энергетической отрасли.

Существенное отрицательное воздействие энергетики на биосферу и условия жизни людей вызывает необходимость срочного решения двух научно-технических проблем: повышение эффективности технических средств и методов защиты окружающей среды; освоение новых экологически чистых технологий для получения энергии.

Цель работы. Цель диссертационной работы заключается в исследовании и разработке способов снижения негативного воздействия энергетики на окружающую природную среду с использованием инновационных технологий и систем. Для реализации этой цели были определены следующие задачи:

1. Защита окружающей природной среды от вредных выбросов котельных установок 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.

4. Усиление экологической безопасности потенциально опасных объектов энергетики путем повышения надежности оперативного персонала.

5. Обоснование экологически чистой энергетики, которая не вызывает поступление вредных веществ в окружающую среду и не нарушает тепловой баланс Земли.

Научная новизна работы:

— показана возможность применения технологий искусственного интеллекта и наноструктурных материалов для решения экологических проблем в энергетике;

— впервые в отечественной практике проведена цифровая обработка непрерывного 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; предложена интеллектуальная система для оценки профессиональной подготовки оператора;

— выбраны наносистемы для контроля газообразных выбросов и водной среды на основе применения наноструктурных материалов: самособирающихся мономолекулярных слоев на мезопористых подложках (СМСМП) и углеродных нанотрубок (УНТ);

— рекомендованы наноструктурные материалы для очистки грунтовых вод от тяжелых металлов и радиоактивных элементов с использованием на-норазмерного нуль-валентного железа (ННВЖ);

— рекомендовано для улавливания углекислого газа из дымовых газов котельных установок использовать материалы СМСМП с аминовым сорбентом и металлоорганические каркасные полимеры, включающие ионы магния;

— предложен пакет программных продуктов для моделирования процессов наноочистки грунтовых вод от вредных загрязняющих веществ;

— рекомендованы наиболее эффективные наноструктурные материалы для создания солнечных элементов;

— обоснована возможность создания эффективной солнечно-водородной энергетики, основанной на получении водорода путем фотокаталитического разложения воды на молекулярном уровне.

Практическая значимость. Использование разработанной нейросетевой модели для управления процессом горения на отечественных ТЭС даст возможность повысить эффективность топочного процесса и снизить выбросы оксидов азота в окружающую среду.

Применение интеллектуальных систем обучения и подготовки оперативного персонала энергетических объектов позволит повысить надежность операторов, снизить количество аварий и загрязнение окружающей среды, особенно в случае эксплуатации АЭС.

Применение рекомендованных наноструктурных материалов при мониторинге и очистке воздушной и водной среды приведет к существенному улучшению экологического состояния природной окружающей среды.

Осуществление на наноразмерном уровне фотокаталитического разложения воды с получением молекулярного водорода даст возможность создать солнечно-водородную энергетику, самую экологически чистую энергетику, когда при сгорании водорода не происходит никаких выбросов загрязняющих веществ и не выделяется дополнительное тепло в окружающую среду (происходит лишь внутреннее перераспределение на Земле поступающей солнечной энергии).

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

— методология цифровой обработки и анализа непрерывного изображения 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 пригодности человека к операторской деятельности;

— функциональные свойства и структуры наносистем, предназначенных для контроля и очистки атмосферы и грунтовых вод от загрязняющих органических веществ, тяжелых металлов и радиоактивных элементов;

— наиболее эффективные наноструктурные материалы для создания солнечных элементов;

— фотокаталитическое разложение воды на молекулярном уровне с целью получения водорода для его использования в солнечно-водородной энергетике.

Личный вклад автора. Самостоятельная работа автора диссертации заключается в постановке задач исследования экологических проблем в энергетике с применением инновационных технологий и систем, в разработке и обосновании способов и методов, позволяющих снизить негативное воздействие 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 процессом горения в котельных установках проводилось автором совместно с Беликовым С. Е., который выполнял экспериментальную часть работы, а автор диссертации — постановку задачи, расчетно-теоретическую часть и анализ результатов работы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и форумах: ХХХШ 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 конференция «Нанотехнология и информационные технологии — технологии XXI века», г. Москва, 2006 г.; V Международное совещание по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и транспорте, г. Москва, 2006 г.; 4-й Международный форум «Энергетика и экология», г. Москва, 2008 г., VI Международное совещание по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и транспорте, г. Москва, 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 Международная конференция «Информационные технологии в образовании ИТО-2009», г. Москва, 2009 г.; Международная научно-практическая конференция «Исторические, 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 печатных публикациях, в том числе в 8 книгах и 13 статьях, которые опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы, включающего 185 наименований. Общий объем работы составляет 241 стр., в том числе 44 рисунка и 2 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, научная и практическая значимость темы диссертационной работы; изложены краткие характеристики ее основных положений.

В первой главе рассмотрено воздействие энергетики на экологическое состояние окружающей природной среды. Для тепловой энергетики приведены 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 оказывать на него различное радиологическое воздействие.

Отечественная и мировая практика показывает, что добиться полностью безаварийной работы экологически опасных предприятий не представляется возможным. Причинно-следственный комплекс аварий и катастроф обусловлен большим числом факторов случайной природы.

Рациональное отношение к опасности и риску является необходимым элементом формирования человека, раскрытия его сущности и места в мире, а техногенный риск является неизбежным условием научно-технического прогресса. Важно отметить, что опасна не сама техника и ее материальное воплощение, а раскрытие процесса ее функционирования. Незнание такого 8

процесса и является собственно риском. Поэтому бессмысленно бороться с опасностью и риском, пытаясь «уничтожить» их. Наоборот, их следует осознавать, научиться управлять ими и корректировать свое отношение к ним.

В соответствии с современными взглядами риск обычно интерпретируется как вероятностная мера возникновения техногенных или природных явлений, сопровождающихся возникновением, формированием и действием опасностей, и нанесенного при этом социального, экономического, экологического и других видов ущерба и вреда. Таким образом, применение понятия риск позволяет переводить опасность в разряд измеряемых категорий, т. е. величина риска показывает меру опасности.

Из проведенного анализа воздействия энергетики на окружающую среду выявлены основные задачи, которые составляют цель диссертационной работы.

Во второй главе приведен краткий обзор основных положений использованных в работе инновационных технологий: систем искусственного интеллекта и достижений нанотехнологии в создании функциональных материалов.

Приведены назначение и классификация технологий искусственного интеллекта, которые основаны на особенностях человеческого поведения, способности человека к обучению и адаптации.

Искусственная нейронная сеть (НС) в весьма условной и приближенной форме моделирует процессы, происходящие в совокупности биологических нейронов человека. НС является вычислительной системой с огромным числом параллельно функционирующих простых процессоров с множеством связей. Модели НС в некоторой степени воспроизводят «организационные» принципы, свойственные мозгу человека.

Генетические алгоритмы (ГА) — это специальная компьютерная технология с последовательностью управляющих действий и операций для поиска оптимальных решений, объединяющая элементы вероятностных и детерминистских методов. Генетические алгоритмы часто применяют совместно с нейронными сетями. Это позволяет создать предельно гибкие, быстродейст-

вующие и эффективные системы анализа событий и обработки всевозможных данных.

Одним из наиболее поразительных свойств человеческого интеллекта является способность принимать правильные решения в условиях неполной и нечеткой информации. Построение моделей, учитывающих подобную особенность мышления человека, и использование их в компьютерных системах привело к созданию нового математического аппарата, способного переводить неточные и неоднозначные утверждения и правила на язык четких и формальных математических формул. Одним из таких математических методов является нечеткая логика (НЛ). В отличие от традиционной бинарной (булевой) логики, которая оперирует только точными и четкими понятиями (да/нет, ноль/единица, истина/ложь и т.п.), НЛ имеет дело с понятиями (величинами), находящимися в непрерывном или дискретном диапазоне. Поэтому НЛ иногда называют «непрерывной логикой».

Для нанотехнологии большое значение представляет выявление физических и химических особенностей наномира, вызванные изменением характера взаимодействия между частицами (электронов, атомов и молекул) в зависимости от расстояния между ними и проявлением квантовых эффектов, в частности, корпускулярно-волнового дуализма частиц.

В макромасштабе химические и физические свойства материалов не зависят от размеров. Однако в наноразмерном масштабе меняются все фундаментальные характеристики вещества: параметр решетки, электронный и фонон-ный спектры, работа выхода электронов, температура плавления, твердость, пластичность и др. Поэтому размер частицы является активной переменной, определяющей состояние системы и ее реакционную способность. Наиболее важные особенности в характеристиках наносистем вызваны не конкретным фактором уменьшения размера частиц, элементов или структур, а принципиально новыми качественными явлениями, присущими наномасштабу, когда проявляется влияние на макроскопические параметры получаемых продуктов закономерностей квантовой механики и размерных поверхностных эффектов.

Все это позволяет существенно улучшить свойства материалов и создать устройства с возможностями, которые ранее были недостижимы на основе применения традиционных технологий.

Возможность конструирования, моделирования и расчета искусственных наносистем является существенным требованием нанотехнологии, вследствие чего вычислительная нанотехнология становится важным инструментом разработки и создания таких наносистем. В связи с бурным развитием компьютерной техники и средств программного обеспечения основой вычислительной нанотехнологии становится в настоящее время компьютерное моделирование наносистем, которое основано на следующих основных численных методах расчета: квантово-теоретические расчеты «из первых принципов» (ab initio), молекулярная механика, молекулярная динамика и методы Монте-Карло.

В третьей главе рассмотрено применение технологий искусственного интеллекта для решения экологических проблем в энергетике: возможности применения интеллектуальных систем к оптимизации процесса горения в котлах и повышению надежности персонала энергетических объектов.

Надежный и непосредственный мониторинг пламени в котле ТЭС играет важную роль в системе контроля за вредными выбросами и оптимизации процесса горения. Применение низкокачественного топлива вызывает проблему нестабильности пламени, что приводит к неэффективному сгоранию топлива, повышенным выбросам загрязняющих веществ и другим проблемам эксплуатации. Поэтому для соблюдения жестких стандартов по охране окружающей среды и обеспечения энергосбережения становится весьма важной задача разработки системы всестороннего и постоянного мониторинга пламени в котлах энергетических установок.

Пламя является центральной зоной реакции процесса горения и его геометрические, световые и термодинамические характеристики дают мгновенную информацию о качестве и мощности горения. Таким образом, визуализация и определение параметров пламени являются необходимым условием

для достижения всестороннего понимания и последовательной оптимизации процесса горения.

Эксперименты по цифровому анализу пламени были проведены на котельной 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 уходящих газов - 122 °С. В нижней части топки на боковых стенах камеры установлены четыре газомазутные горелки. Горелки имеют тангенциальную компоновку с диаметром условной окружности в центре 0 500 мм.

С помощью цифровой видеокамеры 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. Такой анализ показал, что для каждого режима работы котла наблюдаются свои характерные цветовые параметры пламени, которые были использованы 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 концептуальная модель интеллектуальной системы наблюдения за пламенем горелки и управления процессом горения, основанной на комбинации нейронных сетей и технологии цифровой обработки изображений пламени (см. рис. 1). Основной целью такой интеллектуальной системы является минимизация выбросов NOx при одновременном поддержании эффективности работы котла. Подобная оптимизация может производиться путем изменения соотношения воздух/топливо на горелках всех уровней котла.

Геометрические и световые параметры пламени рассчитываются для определенной световой области изображения в динамическом режиме. Нейронная сеть, разработанная на основе этих параметров, дает возможность иден-

тификации пламени по всему диапазону расходов воздуха и топлива. В применяемых алгоритмах управления используются выходные сигналы нейронной сети, эффективно осуществляющие замкнутый контроль (с обратной связью) состояния пламени и регулирование воздушных клапанов.

Компьютер

Рис. 1. Схема мониторинга пламени и системы управления процессом горения

Такой контролируемый процесс горения путем интеллектуального мониторинга пламени на основе нейронных сетей с использованием технологии усиленного обучения позволяет надежно эксплуатировать котлы с пониженным уровнем избыточного воздуха, что приводит к повышению эффективности энергетической установки, уменьшению расхода топлива и снижению выбросов оксидов азота.

С использованием предложенной интеллектуальной системы достигается наиболее эффективный режим горения (оптимальное соотношение воздух-топливо) из любого исходного стартового состояния. На диаграмме (см. рис. 2) показана процедура оптимизации процесса горения, основанная на изменении соотношения между подаваемым воздухом и количеством топлива. При этом концентрация ЫОх в дымовых газах снижается, концентрация СО не переходит установленный допустимый предел, а общее количество подаваемого воздуха также уменьшается. В оптимальном режиме горения при минимально возможных выбросах МОх и СО будет обеспечена максимально возможная эффектив-

13

ность (КПД) горения. Поддержание в котельных установках оптимального соотношения воздух/топливо имеет принципиальное значение при использовании низкосортного угля с изменяющимся во время эксплуатации его качеством.

