​​ПОЛИАМИД-6 или Мутная история с бензокосой

Однажды мой брат, инженер по биосистемам, затронул достаточно неординарную тему влияния микропластика (микро- ли?) от бензотриммерной лески на почву и ее обитателей. К моему удивлению, как в сети Интернет, так и в научной/патентной периодике отсутствуют какие-либо публикации на эту тему. Может быть проблемы не существует, и все это нагнетание, пусть косят себе и дальше эти миллионы "газонокосителей"? Давайте попробуем посчитать.

Сейчас очень широко (Китай старается производить дешево и много) используются бытовые триммеры и бензокосы. Чаще всего они имеют мощность порядка киловатта и выше. Расходным материалом для таких устройств служит полимерная леска (корд) толщиной 2,4-3,3 мм. Я как-то взвешивал эти "филаменты" от различных производителей, получалось следующее:

сечение ⬛, толщина 2,4 мм - вес 1 метра~5 г
сечение▲, толщина 2,4 мм - вес 1 метра~4 г
сечение ★, толщина 2,4 мм - вес 1 метра~4,1 г
сечение ⬛, толщина 3 мм - вес 1 метра~10 г

Для обработки участка 10 соток средней степени зарастания необходимо порядка 2-3 метров., т.е. до 30 грамм, в зависимости от толщины лески. Предположим обкашивается участок три раза в месяц (~90 грамм полимера), т.е. за лето ~270 грамм мелкодисперсного полимер в траве должно осесть (кстати по этой причине бензокосы не используются для заготовки сена). Если взять какую-то условную улицу с частной застройкой (порядка сотни домов) и предположить, что в выходные треть жителей что-то косит, то получается в день уже 900 грамм пластика, за месяц (c озвученными ранее допущениями) ~2,7 кг, за лето - 8,1 кг пластика, распределенного в почве на на площади в 300 соток (3 га). При использовании китайской лески-ширпотреба цифры расхода можете умножать х2-х5.

В 99% случаев для производства лески идет нейлон, он же полиамид. Что с этим происходит дальше? А в общем-то ничего особенного, в лучшем случае фото-, термо- и биодеградация. В результате этих процессов фрагменты полимера становятся все меньше (дробятся). Кстати опять же, в публичных базах данных нет ни одной статьи и исследования с оценкой размера фрагментов, которые образуются при работе триммера. Так что пусть будет "фрагменты нейлона размером N". В процессе деструкции расстояния между волокнами полимера увеличиваются, морфология поверхности становится хаотичной. Такой субстрат с радостью колонизируют микроорганизмы (бактерии и гифы грибов).

Под действием веществ, выделяемых микроорганизмами происходит процесс энзимной деполимеризации, пластик разрушается до мономеров (в случае нейлона это различные амиды), а дальше уже эти мономеры, в зависимости от своей химической природы кто в воздух, кто в воду/почву а кто и на стол к газонокосителю.

Сказать как быстро будет происходить разрушение микрочастиц сложно, потому что это зависит от спектра почвенных микроорганизмов конкретной местности, от погоды и количества солнечных дней, от химического состава почвы и воды. Но одно можно сказать точно, постепенно яркие кусочки все чаще и чаще будут встречаться среди травы. В случае УФ-деградации полиамид гоооораздо устойчивее полиэтилена (~2 раза), и тем более полипропилена (~в 5 раз).

Что ж делать? Как остановить газонокосильщика в себе? Можно делать вид, что ничего не происходит. Камень, болт, кусок нейлона в почве на участке. Какая разница, лишь бы в Инстаграм через забор соседу красиво выглядело, а "после нас - хоть потоп". Можно купить триммерную леску от известной компании Oregon (бренд BioTrim). Там вроде тот же нейлон, но OXY-фицированный. Такой пластик содержит добавки катализаторов (соли металлов etc), которые в окружающей среде увеличивают скорость окисления полимера (5-10 лет вместо сотни). Ну и наконец можно просто использовать стальные режущие диски, или вообще роторные газонокосилки (косу-литовку, м?). В общем выбор есть, главное подобрать вариант под свой менталитет.