Рис. 2. Схема процедуры оптимизации процесса горения

Другой достаточно широкой областью применения интеллектуальных систем является повышение надежности персонала энергетических установок. Это связано с осознанием того факта, что одной из основных причин многих аварий глобальных масштабов были 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%.

Анализ промышленных пожаров и происшествий на атомных электростанциях позволил сделать вывод, что поведение человека и его ошибки определяются в основном неправильным выбором действий в аварийной ситуации. Это обстоятельство указывает на необходимость внедрения интеллектуальных систем для оценки профессиональной пригодности оператора, усиления его подготовки, развития средств и методов обучения и тренировки.

В интеллектуальных системах автоматизированного обучения (ИСАО), построенных на основе компьютерных программ, используют принципы искусственного интеллекта. Программное обеспечение ИСАО относится к

классу генерирующего типа; оно может быть неоднократно запущено одним и тем же обучаемым, хотя при этом учебная ситуация может быть каждый раз различной. ИСАО предназначены для обучения сложным предметам и могут быть альтернативой дорогостоящим тренажерам высокого класса или реальному оборудованию. ИСАО имеют ряд преимуществ по сравнению с системами автоматизированного обучения других типов: гибкость обучения, учет индивидуальных способностей, более активная роль обучаемых, возможность моделирования опыта высококвалифицированных специалистов.

В рамках профессионального образования и повышения квалификации кадров особенно перспективным является корпоративное дистанционное обучение. Это обусловлено наличием мотивации к обучению без отрыва от работы как со стороны руководства, так и со стороны сотрудников. Появились мощные интеллектуальные средства для быстрой разработки интерактивного мультимедийного учебного контента, который может доставляться обучаемым любым удобным способом: через Интернет, интранет-сеть, на компакт-дисках или других носителях данных.

В настоящее время большое значение приобретает мобильное обучение, которое позволяет в полной мере реализовать принцип электронного обучения: «Обучение в любом удобном месте, в любое удобное время». Для осуществления мобильного обучения подходит множество устройств, объединенных двумя общими чертами: портативностью и наличием интерфейса (а иногда и нескольких) беспроводного доступа. Под это определение подходят карманные компьютеры, коммуникаторы, смартфоны, ультрамобильные компьютеры, планшетные компьютеры, а также обычные ноутбуки.

Для заключительной оценки профессиональной подготовки оператора предложена интеллектуальная система на основе обучаемой нейронной сети. В качестве входных параметров НС выбраны 32 фактора, характеризующие индивидуальные особенности, образование, качество обучения и условия работы оператора. На выходе НС определяется уровень подготовки оператора: «хороший», «удовлетворительный» и «неудовлетворительный».

В четвертой главе диссертации приведены результаты исследований по выбору наноструктурных материалов для контроля и очистки окружающей среды.

Принцип действия полупроводниковых газовых сенсоров основан на зависимости электропроводности чувствительного слоя сенсоров от содержания газов в окружающей среде. Характеристики сенсора определяются материалом чувствительного слоя — химическим составом и кристаллической структурой, а также зависят от свойств всех составляющих элементов сенсора — материала подложки, материала и геометрии нагревателя и измерительных электродов, конструкции сенсора.

Большое количество разных наноразмерных материалов было исследовано на применимость в качестве детекторов. Диоксид олова Бп02 широко используется как подходящий полупроводящий материал для детектирования в виде нанокристаллических пленок, в форме наночастиц или в соединении с другими материалами, например, функционализированной медью. 8п02 может использоваться для обнаружения общих загрязнителей воздуха, таких как СО, С02, МОх и токсических газов (Н28 и др.).

Весьма перспективными являются композиционные пленки Бп02 + БЮ2, полученные одновременным распылением олова и кварца в кислородосодер-жащей атмосфере. Таким методом были изготовлены пленки, размер зерен кристаллов в которых лежит в пределах 5-НО нм.

Большой интерес для газовых сенсоров представляет оксид цинка 2пО из-за его уникальных физических и химических свойств, в частности, достаточно сильной зависимости электрической проводимости от химического состава поверхности.

Особенно привлекательны для разработки сенсоров углеродные нанотрубки (УНТ), так как их электропроводность может изменяться при адсорбции различных материалов на поверхность. Одностенные углеродные нанотрубки имеют более быструю реакцию и существенно более высокую чувствительность, в частности, к молекулам газов (таким как 1Ч02 и ЫН3) по сравнению с существующими твердотельными датчиками при комнатной температуре.

Современные полупроводниковые датчики газов способны обнаруживать посторонние газы в воздухе в объемных концентрациях на уровне единиц ррт (1 молекула на миллион молекул воздуха).

Используя набор датчиков, чувствительных к различным газам, можно создать «электронный нос», обнаруживающий целую гамму запахов. Электронный нос — это мультисенсорная система для скоростного анализа состояния воздуха, имитирующая работу человеческого органа обоняния. Такое устройство представляет собой программируемый набор датчиков, каждый из которых «нюхает» отдельный компонент запаха вещества или продукта. Чем больше датчиков установлено, тем точнее результат.

Контроль состояния водной среды на содержание неорганических и органических 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 размерами, 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 трубок — 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 адсорбцию многих веществ: диоксинов, ионов фтора, свинца и т.д. Поверхность УНТ можно модифицировать функциональными группами (например, карбоксильными) и допировать другими атомами путем введения их внутрь нанотрубки. Модификация поверхности УНТ полимерными пленками повышает селективность сенсоров. Так, полиэтилениминовое покрытие позволяет селективно измерять крайне низкие концентрации N02 (на уровне 10"4 ррт)

на фоне многих других газов, а с покрытием пленкой нафиона можно определять ЫН3 на фоне Ж)2.

Помимо углеродных нанотрубок нашли применение также нанотрубки из других веществ, в частности, Со304, Ре203, 8п02 и ТЮ2. Металлооксидные нанотрубки используют в основном в химических сенсорах для контроля газов и паров веществ (Н2, СО, этанол, этиленоксид и др.).

В 90-х годах был синтезирован кристаллический диоксид кремния МСМ-41 с шестиугольными ячейками, содержащими упорядоченные поры. Материал МСМ-41, имеющий жесткую, открыто-параллельную структуру, позволяет значительно улучшить проницаемость аналитов в поры по сравнению с аморфным диоксидом кремния. На основе такого материала был создан новый класс наноструктурированных сорбентов: самособирающиеся мономолекулярные слои на мезопористых подложках (СМСМП), получаемые присоединением различных органических соединений к материалу МСМ-41 (рис. 3).

Рис. 3. Схема функционализированных самособирающихся мономолекулярных слоев на мезопористых подложках.

Материалы СМСМП являются чрезвычайно эффективными сорбентами. Открытая параллельно-пористая структура таких материалов с размерами пор 5 нм обеспечивает диффузию исследуемых материалов в нанопористую матрицу, а твердая керамическая основа не допускает смыкания пор. В течение нескольких минут обычно достигается адсорбция равновесия на материале

Мезопористый диоксид кремния (например, МСМ-41)

Сямособирающиеся монослои на мезопористых подложка* (СМСМП)

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 различных сорбентов. Путем изменения вида взаимодействующего лиганда химическая селективность сорбента может быть настроена для определенных веществ. Такие наноструктуры позволяют производить выборочную изоляцию определенных веществ, включая лантаниды, актиниды, ионы тяжелых и переходных металлов и др.

На рис. 4 в схематическом виде показаны четыре вида материалов СМСМП, разработанные как сорбирующие материалы и модификаторы электродов: с тиолом (8Н-СМСМП) для свинца и ртути, с ацетамидом-фосфиновой кислотой (Ас-РНоб-СМСМП) для актинидов и переходных металлов, с глицинилом-мочевиной (01у-11г-СМСМП) для различных металлов и с салициламидом (БаЬСМСМП) для лантанидов.

О ——О О—-О О—— О О —Б! — О!

1111 О О О О

Ас-РЬов-СМСМП вН-СМСМП 8а1-СМСМП ау-иг-СМСМП Рис. 4. СМСМП-материалы с различными органосиланами

Углерод является универсальным материалом для электродов, который может подвергаться различным химическим и электрохимическим модификациям

для получения подходящих поверхностей с повышенной чувствительностью. Поэтому для повышения чувствительности анализа материалы СМСМП были внедрены как модификаторы в электроды с углеродной пастой (ЭУП). Так, материал Ас-РЬоз-СМСМП-ЭУП может быть использован для эффективного детектирования урана при наличии весьма высоких концентраций ионов других тяжелых и переходных металлов.

Одним из новых направлений, появившимся немногим более 10 лет назад, стала разработка мультисенсорных систем под названием «электронный язык», который можно определить как аналитическое устройство, включающее в себя массив (набор) химических сенсоров с относительно невысокой селективностью, но чувствительных к нескольким компонентам анализируемого раствора одновременно (перекрестной чувствительностью). В этой системе используется многомерный метод обработки данных, получаемых от массива сенсоров. Такая система способна выполнять функции распознавания разнообразных жидких сред и многокомпонентного количественного анализа неорганических и органических компонентов.

Очистка воздушной среды от загрязняющих веществ разработана достаточно хорошо. Поэтому в диссертации рассмотрены те вопросы, эффективность решения которых можно повысить с помощью нанотехнологии, а именно, фотокаталитическая очистка воздушной среды и улавливание углекислого газа, образующегося при сжигании топлива в котельных установках.

В качестве фотокатализатора в процессах очистки воды и воздуха от органических примесей используют исключительно диоксид титана ТЮ2. На поверхности ТЮ2 могут быть окислены до С02 и Н20 практически любые органические соединения. Если в состав соединений входят азот или атомы галогена X, то в продуктах реакции будут наблюдаться НЧОз и НХ.

Выбор процессов разделения и улавливания диоксида углерода С02 зависит от условий в газовом потоке, которые в свою очередь зависят от выбора общей стратегии улавливания С02. На наш взгляд, наиболее эффективным является применение твердых аминовых сорбентов, как функциональных мате-

риалов для разделения С02. Полная кинетика адсорбции С02 на твердом ами-новом сорбенте определяется кинетикой реакции функциональных аминовых групп с СО2, а также диффузией газовой фазы через структуры сорбента.

Пористые подложки твердых аминовых сорбентов создают устойчивый массообмен, а большой диаметр пор, иерархическая структура пор и взаимные соединения пористых каналов способствуют усилению массопереноса.

В качестве подложек для твердых аминовых сорбентов можно выбрать мезопористые материалы из диоксида кремния МСМ-41, МСМ-48 и 8ВА-15, у которых диаметры пор составляют от 2 до 200 и более нм. Емкость поглощения С02 связанными аминовыми сорбентами при температуре окружающей среды составляет около от 0,5 до 2,0 молей/кг.

В последнее время установлено, что весьма эффективным для улавливания С02 оказался новый класс наноматериалов — искусственно синтезируемые металлоорганические каркасные структуры, способные избирательно захватывать объемные органические молекулы. Такие наноструктуры с огромной пористостью и крайне низкой плотностью играют роль емких губок, впитывающих С02. Они представляют собой кристаллические упорядоченные трехмерные структуры с полостями относительно крупных размеров, внутри этих пор находятся атомы металлов. Настройка размеров и формы пор позволяют использовать такие металлоорганические каркасные структуры как сито, пропускающее молекулы строго определенной формы. В частности, было обнаружено, что металлоорганический каркасный полимер (обозначенный как М§-МОР-74), состоящий из ионов магния, связанных друг с другом органическими линкерами, образует высокопористую структуру, которая эффективно улавливает диоксид углерода до состояния насыщения (89 г С02 на один кг полимера), что значительно превышает емкость цеолитов и других материалов. Важным свойством такого полимера является то, что при понижении его парциального давления самопроизвольно высвобождается до 90% поглощенного С02, остальные 10% С02 можно «выдавить» при нагреве до 80°С.

Нанотехнология позволяет создать новые и эффективные методы очистки источников загрязнения грунтовых вод «на месте». В этих методах используются наночастицы с уникальными и настраиваемыми физическими и химическими свойствами. Их свойства могут быть подобраны для того, чтобы сделать их высокореактивными к общим органическим и неорганическим 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. Высокая реактивность и возможность свободной доставки наночастиц прямо к источнику загрязнения позволяет ускорить деградацию загрязнителей в зоне источника и уменьшить время и стоимость очистки по сравнению с традиционными технологиями.

Железо, как один из наиболее распространенных металлов на Земле, может стать важным звеном в решении проблемы очистки водной среды. Железо обладает способностью легко окисляться и образовывать ржавчину. В этом процессе нуль-валентное железо (НВЖ) Ре° окисляется до ионов Ре+2 и Ре3+, т. е. превращается в различные продукты окисления, известные как ржавчина, в то время как атмосферный кислород восстанавливается до воды.

НВЖ показывает прочную тенденцию отдавать электроны к подходящим акцепторам электронов:

Ре° -> Ре2+ + 2е~

Наряду с общими акцепторами электронов НВЖ также хорошо реагирует с большим разнообразием загрязняющих примесей, подверженных окислительно-восстановительным процессам. Например, обобщенный хлорированный углеводород ЛС1 превращается с помощью НВЖ в соответствующий углеводород ЯН:

ЯС1 + Н+ + Ре° — ЯН + Ре2+ + СГ

Для тяжелых металлов, таких как свинец(Н) или хром(У1), 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 (Ме -ион металла с зарядом а) описывается следующим уравнением:

Меа+ + Ь-е~-> Ме"-* Однако при использовании обычного НВЖ возникают определенные ограничения, связанные с уменьшением реакционной способности железа из-за осаждения гидрооксидов металлов и карбонатов металлов на поверхность железа. Использование наноразмерного нуль-валентного железа (ННВЖ) позволяет существенно снизить эти ограничения ввиду резкого увеличения у наночастиц отношения площади поверхности к объему.

Размер частиц ННВЖ колеблются от 10 до 100 нм в диаметре. В наноча-стицы как катализатор могут быть добавлены благородные металлы (например, палладий, серебро). При этом происходит каталитическое взаимодействие между вторым металлом и железом, а также увеличивается мобильность наночастиц. Второй металл является обычно менее реактивным и способствует более интенсивному окислению Ре 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 загрязненной грунтовой воды «на месте», в частности, для ускоренной деградации хлорированных органических соединений и сокращения количества тяжелых металлов в зонах источников загрязнения.

Обладая очень малым размером и большей активной поверхностью, нано-частицы могут легко проникать в центр загрязненной зоны. Они легко переносятся вместе с грунтовыми водами и попутно очищают все окружающее пространство. На рис. 5 показана принципиальная схема данного процесса.

Загрязняющие вещества

Инжекция наночастиц железа

Просачивание в почву и грунтовые воды

____\ .Л \ ... .

Рис. 5. Схема очистки грунтовых вод наночастицами железа

Наночастицы могут изолировать загрязняющие вещества грунтовых вод (с помощью адсорбции и комплексообразования), делая их немобильными, могут деградировать или преобразовать их в безвредные смеси.

В полевых исследованиях по очистке сточных вод, было обнаружено, что частицы ННВЖ оставались активными в течение 4-8 недель и перемещались с подземными водами на расстояния до 20 и более метров. Для улучшения переноса и стабильности частиц ННВЖ можно использовать сополимер поливиниловый спирт — поливинилацетат — полиитаконовая кислота (РУЗА), который существенно увеличивает стабильность суспензий ННВЖ при сохранении их реагирующей способности до шести месяцев.

В течение последних нескольких лет был разработан новый класс высокоэффективных нанопористых материалов-сорбентов для удаления тяжелых металлов. Эти материалы созданы из комбинации синтетических мезопористых керамических субстратов, в которых были заданы размеры пор (2-10 нм) и очень высокие площади поверхности (~1000 м2/г), с самособирающимися мономолекулярными слоями упорядоченных функциональных групп, которые

имеют высокую избирательность к определенным типам свободных или связанных катионов или анионов.

Для удаления тяжелых металлов в сточных водах наиболее перспективными являются методы с использованием мезопористых кремнеземов, таких как МСМ-41, НМ8, БВЗ 15 и БВБ 1, функционализированных с помощью ряда соединений-групп с целью придания этим материалам способности эффективно взаимодействовать с катионами металлов, т. е повысить их адсорбционную способность, в частности, использовать сорбент тиол-СМСМП (БН-СМСМП).

Наноструктурные материалы могут быть использованы также для мембранной очистки воды. Мембранное разделение осуществляется либо под давлением, либо под воздействием электрического тока (электродиализ). При помощи микрофильтрации из воды удаляют взвешенные вещества, коллоиды, некоторые виды микроорганизмов и металлы, фосфор, а также снижается ее жесткость. С помощью обратного осмоса из воды удаляют большинство солей, нитраты, нитриты, аммиак, фториды, а также радиоактивные вещества. Большой интерес представляет реактивная мембрана из ферроксана, т. е. керамики на основе оксида железа. Благодаря уникальным химическим свойствам железа такие реактивные мембраны позволяют очищать воду, удаляя из нее загрязняющие вещества и органические отходы. Кроме того, обнаружено, что ферроксановые материалы способны разлагать загрязнения с бензойной кислотой.

В связи с развитием атомной энергетики большое значение приобретает очистка окружающей среды от радиоактивных элементов. Радиоактивные элементы образуются на всех стадиях ядерно-топливного цикла, включая разработку урановых месторождений, обогащение и производство ядерного топлива, эксплуатацию ядерных реакторов, переработку ядерного топлива и т. д.

Радиоактивный йод, один из продуктов деления в ядерных реакторах, является очень мобильным в окружающей среде, так как не происходит образование твердых частиц с ограниченной растворимостью или необратимой адсорбции на поверхности минералов в грунтовых породах. Самую вы-

сокую способность к адсорбции радиоактивного йода в грунтовых водах с различными рН и химическим составом показали сорбенты Нд-БН-СМСМП и А§-5Н-СМСМП, которые сохраняли адсорбцию йодидов с очень высокой селективностью в естественных природных растворах, содержащих ионы других галогенов, такие как С1, Вг и Б с концентрациями, на восемь-десять порядков превышающими концентрацию радиоактивного йода.

Растворимый уран, присутствующий в сточных водах после переработки урановых руд, может быть удален двумя процессами: адсорбцией на различных типах материалов или восстановительным осаждением. В зависимости от типа используемого материала-реагента эти два процесса могут протекать индивидуально или комбинированным способом. Для улавливания урана основное внимание было направлено на использование ННВЖ. Ре° реагирует как восстановитель и способствует удалению урана осаждением по реакциям восстановления. Растворение и окисление нуль-валентного железа формирует необходимые электроны для осаждения урана.

Восстановление 1Ю22+ путем прямого переноса электронов к поверхности Ре° соответствует следующим реакциям:

Ш22+ + 4Н+ + 2е~ и4+ + Н20 и4+ + 2Н20 и02(тв) + 4Н+ В то время как нуль-валентное железо подвергается реакции окисления, образование продуктов окисления Ре(И) и Ре(Ш) приводит к формированию центров адсорбции. Восстановление и(У1) до и(1У) может происходить в растворе вблизи границы Ре°-раствор. Кроме того, после адсорбции комплексов и(У1) может последовать их восстановление до смеси твердых фаз и(У1)/и(1У) или фазы Щ1У). Таким образом, иммобилизация урана нуль-валентным железом может происходить как путем восстановления осажденного четырехвалентного урана, так и путем адсорбции комплексов урана (VI) на продуктах коррозии нуль-валентного железа.

Для выявления эффективности удаления урана из сточных вод были исследованы 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 С 160 (3) и смоле Purolite ARSEN-Xnp (4). Исследования по скорости удаления урана из сточных вод с использованием ННВЖ показали, что наилучшие результаты наблюдаются для смолы ARSEN Хпр: уже через 24 часа эффективность очистки окружающей среды достигает 99,99% (рис. 6).

Рис. 6. Остаточное содержание урана в зависимости от времени очистки

Большие перспективы для защиты окружающей среды от радиоактивных элементов имеют также углеродные нанотрубки. Они могут быть использованы как сорбенты и фильтры, для инкапсулирования и отверждения отходов, для связывания радиоактивных отходов с целью их захоронения, для добавления в материалы-наполнители хранилищ отходов (при наличии угрозы миграции радионуклидов).

Для моделирования и расчета процессов наноочистки рассмотрены различные программные продукты. Наиболее эффективным, на наш взгляд, является программный комплекс РНА8Т, предназначенный для моделирования многокомпонентных геохимических реакций в трехмерном приближении и переноса различных растворенных соединений.

В пятой главе диссертации рассмотрены возможности и проблемы создания экологически чистой энергетики на основе наноструктурных материалов. Как уже было отмечено, единственным источником энергии, не нарушающим тепловой баланс Земли, является солнечное излучение. Поэтому были исследованы два направления использования солнечного излучения: фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии и рациональные пути развития солнечно-водородной энергетики.

Из способов преобразования энергии Солнца в электрическую наиболее эффективным и проверенным является фотоэлектрический с помощью полупроводниковых 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%. Рекорд 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 элементов открываются с применением наноструктурных материалов. Одно из таких перспективных направлений — создание нанокомпозитов, состоящих из наночастиц металла, размещенных в матрице из иного, не взаимодействующего с наночастицами материала: металла, полупроводника или диэлектрика. 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 свободных электронов в металле. Характерной особенностью возбуждения плазмо-нов можно считать так называемый плазмонный резонанс, который может возникнуть при взаимодействии наночастиц между собой, и приводящий к заметному возрастанию энергии наносистемы.

Наибольший интерес вызывают солнечные фотоэлементы на основе полупроводниковых сопряженных полимеров, которые могут быть гибкими и производиться с помощью недорогих технологий, развитых в полимерной промышленности. Для этого необходим донорно-акцепторный композит полимера (донора) с акцепторным материалом, в качестве которого чаще всего используют производные фуллеренов, полимерные и низкомолекулярные акцепторы.

Для органических материалов характерны два недостатка: низкая подвижность носителей зарядов и слабое поглощение в области энергии ниже 2 эВ. Преодолеть эти недостатки можно с помощью гибридных материалов, в которых скомбинированы преимущества органических и неорганических полупроводников и минимизированы их недостатки. В качестве органического компонента гибридных СЭ обычно используют органические красители или сопряженные полимеры, а в качестве неорганического — наночастицы полупроводников (халькогениды, оксид цинка и др.).

Возможность производить СЭ путем печати на гибкой пластиковой подложке возникает при использовании углеродных нанотрубок совместно с фул-леренами. Таким путем формируют наноструктуры наподобие «змеевиков». Солнечный свет, падая на полимерную основу, возбуждает в полимере ток, а фуллерены захватывают электроны и передают их нанотрубкам. Захваченные электроны, двигаясь по нанотрубкам, создают в них электрический ток.

Большое значение имеет разработка технологии для использования солнечной энергии после захода солнца. В такой технологии металлические на-ноантенны наносят на лист пластмассы. Подобная конструкция позволяет использовать до 80% энергии солнечного света. Размеры наноантенн меньше длины волн видимого света, поэтому они способны поглощать также энергию в тепловой области излучения, которое сохраняется длительное время в окружающей среде даже после заката солнца.

Большой успех в области нанотехнологии связан с созданием уникальной нанонити, преобразующей солнечное излучение в электрический ток. Нано-нить по структуре похожа на коаксиальный кабель, в центре которого распо-

ложен кристалл кремния в виде стержня диаметром около 100 нанометров. Стержень покрыт тончайшим слоем бора. Снаружи вся конструкция покрыта еще несколькими слоями поликристаллического кремния и фосфора. Такая нанонить представляет собой полностью законченный СЭ, не требующий других нанокомпонентов. Хотя созданная нанонить преобразует в электрическую энергию только 3% солнечной энергии, но на данном этапе важны не эти проценты, а сам факт создания полностью наноразмерного солнечного элемента.

Эффективность солнечных элементов во многом ограничена тем, что они не могут преобразовывать в электричество солнечную энергию с низкой частотой и, соответственно, низкой энергией излучения. Ключом к решению этой проблемы является преобразование солнечного излучения до более высокой частоты. Такой процесс, при котором два фотона низкочастотного солнечного излучения преобразуются в один высокочастотный фотон, пока удалось осуществить лишь в ограниченных пределах (произвести без потерь зелено-синее преобразование частоты).

В солнечно-водородной энергетике основные проблемы связаны с получением и использованием водорода. Можно ожидать, что одним из наиболее перспективных видов синтетических топлив энергетики XXI века станет молекулярный водород. Перед использованием в качестве топлива его необходимо получить. Существуют многочисленные методы получения водорода: химические, электролитические, термолитические, фотокаталитические и биохимические. В настоящее время 96% водорода получают из ископаемого топлива, причем половина этого объема приходится на парофазный риформинг метана.

Получение водорода — лишь первый шаг в солнечно-водородной энергетике. Следующая проблема заключается в хранении водорода в такой форме, которая могла бы быть достаточно дешевой, простой в обращении и безопасной для потребителя. Современная технология допускает как физические, так и химические способы хранения водорода. При физических способах используют изолированные контейнеры или контейнеры высокого давления, в которых во-

дород хранится в виде сжиженного или сжатого газа. При химических методах используют металлы и другие материалы, которые поглощают водород.

Применение нанотехнологии может повысить эффективность поглощения водорода, так как методы, используемые при создании наноматериалов, позволяют управлять физическими характеристиками получаемых композитов.