p.s. %username% если на выходных "как раз собирался покосить триммером на даче" - ставь эмоцию 🤔

#микропластик, #microplastics

​​Хорошая новость. В снегах Антарктиды бензотриммеры возможно тоже кто-то использует

Полимеры входят в подмножество коллоидной химии, поэтому периодически попадают в область моих научных интересов. Раз уж я начал сегодня с нейлонового микропластика, то этим и продолжу. В качества инфоповода - интересный факт, упомянутый в чате канала. Речь про недавнюю статью из журнала Cryosphere

В ней ученые из Кентерберийского университета (Новая Зеландия) собрали образцы снега на шельфовом леднике Росса в Антарктиде в конце 2019 года. Затем образцы анализировались с помощью оптической микроскопии (стереомикроскоп Leica MZ125) и микро-ИК-спектроскопии с Фурье преобразованиями (µFTIR@Hyperion 2000). Оказалось что микропластик присутствует ВЕЗДЕ (во всех образцах). Преобладающая морфология - микроволокна. Содержание частиц было примерно одинаковым, порядка 30 частиц на литр талой воды. Больше всего было "бутылочного" PET (41%), затем комбинации из двух и более полимеров (17%), по 9% - метилметакрилат и ПВХ, 6% - нейлон и сумма полипропилена/тефлона/силикона/поливинилидена, по 4% - полиэтилен, алкиды и нитрат целлюлозы. Размеры частиц варьировались от 50 до 3510 мкм (средний размер ~606 мкм). Большая часть частиц (81%) была размером < 1000 мкм, 28% — в диапазоне 0–200 мкм.

Так что, активнее используйте бензотриммеры, покупайте самую дешевую леску. Вносите свою лепту в антарктический "ленд-лиз" поставки нейлона пингвинам ;)

P.S. микропластик опасен не из-за своей химической природы (например PTFE/PA/PE/PP весьма и весьма химически инертны). Опасность носит морфологический характер - при переходе к наночастицам (нановолокнам) вещества проявляют совершенно не характерные для них свойства. Механизмы такого действия я немного освещал на примере асбеста (ссылка)

#микропластик, #microplastics

​​Полевая водоподготовка. Часть IV. Убираем взвеси в воде (муть)

Оказывается главная "пользовательская" проблема у outdoor-воды, это отнюдь не невидимые глазом бактерии и вирусы. А режущая невооруженный глаз мутность и цветность. Ранее рекомендованные биоцидные средства (вроде этих) с мутной водой справится не могут, но и не должны. Их задача обеззараживание, т.е. уничтожение всех биологических загрязнителей (вирусы, бактерии, грибки). А для того, чтобы вода была приятной органолептически я и предалагал всегда комбинировать обеззараживание с отстаиванием и грубой фильтрацией (подробно про нее я писал в статье "Когда молчит водоканал").

Но отстаивание - это чаще всего очень неэффективная процедура. Взвеси в воде в большинстве случаев представляют собой стабильные коллиодные системы (гидрозоли) и оседать под силой тяжести (седиментировать) не спешат. Чтобы этот процесс ускорить применяются коагулянты&флокулянты. Коагулянты нейтрализуют заряд у частиц взвеси, и дестабилизируют коллоидную систему, частицы начинают слипаться и формировать агрегаты. А флокулянты способствуют объединению агрегатов в агломераты, легко оседающие хлопья-флокулы и приводят к укрупнению осадка. Подробно принцип работы этих реагентов показан на картинке.

Самые дешевые и распространенные коагулянты - это неорганические соли. В первую мировую использовали алюмокалиевые квасцы KAl(SO₄)₂, а во времена ВОВ основным коагулянтом был алюмосиликат калия и натрия (Na,K)AlSiO₄ - нефелин. Без коагулянтов же любые фильтры грубой очистки очень быстро забивались.