Геометрическая упаковка молекул водорода внутри однослойных углеродных трубок обеспечивает его аккумулирование до 4 вес.%. При этом гармонично сочетаются как механическое удерживание молекул водорода, так и химическое их связывание. К тому же относительно несложным оказался и способ извлечения водорода из накопителей нового поколения, основанный на ультразвуковом или электромагнитном воздействии.

Нанокомпозиты на основе металлического титана показали возможность поглощения 12,4% водорода. В этом случае, согласно теоретическим расчетам, один атом титана удерживает 3-5 молекул водорода.

Несмотря на все преимущества водорода в качестве синтетического топлива, принципиальным остается вопрос об источнике энергии для получения водорода из воды. Единственным источником, не вызывающим нарушения теплового баланса Земли является солнечная энергия. За год на Землю попадает 1018 кВт-ч солнечной энергии, 2% которой могут быть использованы без заметного ущерба для окружающей среды, что в сотни раз превышает современные потребности планеты. Однако солнечную энергию, преобразованную в виде электричества в солнечных элементах, невозможно использовать в качестве универсального источника энергии, как например, бензин или природный газ. Поэтому возникает необходимость развития солнечно-водородной энергетики, когда водород, полученный с помощью солнечного излучения (первичного источника энергии), будет играть роль связующего звена (дополнительного вида топлива-энергоносителя) между солнечным источником энергии и потребителем.

Схема такой солнечно-водородной энергетики, включающей фотохимическое разложение воды с последующим транспортом и преобразованием во-

дородного топлива в удобную для потребителя форму энергии, представлена на рис 7.

Рис. 7. Схема солнечно-водородной энергетики

Объединение солнечной энергии и водорода как аккумулирующего топлива 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 места на поверхности Земли.

Природный процесс фотосинтеза показывает принципиальную возможность прямого фотохимического разложения воды солнечным светом. В связи с этим в последние годы весьма интенсивно развиваются фотохимические методы получения водорода из воды либо с помощью искусственных фотохимических систем, либо на основе применения биологических систем (биофотолиз воды).

Чистая вода в любом агрегатном состоянии совершенно прозрачна для падающего на поверхность Земли солнечного света, основная часть которого приходится на область видимого и ближнего инфракрасного излучения (3001000 нм). Заметное поглощение электромагнитного излучения водой, спо-

собного привести к ее фоторазложению, начинается лишь с длин волн короче 200 нм, практически отсутствующих в спектре солнечного излучения, достигающего поверхности Земли. Это означает, что процессы прямого фотолиза воды с участием ее электронно-возбужденных состояний не могут быть использованы для конверсии солнечной энергии в химическую. Поэтому эффективное фотохимическое разложение воды солнечным светом возможно только на основе фотокаталитических процессов.

В настоящее время разрабатывают два типа искусственных фотокаталитических систем: полупроводниковая и молекулярная. В первом случае в качестве фотокатализатора используют полупроводниковые материалы, в частности, широко распространенный в природе диоксид титана ТЮ2. С помощью нанотрубок из диоксида титана было создано устройство, способное поглощать до 97% ультрафиолетовых лучей из солнечного света и разлагать воду с эффективностью 6,8%.

Весьма интересные свойства обнаружены у полупроводника дисилицида титана ("ЛБУ, который также может быть использован в качестве фотокатализатора. Этот материал позволяет разделять и отдельно хранить выделяющиеся кислород и водород. Последнее обстоятельство решает проблему, характерную для тех методов разложения воды, использование которых приводит к образованию взрывоопасной смеси двух газов.

Особенности успешной работы такого катализатора заключается в тонких слоях (А) диоксида титана ТЮ2 и диоксида кремния БЮг, образующихся на поверхности Т1312(см. рис. 8). Эти слои защищают катализатор от отравления, связанного с его дальнейшим окислением и обусловливают формирование каталитически активных центров (Б] и Б2), облегчающих протекание реакции.

Оксидные слои способствуют также приемлемому решению проблемы разделения водорода и кислорода, которые адсорбируются и удерживаются на поверхности катализатора (В и С). Однако эти газы способны высвобождаться в различных условиях: водород выделяется при комнатной температуре, а кислород - при нагревании катализатора до 100°С (без света).

Образование

молекулярного

водорода

Выделение 2НгО кислорода

Рис. 8. Схема работы фотокатализатора на основе дисилицида титана

В молекулярных фотокаталитических системах разложения воды в качестве фотокатализатора (ФК), доноров (Д) и акцепторов (А) электрона используют химические соединения, удовлетворяющие определенным требованиям. Фотокатализаторы должны обеспечивать интенсивное поглощение солнечного излучения, иметь высокоэнергетические, долгоживущие возбужденные состояния (ФК*), способные участвовать в бимолекулярных реакциях переноса электрона:

Они должны обладать высокой химической и фотохимической устойчивостью и эффективно регенерировать свою форму в результате взаимодействия с промежуточными акцепторами или донорами:

Наряду с фотохимической и химической устойчивостью основным требованием к промежуточным донорам и акцепторам электрона является их способность участвовать в обратимых каталитических процессах выделения водорода и кислорода из воды. В настоящее время показана возможность использования в качестве компонентов молекулярных фотокаталитических систем достаточно большое число химических соединений: на основе органических красителей, переходных металлов, порфиринов, фталоцианинов и их металлокомплексов.

ФК* + Б —> ФК" + ФК* + А -»ФК+ + А".

ФК" + А —> ФК + А", ФК+ + Б -» ФК +

Осуществить замкнутый цикл фоторазложения воды солнечным светом в молекулярных фотокаталитических системах, не требующий введения дополнительно расходуемых веществ, пока еще не удается. Основной задачей является разработка методов предотвращения реакции рекомбинации первичных продуктов фоторазделения зарядов (доноров и акцепторов):

+ А" —> Б + А,

которая протекает намного быстрее, чем сложные каталитические реакции окисления и восстановления воды.

Такая задача может быть решена при переходе к разложению воды на водород и кислород на молекулярном уровне без участия доноров и акцепторов (по аналогии с природным фотосинтезом). Этот процесс, который называется искусственным фотосинтезом, происходит с использованием молекулярных наноструктур для поглощения света и пространственного разделения положительных и отрицательных зарядов. Молекулярные наноструктуры, используемые для этой цели, относятся к различным классам. В простейшем случае молекула имеет одну рабочую часть, которая фактически поглощает энергию света. Затем в возбужденном состоянии молекула расходится, электрон направляется к одному электроду, а дырка — к другому. Подобные структуры относительно просты, но обычно недостаточно эффективны из-за ограниченной поглощающей способности и затруднений, связанных с разделением зарядов. Более сложные молекулярные структуры включают диады, триады или даже пентады. Эти греческие термины обозначают, что молекулярная наноструктура имеет несколько подсистем, одна из которых поглощает солнечный свет, а другие являются инструментами, облегчающими эффективное разделение электрона и дырки.

В настоящее время интенсивно осуществляется разработка эффективных фотокатализаторов, построенных на расчетных принципах. Такие химические соединения производят разложение воды на основе несуществующих в природе фотохимических реакций. Искусственные химические соединения представляют собой сложные молекулы с развитой пространственной структурой, которые способны осуществлять отрыв атома водорода от молекулы воды. Эффект от-

рыва основывается на использовании энергии фотонов и создании вокруг атома водорода локального пространства с определенным распределением электронной плотности. Подобные фотокатализаторы пока имеют коэффициент полезного действия всего несколько процентов, однако они имеют и существенные достоинства, такие как инертность к большинству химических соединений, долговечность, возможность использования энергии низкоэнергетических фотонов. Дальнейшее совершенствование подобных фотокатализаторов на основе компьютерного молекулярного моделирования позволит повысить эффективность такого процесса и производить водород в холодное время года, а также в утренние и вечерние часы, когда солнечный свет теряет свою интенсивность и высокоэнергетическую составляющую.

ВЫВОДЫ

1. Проведен комплексный анализ техногенного воздействия на экологическое состояние природной окружающей среды. Указаны последствия влияния энергетических объектов: загрязнений от тепловой энергетики и радиационной опасности атомной энергетики. На основании такого анализа сформулированы задачи исследования экологических проблем энергетики.

2. С целью выбора наиболее эффективных способов решения экологических 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 реальных условиях на котельной установке методология цифровой обработки непрерывного изображения пламени горелок. Для цифровой обработки изображений 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. Разработаны концептуальные основы 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 многоагентная система на основе нейронных сетей и с использованием технологии усиленного обучения (алгоритма ЯЬ).

5. Показана возможность осуществления с помощью интеллектуальной системы эффективного управления процессом горения и выбора оптимального соотношения между поступающими в котел воздухом и топливом при различных эксплуатационных режимах и качестве топлива. Оценочные расчеты показывают, что за счет оптимизации процесса горения возможно повышение эффективности (КПД) котла на 1% и снижение выбросов оксидов азота 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 обеспечении безопасности энергетических объектов, на основе которого сформулированы основные причины техногенных аварий, факторы, определяющие поведение и ошибки персонала, и показатели, характеризующие его надежность при эксплуатации технических систем. Предложены способы повышения надежности оператора путем оценки его профессиональной подготовки на основе применения нейросетевой модели и внедрения интеллектуальных систем обучения оперативного персонала, учитывающих когнитивные особенности личности и видов деятельности.

7. Исследованы структура и функциональные свойства наносистем для контроля состояния окружающей среды. Показано, что наиболее эффективными датчиками контроля воздушной среды являются полупроводниковые наноструктурные материалы (ХпО, 8п02, 1п203) и углеродные нанотрубки. Для контроля водной среды наибольшей чувствительностью и селективностью обладают химические сенсоры на основе самособирающихся мономолекулярных слоев на мезопористых подложках (СМСМП) из диоксида кремния, которые рекомендуются для внедрения в производство.

8. В результате исследования разных способов улавливания углекислого газа из дымовых газов котельных установок можно рекомендовать использование 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 С02 на один кг полимера.

9. Исследованы различные наносистемы для очистки окружающей среды от загрязняющих веществ и радиоактивных элементов. Показана эффективность очистки воздушной среды от примесей с помощью полупроводникового фотокатализатора — диоксида титана. Очистка водной среды (грунтовые воды) от различных загрязнений, включая тяжелые металлы и радиоактивные элементы (ядерные отходы), может успешно проводиться с использованием наноразмерного нуль-валентного железа (ННВЖ). Поэтому такие нанораз-мерные материалы рекомендуются для использования в практической деятельности, а для моделирования и расчета процессов наноочистки применять программный комплекс РНАБТ.

10. Исследованы различные способы использования солнечной энергии, как путем прямого преобразования солнечного излучения в электрический ток (солнечные элементы на основе наноструктурных материалов), так и путем создания экологически чистой солнечно-водородной энергетики, которая не загрязняет окружающую среду и не вызывает нарушение теплового баланса Земли. Создание такой энергетики базируется на возможности фотокаталитического разложения воды на молекулярном уровне для получения водорода — универсального энергоносителя, который может быть использован либо в виде топлива, либо в топливных элементах для получения электроэнергии. Для повышения эффективности фотокаталитического разложения воды необходимо создать на основе компьютерного моделирования искусственные молекулы с определенным распределением электронной плотности, которые способны с помощью энергии фотонов отделить атом водорода от молекулы воды.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Паули В. К., Магид С. И., Ибрагимов И. М. Применение технологий искусственного интеллекта в энергетике. М.: РАО «ЕЭС России», Академия промышленной экологии, 2000.44 с.

2. Ковшов А. Н., Ибрагимов И. М. Методологические основы дистанционного 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. Моделирование энергетических систем. М.,Алматы: Апарт, 2002. 144 с.

5. Камнев В. И., Ибрагимов И. М. Преимущества и возможности применения технологий искусственного интеллекта для оптимизации работы энергетических систем и оборудования // Известия Академии промышленной экологии. 2003. № 1.С. 10-21.

6. Ибрагимов И. М. Информационные технологии и средства дистанционного обучения. Учебное пособие. М.: Издательство МГОУ, 2003. 308 с.

7. Беликов С. Е., Ибрагимов И. М. Применение нейронных сетей для повышения 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 дистанционного 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 мониторинга пламени в горелках котельных установках // Энергосбережение и водоподготовка. 2005. №4. С. 59-61.

11. Ибрагимов И. М. Проблемы создания контента для электронного обучения // 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, Москва, 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 конференция «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 энергетики и окружающей среды // V Международное совещание по проблемам 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 безопасностью и риском в производственной деятельности // Энергосбережение и водоподготовка. 2007. №2. С. 73-76.

20. Ибрагимов И. М. Новое направление развития водородной энергетики на основе наноструктур-фотокатализаторов // МГОУ-ХХ1-Новые технологии. 2007. №5. С. 9-12.