Сегодня чаще всего используют сульфат алюминия Al₂ (SO₄)₃ при рН 6.5-7.5, сульфат железа Fe₂(SO₄)₃ при рН 4–6/8.8–9.2, хлорид железа FeCl₃ при рН 4-11. Для жесткой воды применяют алюминат натрия Na₂Al₂O₄. Для вод с низким рН/щелочностью применяют неорганический полимер полиоксихлорид алюминия Al₁₃(OH)₂₀(SO)₄Cl₁₅. Для вод загрязненных эмульсиями масел используют полисульфат железа Fe₂(OH)₀.₆(SO₄)₂.₇

В качестве флокулянтов чаще всего используются органические полиэлектролиты - полиакриламид, полиэтиленоксид этиленимин, аминоэтил метакрилат. Может применяться и т.н. активная кремниевая кислота (SiO₂·H₂O).

Методика обработки (на примере некой условной болотной воды) выглядит так: вода из источника отстаивается, чтобы осели крупные тяжелые частицы. Жидкость аккуратно снимается с осадка (переливается в другую емкость) и по каплям добавляется коагулянт (оксихлорид алюминия). Однородная взвесь начинает выпадать в виде рыхлого объемного осадка. Добавляется флокулянт (полиакриламид) и осадок уплотняется и быстро оседает. Выжидаем 5-10 минут и фильтруем воду через любой сетчатый фильтр (тканевый) в емкость для кипячения или последующей обработки обеззараживающими "водными таблетками" (ссылка).

Метод доступный (мизерный расход реагентов) и очень эффективный (особенно в летнее время с теплой водой). Главный минус - требует понимания сути процесса, "залил по максимуму и забыл" - не сработает. Вода из разных источников характеризуется разным составом взвесей и требует различного количества реагентов. В промышленной водоподготовке используют т.н. проточные детекторы (англ. streaming current detector) которые измеряют суммарный поверхностный заряд частиц (через ζ-потенциал). При добавлении коагулянта заряд меняется, и при нулевом значении можно считать что доза коагулянта оптимальна. Для полевых условий такой вариант недоступен, учится лучше на нескольким емкостях с одинаковым объемом воды и разными дозами коагулянта. Где вода получается прозрачнее - там и доза оптимальнее. А с опытом вырабатывается и "коагулянтная интуиция" :)

На фото: такой вот "водный набор" ездит в моем рюкзаке. Безотказно работает с любой водой из поверхностных источников (болотная, луговая, речная etc)

​​Коагулянты для очистки воды. Plant-based дополнение

Всем хороши коагулянты из неорганических солей, и дешевы, достаточно эффективны, доступны. Но есть и недостатки. Главный - при неправильном дозировании можно получить превышение в питьевой воде по остаточному железу и особенно алюминию. А ионы алюминия нейротоксичны. Превышения по железу хоть и не настолько критичны, но тоже могут вызывать нарушения в пищеварительной системе, окраску зубной эмали и некоторые иные эффекты.

Второй недостаток неорганических коагулянтов - это работа в узких диапазонах рН и чувствительность к жесткости воды. Например сульфат алюминия Al₂ (SO₄)₃ - эффективен в узком дипазоне рН, Na₂Al₂O₄ не эффективен в мягкой воде, Fe₂(SO₄)₃/FeCl₃/FeSO₄ требуют щелочного рН воды. Излишняя же щелочность также портит вкусовые качества воды. Полимерные органические флокулянты могут подвергаться деградации с образованием токсичных мономеров. Полиакриламид, например, дает акриламид. Что это за "добро" я разбирал в статье про суррогаты кофе (ссылка).

Ну и в третьих, все еще существуют беднейшие страны, где отвартительная мутная вода есть, а простейших неорганических солей для коагуляции нет. Сюда же можно отнести и места с гуманитарной катастрофой.

Поэтому в последнее время активно изучается возможность применения коагулянтов из растительного сырья. Сырье это возобновляемо и во многих случаях оказывается даже эффективнее классических неорганических солей. Принцип работы здесь аналогичен неорганике - нейтрализация заряда взвешенных частиц. Основное действующее вещество природных коагулянтов - биополимеры (белки, полисахариды etc). Преимущество биополимеров в том, что они могут работать сразу как коагулянт (положительный заряд у функциональных групп) и флокулянт (полимерные цепи для связывания флокул).