21. Ибрагимов И. М., Перфилова Е. А. Анализ надежности персонала энергетических 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 водоподготовка. 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. Нанотехнолопя та и шновацшний розвиток / Пономаренко В. С., Назаров Ю. Ф, Свидерський В. П., Ибрагимов И. М. Харыав: ВД1НЖЕК, 2008.280 с.

26. Ибрагимов И. М. Принципы компьютерного моделирования наносистем // МГОУ-ХХ1-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 Федерации космонавтики России. 2008. №2(4). С. 31-33.

28. Ибрагимов И. М. Нейросетевая система регулирования процесса горения и снижения выбросов оксида азота на ТЭС // Промышленная энергетика. 2008. №9. С. 54-57.

29. Ибрагимов И. М. Применение наноструктурных материалов для повышения эффективности солнечно-водородной энергетики // Энергосбережение и водоподготовка. 2008. №5. С. 7-10.

30. Ибрагимов И. М. Математическое моделирование физических процессов. М.: МГОУ, 2008. 36 с.

31. Ибрагимов И. М. Новые возможности солнечной энергетики на основе применения композиционных наноструктур // VI Международное совещание по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и транспорте, 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. Методологические 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. Применение нанокомпозитных материалов для повышения эффективности солнечных 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 экологических проблем // Нанотехнологии и наноматериалы: Материалы международной 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 нанотехнологии в технике. М.: Издательский центр «Академия», 2009. 240 с.

39. Ибрагимов И. М. Зотов П. С. Применение наноструктурных материалов для процессов водоочистки // Энергосбережение и водоподготовка. -2009. №5. С. 21-22.

40. Ковшов А. Н., Назаров Ю. Ф., Ибрагимов И. М. Методы компьютерного 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 наноструктур // XIX Международная конференция «Информационные технологии в образовании» 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 В. I., Ibragimov I. M. Köln: Verlag Akademie IATE, 2009. 172 с.

43. Ибрагимов И. М., Ковшов А. Н., Назаров Ю. Ф. Основы компьютерного моделирования наносистем. СПб: Лань, 2010. 384 с.

44. Зотов П. С., Ибрагимов И. М. Перспективы применения наноструктурных материалов для очистки водной среды от вредного воздействия энергетических объектов // Энергосбережение и водоподготовка. 2010. №5. С. 15-16.

45. Алексеев А. К., Ибрагимов И. М. Системный подход к анализу надежности профессиональной деятельности оператора // Надежность и безопасность 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 материалов для повышения эффективности солнечных батарей // Международная научно-практическая конференция «Исторические, научные и социальные проблемы отечественной космонавтики», Москва, 15-16 ноября 2010 г. М., 2010.

48. Ибрагимов И. М., Зотов П. С. Применение наноструктурных материалов для поглощения диоксида углерода, выделяемого тепловыми электростанциями // IV Международная научно-практическая конференция «Энергия и энергоэффективные технологии», г. Липецк, 28-30 октября 2010 г.: сб. докладов. Липецк, 2010. С. 155-156.

Заказ № 15-А/04/2011 Подписано в печать 04.04.2011 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 2,25

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 '.д^'у1/ www.cfr.ru; е-таИ:т/о@с/г.ги

Содержание диссертации, доктора технических наук, Ибрагимов, Ильдар Маратович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГЕТИКИ НА- ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

1.1. Загрязнение окружающей среды от тепловой энергетики

1.2. Воздействие на окружающую среду и риск атомной энергетики

1.3. Постановка задач исследования экологических проблем в энергетике

ГЛАВА 2. ОБЗОР ИСПОЛЬЗОВАННЫХ В РАБОТЕ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 2.1. Технологии искусственного интеллекта

2.1.1. Назначение и классификация технологий искусственного интеллекта

2.1.2. Нейронные сети

2.1.3. Генетические алгоритмы

2.1.4. Нечеткая логика 39 2.2. Основные положения нанотехнологии

2.2.1. Физические и химические особенности наномира

2.2.2. Функциональные свойства наноструктурных материалов

2.2.3. Принципы компьютерного моделирования наносистем

ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ В ЭНЕРГЕТИКЕ

3.1. Использование интеллектуальных систем в энергетике

3.2. Системы искусственного интеллекта для оптимизации горения в котельных установках

3.2.1. Методология цифрового анализа процесса горения

3.2.2. Результаты экспериментовпо цифровому анализу пламени в горелках котла

3.2.3. Нейросетевая модель оптимизации процесса горения и снижения выбросов оксидов, азота

3.3. Интеллектуальные системы для повышения надежности персонала энергетических объектов

3.3.1. Роль человеческого фактора в обеспечении экологической безопасности объектов энергетики

3.3.2. Системы обучения и подготовки персонала

3.3.3. Технологии мобильного и дистанционного обучения

3.3.4. Интеллектуальная система для оценки профессиональной подготовки операторов

ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

4.1. Наносистемы для контроля состояния окружающей среды

4 Л .1. Контроль газообразных выбросов

4Л .2. Контроль водной среды

4.2. Наносистемы для очистки окружающей среды от загрязняющих веществ

4.2.1. Очистка воздушной среды

4.2.2. Очистка водной среды

4.2.3. Удаление радиоактивных элементов

4.2.4. Программное обеспечение для моделирования и расчета процессов наноочистки

ГЛАВА 5. ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТАЯ ЭНЕРГЕТИКА НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

5.1. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии

5.1.1. Механизм процессов фотосинтеза

5.1.2. Физические основы преобразования солнечного излучения в электрический ток

5.1.3. Солнечные элементы на основе наноструктурных материалов

5.2. Повышение эффективности солнечно-водородной энергетики

5.2.1. Анализ возможности применения водорода в энергетике

5.2.2. Проблемы и перспективы солнечно-водородной энергетики

5.2.3. Получение водорода фотокаталитическим разложением воды

ВЫВОДЫ

Введение Диссертация по биологии, на тему "Инновационные технологии и системы для защиты окружающей среды от воздействия энергетики"

Материальная жизнь человечества связана с двумя основными субстанциями — веществом и энергией. Поэтому всевозможные виды технического творчества человека на всех этапах развития общества сводятся, по существу, к видоизменениям и превращениям как вещества, так и энергии.

Энергетика в значительной степени определяет состояние экономики страны и благополучие населения. Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) является важнейшей отраслью экономики любого современного промыш-ленно развитого государства. Научно-технический прогресс невозможен без развития энергетики и, в частности, электрификации промышленности и сельского хозяйства. Подавляющее большинство технических средств механизации и автоматизации, обеспечивающих повышение производительности труда, базируется на электрической основе. Все информационные и компьютерные технологии также основаны на электроэнергии.

Энергетика — фундаментальная основа эволюции цивилизации и XXI век ставит перед мировой энергетикой серьезные задачи по обеспечению устойчивого развития человечества. Продолжающийся рост численности населения вместе с необходимостью ускоренного экономического развития многих регионов планеты несомненно приведет в ближайшие десятилетия к значительному росту потребности в энергии. Таким образом, обеспеченность мировой экономики топливно-энергетическими ресурсами — одна из важнейших проблем, стоящих перед человечеством. С другой стороны, в настоящее время энергетика признана мировым сообществом в качестве одного из основных факторов, влияющих на глобальные изменения окружающей среды, по масштабам воздействия на климат планеты превосходящего все остальные антропогенные факторы и сравнимого с мощными природными силами.

В связи с этим в последнее время резко возрос интерес к проблемам энергетики. Перед человечеством возникли сложные вопросы, связанные с бурным развитием энергетики: на какой период хватит органического топлива, особенно его дефицитных видов (нефти и газа), как снизить отрицательное воздействие энергетики на природу, каким образом следует развивать энергетику в дальнейшем, какой должна быть доминирующая энерготехнология в будущем и т.п.

Уже сегодня на фоне успешного в целом развития мировой энергетики наблюдаются отдельные трудности и проблемы. Вследствие неравномерного распределения энергоресурсов в недрах Земли, а также различного уровня и условий развития производства в некоторых регионах планеты ощущается дефицит топлива, электрической и тепловой энергии. В ряде густонаселенных и промышленно развитых районов энергетика, базирующаяся на сжигании органического топлива, начинает оказывать все более заметное отрицательное влияние на людей и среду их обитания. Поэтому для дальнейшего развития энергетики требуются новые подходы, новые научные и технические решения.

К осознанию того, что дальнейшее развитие цивилизации по экстенсивному рыночно-потребительскому пути (без учета ограничительных возможностей биосферы) ведет к возникновению кризисной экологической ситуации, приходит все большее число людей и организаций. Прошло уже почти двадцать лет с того времени, когда на конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) были приняты основополагающие природоохранные положения и даны рекомендации по переходу всех государств к осуществлению концепции «устойчивого» (самоподдерживающегося) развития, так как только такое развитие способно удовлетворить потребности ныне живущих людей и не ущемлять возможности будущих поколений обеспечить свое существование.

Переход к устойчивому экологически приемлемому развитию — весьма сложный, долговременный и многофакторный процесс достижения равновесного взаимодействия между обществом и окружающей средой. Этот процесс затрагивает фактически весь комплекс внутренних проблем долгосрочного развития страны, который должен рассматриваться в неразрывной связи трех компонентов: экономика—энергетика—экология.

Одной из ключевых сфер, влияющих на обеспечение устойчивого развития, является энергетика. В то же время путь, по которому сейчас идет мировая энергетика, преимущественно носит природоразрушающий характер, ведет к углублению социального расслоения населения Земли и, таким образом, не отвечает принципам устойчивого развития.

Энергия — это движущая сила любого производства. В распоряжении человека оказалось большое количество относительно дешевой энергии, что в значительной степени способствовало индустриализации и развитию общества. Однако в настоящее время при огромной численности населения производство и потребление энергии становятся потенциально опасными. Наряду с локальными экологическими последствиями, сопровождающимися загрязнением воздуха, воды и почвы, существует опасность изменения мирового климата в результате действия парникового эффекта.

Человечество стоит перед дилеммой: с одной стороны, без энергии нельзя обеспечить благополучие людей, а с другой стороны, сохранение существующих темпов ее производства и потребления может привести к разрушению окружающей среды, и как следствие — к снижению жизненного уровня и даже нанести серьезный ущерб человеческой популяции.

Неопределенность таких проблем окружающей среды как изменение мирового климата и различные точки зрения о разумном балансе между экономическим ростом и его воздействием на окружающую среду, приводят к разной политике в отношении развития ТЭК. Поэтому существуют две принципиально различные позиции развития энергетики.

Концепция «следования традициям» поддерживается многими и предусматривает, что развивающиеся страны пойдут в основном по пути, проложенному развитыми странами. Другая концепция — «сбалансированного развития» — предполагает, что вопросы охраны окружающей среды в мировом масштабе будут решаться всеми народами сообща за счет смягчения потребительской направленности.

Концепция «следования традициям» исходит из того; что в4 обозримом будущем привычки и образ жизни людей существенно не изменятся, а цены на энергию (особенно-нефть)-будут постепенно расти, хотя в,этом росте могут наблюдаться и скачки. В данной концепции подразумевается, что сохранение потребительского стиля жизни оправдано и что климатические изменения либо не будут представлять серьезной угрозы, либо человечество просто сумеет к ним приспособиться.

Чтобы обеспечить реализацию концепции «сбалансированного развития», необходимо сформулировать и обеспечить выполнение принципов совместимости техногенных объектов, включая объекты топливно-энергетического комплекса с общими закономерностями эволюции биосферы.

Каждая из указанных концепций будет по-разному отражаться на экологической обстановке регионов. Однако уже сейчас очевидно, что экологически чистых энергоносителей быть не может. Использование каждого из них неизбежно сопровождается тепловым загрязнением окружающей среды, выбросами токсичных веществ и СО2, наличием радиоактивности и др. В течение многих лет разрабатываются и корректируются различные программы глобального развития энергетики. Однако все эти подходы объединяет одно — отсутствие фундаментального базиса для согласованного развития технологий ТЭК с устойчивостью биосферы.

Современное развитие энергетики вызывает обеспокоенность масштабами наблюдаемых климатических изменений (в частности, повышением средней глобальной температуры за последние 100 лет на 0,6 градуса) и тревожными прогнозами ожидаемого потепления (до 5 градусов за текущее столетие).

Прошла всего пара десятилетий с тех пор, как в мировом сообществе заговорили о глобальном потеплении, а переломные моменты начинают следовать один за другим. Полученные данные свидетельствуют о растущем числе случаев засухи (теплый воздух способствует испарению воды) и, соответственно, наводнений (то, что испарилось, должно обязательно вернуться на Землю), распространении москитов, переносящих инфекции, а также катастрофическом сокращении размеров ледников, которые питают водой города, расположенные в Андах и на азиатском субконтиненте. Особенно зловеще выглядят итоги новейшего исследования ледников Гренландии и западной Антарктики. Ледяные щиты, размываемые нагревающимися морскими водами, стали перемещаться в направлении океана. Проведенные исследования указывают, что уровень воды в мировом океане в течение столетия может подняться почти на 2 метра, что, в свою очередь, представляет реальную угрозу для всей цивилизации. В таких экологических последствиях нет ничего неожиданного. Ведь сейчас бесконтрольно используется углеводородное топливо, которое образовалось под воздействием солнечного излучения и копилось в недрах Земли на протяжении многих миллионов лет. Поэтому экологическая политика, наряду с состоянием ресурсной базы, становится одним из главных регуляторов развития мировой энергетической отрасли.

Существенное отрицательное воздействие энергетики на биосферу и условия жизни людей вызывает необходимость срочного решения двух научно-технических проблем: разработка технических средств и методов защиты окружающей среды; освоение новых экологически чистых технологий для получения энергии.

Решение наиболее актуальных задач, относящихся к указанным выше проблемам, является целью диссертационной работы. Новизна и особенность решения этих задач заключается в применении инновационных технологий, в частности, систем искусственного интеллекта и последних достижений нано-технологии.

Диссертационная работа состоит из 5-ти глав.

В первой главе проведен анализ воздействия энергетики на состояние окружающей среды. Указаны последствия техногенного влияния на природные экосистемы и рассмотрены особенности воздействия энергетики на экологическое состояние окружающей среды, а именно, загрязнения от тепловой энергетики и радиационная опасность от атомной энергетики. В завершающем разделе этой главы приведена постановка и обоснование задач исследования экологических проблем в энергетике.

Во второй главе диссертации изложен обзор использованных в диссертационной работе инновационных технологий с целью обоснованного выбора наиболее эффективных методов и систем для защиты окружающей среды от воздействия энергетики. Рассмотрены перспективные технологии искусственного интеллекта: нейронные сети, генетические алгоритмы, нечеткая логика и гибридные системы. Изложены физические и химические особенности наномира, функциональные свойства наноструктурных материалов и возможности их применения в природоохранных системах, а также для повышения эффективности солнечно-водородной энергетики. Рассмотрены принципы компьютерного моделирования наносистем, которое способствует оптимальному выбору необходимых функциональных свойств наноструктурных материалов.

Третья глава диссертации посвящена применению технологий искусственного интеллекта для решения экологических проблем в энергетике. Поведение энергосистем в рабочих условиях является сильно нелинейным, а мониторинг энергетических объектов включает сотни переменных параметров и не поддается строгому математическому описанию. Это приводит к тому, что оптимальное решение задач управления и экологического контроля невозможно осуществить традиционными методами. Поэтому возникает необходимость применения систем искусственного интеллекта. Изложены концептуальные основы применения интеллектуальных систем для управления и оптимизации технологических процессов в энергетике. Приведены методология непрерывного цифрового анализа процесса горения и результаты экспериментов по такому анализу пламени в горелках действующей котельной установки. На основании комбинации системы нейронных сетей и методики цифровой обработки изображения пламени предложена концептуальная модель интеллектуальной системы для оптимизации процесса горения и снижения выбросов оксидов азота. Защита окружающей среды: и безопасность населения в значительной степени зависит от надежности действий персонала в экстремальных ситуациях. Изложены пути применения интеллектуальных систем для- повышения надежности экологически опасных объектов энергетики. Проведен анализ роли человеческого фактора при эксплуатации таких объектов. Рассмотрено развитие интеллектуальных систем обучения и подготовки оперативного персонала с помощью дистанционного и мобильного способов обучения.

В четвертой главе диссертации проведено обоснование использования наноструктурных материалов для контроля и защиты окружающей среды. Рассмотрены наносистемы для контроля газообразных выбросов, и водной среды. Показано, что нанотехнология позволяет существенно повысить чувствительность и селективность сенсорных детекторов путем применения на-норазмерных полупроводников^ углеродных нанотрубок и самособирающихся мономолекулярных слоев на мезопористой подложке (СМСМП). МатериалыСМСМП обладают особой чувствительностью для детектируемых веществ, быстрой кинетикой сорбции, высокой стабильностью и легкой регенерацией. Представлены четыре: вида материалов СМСМП* с различными сорбентами для контроля органических и неорганических веществ, включая тяжелые металлы. Рассмотрены наносистемы для очистки атмосферы от вредных примесей и углекислого газа, а также для удаления из водной среды разнообразных загрязняющих веществ. Особое внимание уделено исследованию способов локализации радиоактивных элементов, возникающих в процессе функционирования, атомной энергетики, включая захоронение радиоактивных отходов. Эти способы включают применение наноразмерного нуль-валентного железа, СМСМП с различными сорбентами и углеродные нанотрубки.

Завершающая пятая глава диссертации посвящена обоснованию путей создания экологически чистой энергетики на основе применения наноструктурных материалов. Показано, что единственным экологически приемлемым источником энергии является солнечно-водородная энергетика, когда с помощью солнечного излучения производится фотокаталитическое разложение воды с выделением водорода, который используется в качестве универсального энергоносителя. Это имеет огромное экологическое значение, так как не происходит загрязнения окружающей природной среды, солнечная энергия используется в реальном масштабе времени без нарушения теплового баланса Земли, который возникает в результате сжигания органического топлива, в котором аккумулирована солнечная энергия в течение миллионов лет, или применения ядерного топлива. Рассмотрены механизм природного фотосинтеза и способы искусственного преобразования солнечного излучения в электрический ток. Изложены особенности и преимущества солнечных элементов, в которых применяются наноструктурные материалы. Особое внимание уделено решению фундаментальной проблемы солнечно-водородной энергетике — разложению воды и получению водорода с помощью молекулярных фотокаталитических систем.

Содержание диссертации изложено в 48 печатных публикациях, в том числе в 13 статьях, опубликованных в журналах, входящих в перечень ВАК, и в 8 книгах.

Диссертационная работа выполнена в Московском государственном открытом университете. Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры теплоэнергетических установок МГОУ и членам Академии промышленной экологии за полезные советы и доброжелательное отношение к работе.

Автор благодарен канд. техн. наук Е. А. Перфиловой, соискателю А. К. Алексееву и аспиранту П. С. Зотову за помощь в подготовке материалов и оформлении работы.

Особую благодарность автор выражает заведующему кафедрой МГОУ доктору техн. наук, профессору Ю. Ф. Назарову за помощь и поддержку в подготовке диссертационной работы.

Заключение Диссертация по теме "Экология (по отраслям)", Ибрагимов, Ильдар Маратович

выводы

1. Проведен комплексный анализ техногенного воздействия на экологическое состояние природной окружающей среды. Указаны последствия влияния энергетических объектов: загрязнений от тепловой энергетики и радиационной опасности атомной энергетики. На основании такого анализа сформулированы задачи исследования экологических проблем энергетики.

2. С целью выбора наиболее эффективных способов решения экологических 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 реальных условиях на котельной установке методология цифровой обработки непрерывного изображения пламени горелок. Для цифровой обработки изображений 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. Разработаны концептуальные основы 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 многоагентная 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 оптимального соотношения между поступающими в котел воздухом и топливом при различных эксплуатационных режимах и качестве топлива. Оценочные расчеты показывают, что за счет оптимизации процесса горения возможно повышение эффективности (КПД) котла на 1% и снижение выбросов оксидов азота 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 обеспечении безопасности энергетических объектов, на основе которого сформулированы основные причины техногенных аварий, факторы, определяющие поведение и ошибки персонала, и показатели, характеризующие его надежность при эксплуатации технических систем. Предложены способы повышения надежности оператора путем оценки его профессиональной подготовки на основе применения нейросетевой модели и внедрения интеллектуальных систем обучения оперативного персонала, учитывающих когнитивные особенности личности и видов деятельности.

7. Исследованы структура и функциональные свойства наносистем для контроля состояния окружающей среды. Показано, что наиболее эффективными датчиками контроля воздушной среды являются полупроводниковые наноструктурные материалы (2лЮ, 8п02, Тп203) и углеродные нанотрубки. Для контроля водной среды наибольшей чувствительностью и селективностью обладают химические сенсоры на основе самособирающихся мономолекулярных слоев на мезопористых подложках (СМСМП) из диоксида кремния, которые рекомендуются для внедрения в производство.

8. В результате исследования разных способов улавливания углекислого газа из дымовых газов котельных установок можно рекомендовать использование 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 С02 на один кг полимера.

9. Исследованы различные наносистемы для очистки окружающей среды от загрязняющих веществ и радиоактивных элементов. Показана эффективность очистки воздушной среды от примесей с помощью полупроводникового фотокатализатора — диоксида титана. Очистка водной среды (грунтовые воды) от различных загрязнений, включая тяжелые металлы и радиоактивные элементы (ядерные отходы), может успешно проводиться с использованием наноразмерного нуль-валентного железа (ННВЖ). Поэтому такие нанораз-мерные материалы рекомендуются для использования в практической деятельности, а для моделирования и расчета процессов наноочистки применять программный комплекс РНА8Т.

10. Исследованы различные способы использования солнечной энергии, как путем прямого преобразования солнечного излучения в электрический ток (солнечные элементы на основе наноструктурных материалов), так и путем создания экологически чистой солнечно-водородной энергетики, которая не загрязняет окружающую среду и не вызывает нарушение теплового баланса Земли. Создание такой энергетики базируется на возможности фотокаталитического разложения воды на молекулярном уровне для получения водорода — универсального энергоносителя, который может быть использован либо в виде топлива, либо в топливных элементах для получения электроэнергии. Для повышения эффективности фотокаталитического разложения воды необходимо создать на основе компьютерного моделирования искусственные молекулы с определенным распределением электронной плотности, которые способны с помощью энергии фотонов отделить атом водорода от молекулы воды.

Библиография Диссертация по биологии, доктора технических наук, Ибрагимов, Ильдар Маратович, Москва

1. Абламейко С. В., Лагуновский Д. М. Обработка изображений: технология, методы, применение. Минск: Амалфея, 2000. 304 с.

2. Алексеев А. К., Ибрагимов И. М. Системный подход к анализу надежности профессиональной деятельности оператора // Надежность и безопасность энергетики. 2010. №3. С. 20-23.

3. Алфёров Ж. И., Андреев В. М., Румянцев В. Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников. 2004. Т. 38. № 8. С. 937-948.

4. Алхасов А. Б. Возобновляемая энергетика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 256 с.

5. Алымов В. Т., Тарасова Н. П. Техногенный риск: Анализ и оценка. М.: ИКЦ «Академкнига». 2005. 118 с.

6. Аникеев В. А., Воронов В. Н., Седлов А. С. Экологическая безопасность топливно-энергетического комплекса России // Новое в российской электроэнергетике. 2005. № 12.

7. Анохин А. Н. Классификация факторов, влияющих на деятельность оперативного персонала атомных станций // Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2000. №2. С. 3-11.

8. Асмолов В. Г., Сидоренко В. А. Безопасность ядерной энергетики. Настоящее и гарантии будущего // Атомная энергия. 2004. Т. 96. № 1. С. 3-23.

9. Белая книга по нанотехнологиям: Исследования в области наночастиц, наноструктур и нанокомпозитов в Российской Федерации. М.: Издательство ЛКИ, 2008. 344 с.

10. Беликов А., Палицкая Т., Лепихин К. Атомная энергетика: безопасность как приоритет // Росэнергоатом. 2007. № 3. С. 3-7.

11. Беликов С. Е., Ибрагимов И. М. Методология интеллектуального мониторинга пламени в горелках котельных установках // Энергосбережение и водоподготовка. 2005. №4. С. 59-61.

12. Беликов С. Е., Ибрагимов И. М. Применение нейронных сетей для повышения экологической безопасности тепловых электростанций // Известия Академии промышленной экологии. 2004. №1. С. 50-56.

13. Беликов С. Е., Ибрагимов И. М. Цифровой анализ изображения пламени горелок котла // Энергосбережение и водоподготовка. 2006. №1. С. 50-51.

14. Бокрис Д. О., Везироглу Т. Н., Смит Д. Солнечно-водородная энергия: Сила, способная спасти мир. М.: МЭИ, 2002. 162 с.

15. Бояркин М. А. Моделирование деятельности операторов АСУ ТП НТК // Вестник кибернетики. 2006. № 5. С. 77-87.

16. Власов Ю. Г., Легин А. В., Рудницкая А. М. Электронный язык — системы химических сенсоров для анализа водных сред // Рос. хим. ж. 2008. Т. Ы1.№2. С. 101-112.

17. Водородная энергетика и топливные элементы взгляд в будущее. Заключительный отчет экспертной группы ЕХЖ 20719 ЕМ. Люксембург: Европейская Комиссия, 2003.

18. Волков Ю. В., Самохин Д. С., Соболев А. В. и др. Разработка методов и оценка показателей надежности персонала по статистике инцидентов на АЭС РФ // Известия вузов. Ядерная энергетика. 2008. № 4. С. 15-24.