В качестве примера несколько растений известных в наших широтах, экстракты семян из которых эффективно осаждают гидрозоли за счет содержащихся в растениях белков:

🔹Гибискус (семена) - 60 мг/л экстракта при рH ≤10
🔹Арбуз (семена) - 72.3 мг/л экстракта при pH 5
🔹Дыня (семена) - 76.7 мг/л экстракта при pH 7
🔹Красная чечевица (семена) - 26.3 мг/л экстракта при pH 4
🔹Пажитник/Фенугрек (семена) - 300 мг/л экстракта при pH 8.0
🔹Сенна крылатая (семена) - 1000 мг/л экстракта при рН ≤10

В качестве эффективных коагулянтов могут выступать танины из конского каштана, черноствольной акации. Из готовых "коммерческих" биополимеров, пригодных для emergency водоподготовки можно вспомнить желатин, альгинат натрия, хитозан.

#полевая водоподготовка

​​Опять про микропластик

Если вы думали что я поднял вопрос микропластика с бухты-барахты, без оглядки на свою любимую специализацию, то вы ошибались. Я не был бы последним из школы беларуской адсорбции, если бы не нашел в микропластике адсорбент :)

Чаще всего различные экопорталы говоря о вреде микропластика, пишут про то, что он вредит морским организмам, инкорпорируется в их ткани и нарушает их функции. Далее через морепродукты микропластик попадает и в людей. Таким образом некому условному жителю Белынич совершенно наплевать на микропластик - морепродукты автолавка не возит, море...На море (в Палангу) только родители один раз ездили "при союзе". Большинство надежно "защищено" от микропластика своим невежеством.

Но не тут то было. Микропластик ко всему еще и неплохой, достаточно селективный поглотитель. Т.е. способен целенаправленно извлекать из воды/почвы органические соединения, концентрировать их на своих частицах, а затем, при удобном случае, высвобождать. Способов извлечения множество, самые распространенные показаны на картинке под заметкой. Немного конкретики (то, что точно установлено на сегодняшний день) насчет избирательности некоторых видов микропластика. Сокращения: пк-полукристалличный, ам-аморфный, пн-полярный, нпн-неполярный

♳Полиэтилентерефталат (пк, нпн). Сорбирует фенолы и хлорфенолы (гидрофобные взаимодействия) из грунтовых вод.
♳Полиэтилен (пк, нпн). Сорбирует малатион (ваш любимый "брат зарина" пестицид), фипронил (межчастичная диффузия), имидаклоприд (физ.адсорбция) из грунтовых вод. Огородные пленки и их обрывки сорбируют пестициды за счет гидрофобных взаимодействий.
♸Полистирол (ам, нпн). Сорбирует окситетрациклин (межчастичная диффузия), цефалоспорин (электростатические взаимодействия), сульфадимезин, диклофенак из грунтовых вод.
♵ Поливинилхлорид (ам, пн). Состаренный ПВХ сорбирует ципрофлоксацин и эстрадиол (образование водородных связей и п-п связывание) из грунтовых вод.
♹ Нейлон (пк, сильно пн). Сорбирует бензол, хлорбензол, нафталины (сильные п-п взаимодействия) из поверхностных вод и почвы

Все? Конец? Никак из воды микропластик не убрать? К счастью, можно. Лучший способ удаления микропластика из воды - коагуляция&флокуляция (в Чехии, например, почти весь PE микропластик из питьевой воды удаляют коагуляцией хлоридом алюминия AlCl₃ в комбинации с фильтрацией через песок). Причем чем частицы меньше - тем эффективнее они фиксируются флокулами. Так что каждый "борец с микропластиком" просто обязан ориентироваться в коагулянтах :)

​​Простейший "дачный" коагулянт

"Где взять все то, про что вы пишете" - часто задаваемый вопрос. Действительно, полимерные неорганические коагулянты достаточно сложно найти и приобрести в небольшом количестве (т.е. меньше 25 кг мешка). Но для несложных задач, вроде коагуляции болотной воды в походе или для очистки ведра мутной воды на даче вполне можно обойтись подручными средствами.