19. Гибилиско С. Альтернативная энергетика без тайн. М.: Эксмо, 2010. 368 с.

20. Головин Ю. И. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение, 2007. 496 с.

21. Граб М., Вролик К., Брэк Д. Киотский протокол: Анализ и интерпретация. М.: Наука, 2001.

22. Гражданкин А. И., Лисанов М. В., Печеркин А. С., Сидоров В. И. Показатели и критерии опасности промышленных аварий // Безопасность труда в промышленности. 2003. № 3. С. 30-32.

23. Гременок В. Ф., Боднарь И. В., Рудь В. Ю. Солнечные элементы на основе пленок Си1п1хОах8е2, полученных импульсным лазерным испарением // Физика и техника полупроводников. 2002. Т.36. В.З. С.360-363.

24. Данилов-Данильян В. И., Залиханов М. Ч., Лосев К. С. Экологическая безопасность. Общие принципы и российский аспект. М.: Издательство МНЭПУ, 2001. 329 с.

25. Джирард Дж. Е. Основы химии окружающей среды. М.: ФИЗМАТ ЛИТ,2008. 640 с.

26. Дьяконов В., Абраменкова И. МАТЬАВ. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. 608 с.

27. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения МАТЬАВ. СПб.: Питер, 2001.480 с.

28. Елисеев А. А., Лукашин А. В. Функциональные наноматериалы. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 456 с.

29. Зозуля Ю. И. Интеллектуальные нейросистемы. М.: Радиотехника, 2003.144 с.

30. 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.

31. Зотов П. С., Ибрагимов И. М. Перспективы применения наноструктур-ных материалов для очистки водной среды от вредного воздействия энергетических объектов // Энергосбережение и водоподготовка. 2010. №5. С. 15-16.

32. Ибрагимов И. М. Зотов П. С. Применение наноструктурных материалов для процессов водоочистки // Энергосбережение и водоподготовка.2009. №5. С. 21-22.

33. Ибрагимов И. М. Информационные технологии и средства дистанционного обучения. М.: Издательский центр «Академия», 2008 (3-е изд.). 336 с.

34. Ибрагимов И. М. Информационные технологии мобильного обучения // Известия Академии промышленной экологии. 2005. №1. С. 82-89.

35. Ибрагимов И. М. Использование систем искусственного интеллекта при эксплуатации энергетических объектов // Надежность и безопасность энергетики. 2008. №1. С. 51-55.

36. Ибрагимов И. М. Методологические основы применения технологий искусственного интеллекта в энергетике // Энергосбережение и водоподготовка. 2008. №1. С. 6-9.

37. 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.

38. Ибрагимов И. М. Нейросетевая система регулирования процесса горения и снижения выбросов оксида азота на ТЭС // Промышленная энергетика. 2008. №9. С. 54-57.

39. Ибрагимов И. М. Новое направление развития водородной энергетики на основе наноструктур-ф ото катализаторов // МГОУ-ХХГ-Новые технологии. 2007. №5. С. 9-12.

40. Ибрагимов И. М. Применение наноструктурных материалов для повышения эффективности солнечно-водородной энергетики // Энергосбережение и водоподготовка. 2008. №5. С. 7-10.

41. Ибрагимов И. М. Принципы компьютерного моделирования наносистем // МГОУ-ХХ1-Новые технологии. 2008. №2. С. 2-5.

42. Ибрагимов И. М. Проблемы создания контента для электронного обучения // Известия Академии промышленной экологии. 2005. №2. С. 85-91.

43. Ибрагимов И. М. Стандарты и спецификации в электронном обучении // Известия Академии промышленной экологии. 2005. №3. С. 65-73.

44. Ибрагимов И. М., Алексеев А. К. Условия работы оператора в человеко-машинных системах // Энергосбережение и водоподготовка. 2010. №6. С. 64-67.

45. Ибрагимов И. М., Ковшов А. Н., Назаров Ю. Ф. Основы компьютерного моделирования наносистем. СПб: Лань, 2010. 384 с.

46. Ибрагимов И. М., Перфилова Е. А. Анализ надежности персонала энергетических объектов // Энергосбережение и водоподготовка. 2007. №5. С. 51-54.

47. Ибрагимов И. М., Перфилова Е. А. Основные понятия и определения техногенного риска // Известия Академии промышленной экологии. 2006. №2. С. 41-46.

48. Ибрагимов И. М., Перфилова Е. А. Принципы управления безопасностью и риском в производственной деятельности // Энергосбережение и водоподготовка. 2007. №2. С. 73-76.

49. Исаев А. Н. Обобщенные принципы безопасности // Атомная техника за рубежом. 2007. №4. С. 3-9.

50. Кальниш В. В. Современные подходы к анализу надежности операторской деятельности // Украшський журнал з проблем медицини пращ. 2009. №4(20). С. 75-85.

51. Камнев В. И., Ибрагимов И. М. Преимущества и возможности применения технологий искусственного интеллекта для оптимизации работы энергетических систем и оборудования // Известия Академии промышленной экологии. 2003. №1. С. 10-21.

52. Карякин А. М., Селезнев Ю. Н. Роль человеческого фактора в развитии атомного энергопромышленного комплекса России // Вестник ИГЭУ. 2008. № 1. С. 3-8.

53. Ким С. Ч., Чанг С. X., Исламов Р. Т. и др. Оценка эффективности и слаженности действий персонала АЭС при аварии на реакторе // Известия РАН. Энергетика. 2005. № 4. С. 22-28.

54. Клец Т. Человеческий фактор // Атомная техника за рубежом. 2001. № 12. С. 30-33.

55. Ковшов А. Н., Назаров Ю. Ф., Ибрагимов И. М. Методы компьютерного моделирования наноструктур // II Международный форум по нанотехно-логиям «Роснанотех-2009», Москва, 6-8 октября: сб. тезисов докладов. М., 2009. С. 206-207.

56. Ковшов А. Н., Назаров Ю. Ф., Ибрагимов И. М. Основы нанотехнологии в технике. М.: Издательский центр «Академия», 2009. 240 с.

57. Ковшов А. Н., Назаров Ю. Ф., Польцер Г., Ибрагимов И. М. Методологические основы вычислительной нанотехнологии // Нанотехнологии и наноматериалы: Материалы международной научно-технической конференции. М.: Издательство МГОУ, 2009. С. 495-500.

58. Козлова Е. А., Воронцов А. В. Разработка фотокаталитического очистителя воды с нанесенным катализатором // Полифункциональные наноматериалы и нанотехнологии. Сборник статей / Под ред. Г. Е. Дунаевского и др. Томск, 2008. Том 2. С. 268- 271.

59. Комашинский В. И., Смирнов Д. А. Нейронные сети и их применение в системах-управления и связи. М.: Горячая линия—Телеком, 2002. 94 с.

60. Круглов В. В., Борисов В; В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика. М.: Горячая линия—Телеком, 2001. 382 с.

61. Кузык Б. Н. Водородные технологии как стратегия инновационного прорыва в энергетике в XXI веке // Альтернативеая энергетика и экология. 2007. №2(46). С. 21-28.

62. Кузьмин В. Использование нейронных сетей в алгоритме Q-Learning // Transport and Telecommunication. 2003. V. 4. N. 1. P. 74-86.

63. Кумано Т., Саката К. Управление АЭС с учетом риска // Атомная техника за рубежом. 2002. № 9. С. 31-33.

64. Леоненков А. В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. 736 с.

65. Лосев К. С. Экологические проблемы и перспективы устойчивого развития России в XXI веке. М-.: Космосинформ, 2001. 399 с.

66. Магид С. И., Архипова Е. Н., Музыка Л. П. // Надежность и безопасность энергетики. 2008. № 1. С. 22-33.

67. Магид С. И., Оразбаев Б. Е., Камнев В. И., Ибрагимов И. М. Моделирование энергетических систем. М.,Алматы: Апарт, 2002. 144 с.

68. Макушин М. Есть ли место Солнцу в будущем российской энергетики? // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2007. № 4. С. 112-119

69. Мансури Г. Али. Принципы нанотехнологии. Исследование конденсированных веществ малых систем на молекулярном уровне. М.: Научный мир, 2008. 320 с.

70. Мартинес-Дуарт Дж. М., Мартин-Палма Р. Дж., Агулло-Руеда Ф. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники. М.: Техносфера, 2009. 368 с.

71. Мейтин М. Фотовольтаика: материалы, технологии, перспективы // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2000. № 6. С. 40-46.• , ' . 234

72. Месяц Г. А., Прохоров М. Д. Водородная энергетика итопливные элементы //. Вестник Российской Академии Наук, 2004. Т. 74. № 7. С. 579-597.

73. Назаров-А. В., Лоскутов А. И: Нейросетевые алгоритмы прогнозирования и оптимизации систем. СПб.: Наука и техника, 2003. 384 с.

74. 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.

75. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. Мировые достижения 2008 год / Сборник статей под ред. П. 11. Мальцева. М.: Техносфера, 2008. 432 с.

76. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. Мировые достижения за 2005 год / Сборник статей под ред. П. I I. Мальцева. М.: Техносфера; 2006. 152 с.

77. Наноструктурные материалы / Под ред. Р. Ханника, А. Хилл. М.: Техносфера; 2009. 4881с.

78. Нанотехнологии: Азбука для всех / Под ред. Ю. Д., Третьякова. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 368 с.

79. Никифоров Н. Функциональная безопасность и человеческий фактор //•

80. Бюллетень по атомной энергии. 2004. №6. С.35-42.

81. Обвинцева Л. А. Полупроводниковые металлоксидные сенсоры для определения химически активных газовых примесей в воздушной; среде // Рос. хим. ж. 2008. Т. Ы1. № 2. С. 113-121.

82. Омату С., Марзуки X., Рубия Ю. Нейроуправление и его приложения. ,М.: ИПРЖР, 2000. 272 с.

83. Паули В. К., Магид С. П., Ибрагимов И. М. Применение технологий искусственного интеллекта* в энергетике. М.: РАО «ЕЭС России», Академия промышленной экологии, 2000. 44 с.

84. Перфилова Е. А. Роль человеческого фактора в предотвращении техногенных аварий // «МГОУ-ХХ1-Новые технологии». 2007. № 3. С. 32-36.

85. Петухов И. Исследование профпригодности операторов человеко-машинных систем // Управление персоналом. 2009. № 4. С. 51-53.

86. Повышение экологической безопасности тепловых электростанций / А. И. Абрамов, Д. П. Елизаров, А. Н. Ремезов и др. М.: Издательство МЭИ, 2001.378 с.

87. Полисан А. А. Материалы и элементы электронной техники. Тонкопленочные многослойные структуры и солнечные элементы на основе гид-рогенизированного аморфного и нанокристаллического кремния: Учебное пособие. М.: МИСиС, 2007. 18 с.

88. Пономарев-Степной Н. Н., Столяревский А. Я. Атомно-водородная энергетика пути развития // Энергия. 2004. № 1. С. 3-9.

89. Прохорова Г. В. Электрохимический мониторинг биогенных микроэлементов // Соросовский образовательный журнал, 2004. Т. 8. № 1. С. 51-56.

90. Пул-мл. Ч., Оуэне Ф. Нанотехнологии. М.: Техносфера, 2007. 376 с.

91. Рагозин А. Л., Аникеев А. В., Чумаченко С. А. Вероятностно-статистическая оценка риска крупнейших природных катастроф на территории России // Проблемы безопасности и чрезвычайные ситуации. 2004. №4. С. 3-11.

92. Рамбиди Н. Г., Берёзкин А. В. Физические и химические основы нано-технологий. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 456 с.

93. Рассел С., Норвиг П. Искусственный интеллект: современный подход. М.: Издательский дом «Вильяме», 2006. 1408 с.

94. Река В. Я., Нозик М. Л. Анализ нарушений радиационной безопасности на радиационно-опасных объектах. Роль человеческого фактора и стгужб радиационной безопасности // АНРИ. 2007. №2. С. 32-35.

95. Рембеза С. И. Нужен ли человечеству искусственный нос? // Природа. 2005. №2. С. 5-12.

96. Родунер Э. Размерные эффекты в наноматериалах. М.: Техносфера, 2010.352 с.102. да Роза А. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы. Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2010. 704 с.

97. Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский JI. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы: Пер. с польск. И. Д. Рудинского. М.: Горячая линия-Телеком, 2004. 452 с.

98. Савинов Е. Н. Фотокаталитические методы очистки воды и воздуха // Соросовский образовательный журнал. 2000. Т. 6. № 11. С. 52-56.

99. Семенистая Е. С., Подопрыголова О. Н., Семунина Н. С. Анализ методов оценки надежности деятельности человека-оператора // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск. 2008. Т. 79. № 2. С. 209-217.

100. Семёнова И. В. Промышленная экология. М.: Издательский центр «Академия», 2009. 528 с.