Самый доступный (почти что повсеместно) коагулянт - это алюмокалиевые квасцы KAl(SO₄)₂·12H₂O. Активно они применяются в промышленности, используются как пищевая добавка E522. Но главное эта двойная соль продается в аптеках под названием "жженые квасцы". Жженый = безводная соль KAl(SO₄)₂. Используется препарат как дерматологическая присыпка при гипергидрозах. Получают эту соль из минерала алунита (используется в твердых минеральных дезодорантах типа Crystal). Алунит обжигается при 600 °С, выщелачивают водой и из раствора упариванием кристаллизуют квасцы.

Для использования в качестве коагулянта лучше приготовить 10% раствор - залить 10 г жженых квасцов 90 г подогретой воды. Перед очисткой большого объема воды проводится "баночный тест". В одинаковые прозрачные емкости заливается мутная вода и при перемешивании добавляется x...2x...4x...6x капель коагулянта. После 3-5 минут оценивается прозрачность воды, для определения оптимальной дозы коагулянта. Потом этой дозой (с пропорциональным пересчетом объема) обрабатывается бОльший объем воды. В качестве доступного флокулянта с квасцами отлично работает 1% раствор Na-КМЦ (карбоксиметилцеллюлоза~"экологичный клей для обоев").

Погружение внутрь потовой железы :)

Внимательный читатель заметил, что мой походный коагулянт - гидроксихлорид алюминия - это действующее вещество большинства дезодорантов.

Так оно и есть. Википедии пишут, что в процессе работы дезодоранта (при контакте пота и гидроксихлорида) образуется гель гидроксида алюминия, который закупоривает проток потовой железы как крышка. На самом деле все не так. В видео показан этот процесс (скорость х30 относительно realtime).

После нанесения антиперспиранта процесс диффузии гонит поликатионы алюминия внутрь потового протока. Там эти катионы заставляют коагулировать белки пота. Белки всегда есть в выделениях апокринных желез (подмышки), а в эккринных железах их нет, т.е. мазать ноги антиперспирантом бессмысленно. Скоагулировавшие белки прикрепляются к шероховатостям стенки потового протока и образуют перемычку. Дальше как снежный ком растет количество перемычек и проток закрывается.

P.S. Алунит-дезодорант (Crystal) алюминий содержит, но как Al₂Cl(OH)₅ все равно не может

Вспотевшим посвящается...

Я решил немного развернуть тему антиперспирантов и расширить ее на пот. Читаем на хабре про вещества, которые отвечают за "козлиный запах"/"пот индусов", про дубление кожи подмышек Crystal-квасцами и про другие аэро-удовольствия переполненного общественного транспорта и методы минимизации ущерба от них

P.S. Кто-то когда-то в русскоязычном Интернете должен был написать статью, посвященную поту. Буду я. Ибо потеть и естественно терморегулироваться я люблю :)

Зеркало статьи про пот и дезодоранты

Оказывается у многих к Хабру нет доступа. Что ж, это печально у хабра все ж лучший в мире редактор текстов, но не критично, ибо у нас есть MEDIUM. Читаем отзеркаленную статью по ссылке 👇:

📜 https://steanlab.medium.com/antiperspirants

​​Многим, оказывается, нравится дубяще-вяжущее действие ("псевдодезодорирующее"), которое квасцы оказывают на кожу подмышечной впадины. Поэтому я решил стряхнуть пыль со своего конспекта по неорг.фарм.хим (огромный теплый привет профессору Н.В. Логиновой) и написать про другие вещества этой же группы.

Еще раз напомню, что вяжущие средства вызывают сжатие биологических тканей (≈ местный сосудосуживающий эффект+уменьшение проницаемости тканей), а попутно часто денатурируют поверхностные белки, вызывают агглютинацию тромбоцитов и проч. Сокращения: косм. - используется в косметических средствах.

🔮Помимо квасцов - алюмокалиевых KAl(SO₄)₂ и алюмонатриевых AlNa(SO₄)₂, к вяжущим/кровоостанавливающим можно отнести и другие соли алюминия - хлорид AlCl₃ (косм.), сульфат Al₂(SO₄)₃, ацетат Al(CH₃COO)₃ , 8% р-р которого известен как "жидкость Бурова Карла Генриха"
🔮Соли цинка: хлорид ZnCl₂, сульфат ZnSO₄, ацетат Zn(CH₃COO)₂ (косм.), фенолсульфонат (косм.)
🔮Соли железа: хлорид FeCl₃
🔮Соли стронция (cтабильного!): хлорид SrCl₂
🔮Соли серебра: нитрат AgNO₃ ("ляписный карандаш")
🔮Соли меди: сульфат CuSO₄ ("медный купорос")

Прим: дубящим действием обладают многие соли тяжелых металлов (хрома, ртути, свинца etc.), но я не буду их здесь упоминать по токсикологическим причинам. Не нужен нам такой дезодорант!

Среди органических вяжущих наиболее известны вещества полифенольной природы - подмножество дубильных веществ. В фармации чаще всего используются танин/дубильная кислота (~1% растворы) и галловая кислота. Обладают вяжущими свойствами винная кислота, бета-ионон (косм.), безводный этиловый спирт.

При всем моем скептическом отношении к вяжущим средствам в роли "дезодоранта/антиперспиранта" я должен отметить что в некоторых других случаях вещи это незаменимые. Например при мелких порезах после бритья, незначительных царапинах кожи (от колючек растений), при укусах насекомых (той же мошки/слепней/мокрецов) и животных, при акне и некоторых грибковых заболеваниях (микозы стоп).

Дерматологическое чтиво на выходные

Я редко рекомендую какие-то книги, но сейчас, в свете треда про кожу, просто не могу не упомянуть одну превосходную книгу по теме.

Это достаточно старая работа немецкого дерматолога Йаэль Адлер. Книга с названием Haut nah (Вблизи) была опубликована в Германии в 2016 году и очень быстро заняла место в списке бестселлеров. На сегодня переведена на 35 языков.

В РФ издание выпущено в пер. Т. Б. Юринова под названием "Что скрывает кожа. 2 квадратных метра, которые диктуют, как нам жить". В Украине - в пер. С. В. Зубченка под названием "Зовнішня історія. Що приховує шкіра?". В Беларуси ничего не выпущено.

Текст представляет собой практически идеальный образец научно-популярной дерматологии. Когда писал свою статью про кожу и накипь (ссылка), в книгу д-ра Адлер я периодически заглядывал. Заглядывал и сейчас, когда писал про кожу и пот (ссылка). Технических огрехов не замечено, единственное, что с 2016 года некоторые научные результаты были уточнены (в т.ч. по запахам).

Книга Что скрывает кожа. 2 квадратных метра, которые диктуют, как нам жить в формате FB2. Те, кто переживает за нарушение авторских прав - могут на amazon за 13$ приобрести книгу автора в оригинале (на немецком языке).

♫ Вариант на русском языке в формате аудиокниги (MP3 64 kbps) можно скачать по ссылке

p.s. не рекомендуется для слишком чувствительных/впечатлительных людей, науч-поп настоящий, техничный, немецкий :)

Лето, ультрафиолет, фуранокумарины...

Попался-таки один мой дорогой читатель в фуранокумариновую ловушку. Попался даже несмотря на то, что в своей фитохимической cтатье я подчеркивал, что борщевик НЕ ЕДИНСТВЕННОЕ растение с фотосенсебилизаторами, просто самое медийно раскрученное.

Суть истории - на загородном участке захотелось днем убрать похожие на морковку, буйно цветущие растения, всегда считавшиеся безопасными. Результат - волдыри & химические ожоги.

Причина - Купырь лесной (Anthriscus sylvestris). В народе известен как "морковник", "дудник". В зарубежной периодике с купырем связано даже такое явление как "дерматит газонокосильщиков". Сок от скашиваемых бензотриммером растений попадает на кожу и под воздействием длинноволнового солнечного УФ возникают волдыри. В cоставе сока купыря преобладает метоксипсорален, в борщевике - псорален (см. Заметки фитохимика 2021. БОРЩЕВИК). С т.з. химии разница невелика.