101. Сибикин Ю. Д., Сибикин М. Ю. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. М.: ИП РадиоСофт, 2009. 232 с.

102. Слепченко Г. Б., Пикула Н. П., Дубова Н. М. и др. Электрохимический контроль качества вод (обзор) // Известия Томского политехнического университета. Химия. 2009. Т. 314. № 3. С. 59-70.

103. Смоловик С. В. Роль «человеческого фактора» в развитии крупных системных аварий // Elektroenergetika. 2008. № 1. С. 16-19.

104. Справочник Шпрингера по нанотехнологиям (в 3-х томах) / Под ред. Б. Бхушана. М.: Технрсфера, 2010.

105. Сынзыныс Б. И., Тянтова Е. Н., Момот О. А., Козьмин Г. В. Техногенный риск и методология его оценки. Обнинск: ИАТЭ, 2005. 76 с.

106. Терехов В. А., Ефимов Д. В., Тюкин И. Ю. Нейросетевые системы управления. М.: ИПРЖР, 2002. 480 с.

107. Тихонов М. Н., Муратов О. Э. Человеческий фактор в условиях чрезвычайных ситуациях и аварий на атомных электростанциях // Экология промышленного производства. 2009. № 3. С. 35-40.

108. Труды Второй международной научно-практической конференции «Экология в энергетике-2005». М.: Издательство МЭИ, 2005. 272 с.

109. Форрестер Дж. Мировая динамика. М.: ACT, 2003.

110. Хенце Г. Полярография и вольтамперометрия. Теоретические основы и аналитическая практика. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. 284 с.

111. Ходаков Ю. С. Оксиды азота и теплоэнергетика. Проблемы и решения. М.: ООО «Эст-М», 2001. 416 с.

112. Чемерис М. С. Инверсионная вольтамперометрия в экологии // Симпозиум «Теория и практика электроаналитической химии», 13-17 сентября 2010 г., г. Томск: сб. материалов. Томск, 2010. С. 145-146.

113. Шалимов Ю. Н., Кудряш В. И., Гусев А. Л. и др. Проблемы применения водорода в энергетике // Альтернативная энергетика и экология. 2009. №3. С. 61-74.

114. Швыряев Ю. В. Современный подход к методологии вероятностного анализа безопасности атомных станций // Известия вузов. Ядерная энергетика. 2004. №1. С. 17-24.

115. Шевердяев О. Н. Нанотехнологии и наноматериалы. М.: Издательство МГОУ, 2009. 112 с.

116. Шпильрайн Э. Э., Малышенко С. П., Кулешов Г. Г. Введение в водородIную энергетику. М.: Энергоатомиздат, 1984. 264 с.

117. Штыков С. Н., Русанова Т. Ю. Наноматериалы и нанотехнологии в химических и биохимических сенсорах: возможности и области применения // Рос. хим. ж. 2008. Т. LII. № 2. С. 92-100.

118. Экологические аспекты устойчивого развития теплоэнергетики России / ОАО «Газпром» и др. 2-е изд., доп. Ч. 1 / Резуненко В.И., Степанов К.А., Седых А.Д. и др. 2001. 239 с.

119. Экология энергетики 2000: Междунар. науч.-практ. конф.: Материалы конф.: 18-20 окт. 2000 г., Москва. М.: Изд-во МЭИ, 2000. 462 с.

120. Экология, энергетика, экономика: Сб. науч. тр./ С.-Петерб. гос. технол. ин-т (техн. ун-т); Редкол.: Г. К. Ивахнюк и др. СПб., 2000. 192 с.

121. Энергетика и экология России в XXI веке: Обзор / Институт энергетической стратегии, Фонд «Институт глобальных проблем энергоэффективности и экологии». М.: ГУ ИЭС: ИГПЭиЭ, 2001. 65 с.

122. Яковец Ю.В., Кузык Б.Н. Россия: стратегия перехода к водородной энергетике. М.: Институт экономических стратегий, 2007 г. 400, с.

123. Aresta M. Carbon Dioxide: Utilization Options to Reduce its Accumulation in the Atmosphere // Carbon Dioxide as Chemical Feedstock. Ed. by M. Aresta. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co, 2010. P. 1-13.

124. Belloni , Kutahyali C., Rondinella V. V. et al. Can carbon nanotubes play a role in the field of nuclear waste management? // Environ. Sci. Technol. 2009. V. 43. P. 1250-1255.

125. Bolland O. Outlook for C02 capture technologies // Institute of Physics (IOP) Conference Series: Earth Environmental Science. 2009, N. 6:172003.

126. Boring R. L. Human reliability analysis in cognitive engineering // Frontiers of Engineering. Reports on Leading-Edge Engineering from the 2008 Sympo-siu. Washington, DC: National Academy of Engineering, 2009. P. 103-110.

127. Britt D., Furukawa H., Wang B. et al. Highly efficient separation of carbon dioxide by a metal-organic framework replete with open metal sites // Proc. National Acad. Sci. 2009. V. 106. N. 49. P. 20637-20640.

128. Britt D., Tranchemontagne D., Yaghi O. M. Metal-organic frameworks with high capacity and selectivity for harmful gases // Proc. National Acad. Sci.2008. V. 105. N. 33. P. 11623-11627.

129. Carbon Capture and Storage (CCS) // POSTnote, 2005. N. 238.

130. Cass R., Radl B. A neural network modeling and optimization system for online heat rate Improvement and NOx reduction of coal fired furnaces // Proc. World Congress on Neural Networks, 2. Washington, DC, July 19 P. 656-659.

131. Cleaner Coal // POSTnote, 2005. N. 253.

132. C02 Capture, Transport and Storage // POSTnote, 2009. N. 335.

133. Edwards D. J., Yang J., Cabahug R. Intelligence and maintenance proficiency: an examination of plant operators // Construction Innovation. 2005. V. 5. P. 243-254.

134. Filipponi L., Sutherland D. Applications of nanotechnology: Environment. NanoCap FP6 Project, 2007. 14 p.

135. Groza N., Radulescu R., Panturu E. et al. Zero-Valent Iron Used for Radioactive Waste Water Treatment // Chem. Bull. "Politechnica" Univ. (Timisoara).2009. V. 54(68). P. 21-25.

136. Gu B., Liang L., Dickey M. J. et al. Reductive Precipitation of Uranium(IV) by Zero-Valent Iron// Environ. Sci. Technol. 1998. V. 32. P. 3366-3373.

137. Handa S., Wietasch H., Thelakkat M et al. Reducing charge recombination losses in solid state dye sensitized solar cells: the use of donor-acceptor sensitizer dyes // Chem. Commun. 2007. P. 1725-1727.

138. Human factors methods for improving performance in the process industries / At-twood D., Baybutt P., Delvin C. et al. Hoboken, John Wiley & Sons, Inc., 2007.

139. Human factors methods: a practical guide for engineering and design / Stanton N. A., Salmon P. M., Walker G. H. et al. Aldershot: Ashgate Publishing Ltd, 2005.

140. Jankowska A. Neural models of air pollutants emission in power units combustion processes // Symp. On Methods of Artificial Intelligence, Gliwice, Poland, Nov. 5-7 2000. P. 141-144.

141. Joo S. H., Cheng I. F. Nanotechnology for Environmental Remediation. New York: Springer, 2006. 165 p.

142. Karn B., Kuiken T., Otto M. Nanotechnology and in Situ Remediation: A Review of the Benefits and Potential Risks // Environmental Health Perspectives. 2009. V. 117. N. 12. P. 1823-1831.

143. Kim J. W. Human reliability analysis in large-scale digital control systems. -London: Springer, 2009.

144. Kwong S., Small J., Tahar B. Modelling the Remediation of Contaminated Groundwater Using Zero-Valent Iron Barrier // WM'07 Conference, February 2 5-March 1, 2007, Tucson, AZ.

145. Lewinski N. Nanotechnology for Waste Minimization and Pollution Prevention. NNEMS Report, Aug. 2008. 57 p.

146. Li K., Thompson S., Wieringa P. A., Peng J., Duan G. R. Neural networks and genetic algorithms can cupport human supervisory control to reduce fossil fuel power plant emissions // Cogn. Tech. Work. 2003. V. 5. P. 107-126.

147. Lin Y., Zhou S., Liu X. et al. Ti02/TiSi2 Heterostructures for High-Efficiency Photoelectrochemical H20 Splitting // J. Am. Chem. Soc. 2009. V. 131(8). P. 2772-2773.

148. Lowry G. Nanomaterials for Groundwater Remediation // Environmental Na-notechnology: Applications and Impacts of Nanomaterials / Eds. M. R. Wiesner and J.-Y. Bottero. New York: McGraw-Hill, 2007. P. 297-336.

149. Lu G., Yan Y., Colechin M. A digital imaging based multifunctional flame monitoring system // IEEE Trans, of Instrumentation and Measurem. 2004.1. V. 53. P. 1152.

150. Millward A., Yaghi O.M. Metal-organic frameworks with exceptionally high capacity for storage of carbon dioxide at room temperature // J. Am. Chem. Soc. 2006. V. 127. P. 1799.

151. Mosleh A., Chang Y. H. Model-based human reliability analysis: prospects and requirements // Reliability Engineering and System Safety. 2004. V. 83. P. 241-253.

152. MottaN., WaclawikE. R., Goh R., Bell j. M. Nanotube-polymer Solar Cells an Alternative to Silicon// Boll. Com. Scient. in Australasia, March 2005. P. 15.

153. Novotny C. J., Yu E. T., Yu P. K. L. InP nanowire/polymer hybrid photodiode // Nano Lett., 2008. V. 8. P. 775-779.

154. Nowack B. Pollution Prevention and Treatment Using Nanotechnology // Na-notechnology. Vol. 2: Environmental aspects / Ed. By H. Krug. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co, 2008. P. 1-15.

155. Peng K., Wang X., Lee S. Silicon nanowire array photoelectrochemical solar cells // Applied Physics Letters. 2008. V. 92. N. 16. P. 3103-3105.

156. Reddy K. J., Argyle M. D., Viswatej A. et al. A Novel Method to Capture and Store Flue Gas Carbon Dioxide (C02): Accelerated Mineral Carbonation // Institute of Physics (IOP) Conference Series: Earth Environmental Science. 2009, N. 6:172021.

157. Rowsell J., Yaghi O.M. Metal-organic frameworks: A new class of porous materials // Microporous Mesoporous Mater. 2004. V. 73. P. 3-14.

158. Sahaym U., Norton M. G. Advances in the application of nanotechnology in enabling a 'hydrogen economy' // Journal of Materials Science. 2008. V. 43. N. 16. P. 5395-5429.

159. Sarwono R. Photoelectrochemical catalysts for hydrogen production // ASEAN Journal for Science and Technology Development. 2010. V. 27. N. 1. P. 58-65.

160. Schierz A Zanker H. Aqueous suspensions of carbon nanotubes: Surface oxidation, colloidal stability and uranium sorption // Environmental Pollution. 2009. V. 157. P. 1088-1094.

161. Serrano E., Rus G., Garcia-Martinez J. Nanotechnology for sustainable energy // Renew. Sust. Energy Rev. 2009. V. 13(9). P. 2373-2384.176. Spurgin A. J. Human reliability assessment: theory and practice. Boca Raton:1. CRC Press, 2009.

162. Stephan V., Debes K., Gross H.-M., Wintrich F., Wintrich H. A new control scheme for combustion processes using reinforcement learning based on neural networks // Int. J. of Computational Intelligence and Applications. 2001. V. 1. N. 2. P. 121-136.

163. Strater O. Operator modelling and analysis of behavioural data in human reliability analys. Berlin: Springer, 2007.

164. Sutton R. S., Barto A. G. Reinforcement Learning. An Introduction. MIT Press, 1998.

165. Tratnyek P. G., Johnson R. L. Nanotechnologies for environmental cleanup // Nanotoday. 2006. V. 1. N. 2. P. 44-48.

166. Wiesner M. R., Bottero J.-Y. Nanotechnology and the Environment Remediation // Environmental Nanotechnology: Applications and Impacts of Nanomatenais / Eds. M. R. Wiesner and J.-Y. Bottero. New York: McGraw-HÎTT, 2007. P. 3-14.

167. Williams J. Optimisation software for NOx reductions // World Coal. 2002. N. 1.

168. YanD. J., Zheng Z. F., Zhu H. Y. et al. Titanate Nanofibers as Intelligent Absorbents for the Removal of Radioactive Ions from Water // Advanced Materials. 2008. Vol. 20. N. 14. P. 2777-2781.

169. Zaitseva E., Puuronen S. Multi-state system in human reliability analysis // Proceedings of the 2nd conference on Human system interactions, Catania, Italy, 2009. P. 657-660.

170. Zhang W. Nanoscale Iron Particles for Environmental Remediation: An Overwiew // Journal of Nanoparticle Research. 2003. N.5. P.323-332.