Так что будьте внимательны сами и обязательно следите за детьми! Фотофитодерматиты заживают долго.

​​В субботу на хабре была опубликована статья (Ирпень. Хроники апокалипсиса) в которой украинский инженер рассказал о своем опыте выживания в этом, известном уже всему миру, городе. Так как это хабр, то основная красная нить - отсутствие электричества неделями, в перерывах между обстрелами и риском гибели от осколков. К сожалению, в воскресенье статья уже была скрыта автором в черновики.

Еще 23 февраля 2022 года, когда я опубликовал свою статью Собираем «Тревожный чемоданчик» многие писали что “не до зарядки устройств когда ЧС”. А уже 24 февраля брали свои слова обратно. Мобильные устройства и телеграм-каналы стали единственным оперативным источником информации. Повербанок оставалось на три дня…

Позволю себе процитировать выжившего в Ирпене IT-шника:

<...> главное знание по энергетике, которое я вынес из этой ситуации, – это необходимость иметь в хозяйстве хоть какой-то источник полностью халявной энергии. Генератор хорош пока есть к нему топливо, а любые его запасы конечны. <...> нужно разделять аварийные системы кратковременного и долговременного действия. Автономка на условные сутки большой аварии энергосети, и автономка на месяцы катаклизма – это очень разные системы <...>

Я считаю, что тема эта крайне важна и недостаточно освещена в канале. Пусть теперь для этого будет отдельный хэш-тег #LAB-66@Energy. Первую заметку я решил написать про термогенераторы, благо они вполне могут считаться "старейшими из автономов". Читаем обзор по ссылке 👇

📜 Автономное электропитание. Часть 1. Термогенераторы

Вывод следующий. На термогенераторы в случае того, что имело место в Ирепене (Николаеве/Харькове/Балаклее ... ... ...) надеется не стоит. В противоположность "технологическому рывку" который произошел в области термоэлектричества во времена ВОВ, сегодня рынок бытовых термогенераторов абсолютно не развит. Самыми серьезными "агрегатами" и сегодня выглядят семидесятилетние "партизанские" насадки на керосиновую лампу вроде ТГК-3 или "выварка-генератор" ГТУ-12–12. Но найти их даже на барахолках (за огромные деньги) - это счастье, да и вес в килограммы и килограммы. Западный изобретатель вообще выдает какие-то пародии. Что “стаканчик на 2Вт” FlameStower, что “рассеиватель под котел” PowerPot V на 5Вт, или “барбекю” BioLite CampStove с li-ion на борту (!). Все это на поверку оказывается какими-то “поделками школьников из кружка”, да еще и за сотни долларов. А японская кастрюля Hatsuden-Nabe (от компании TES NewEnergy Corp.) с мощностью до 2Вт, вообще является почти полной копией “партизанского чугунка” ТГ-1, но выжимает (?) из себя всего 400мА. 

При всех преимуществах термогенераторов (работа в любое время суток, отсутствие движущихся частей и надежность) недостатки (большой вес, низкий КПД, вероятность прогорания электронной составляющей при превышении температур, важность наличия топлива/охлаждения) пока с лихвой перекрывают достоинства. Так что продолждаем поиски оптимальной автономки дальше...

p.s. и да, электронщик без паяльника - это душераздирающее зрелище. Если у вас еще нет газового паяльника с пьезоподжигом - пусть заметка заставит про него задуматься.

​​Немного термоэлектрического волшебства

Три-два-один. Всех с летним солнцестоянием 2022. Кульминация лета, самое время загадать солнечное желание.

Я же в качестве послесловия к предыдущей заметке решил напомнить про одно старое исследование. Решил напомнить из эстетических соображений, ибо оно связано с астрономией, изящно экологично и имеет отношение к термоэлектричеству.

Как когда-то установил великий Планк, любое физическое тело спонтанно и непрерывно испускает электромагнитное излучение. Поверхность Земли не исключение. Она поглощает коротковолновое излучение (УФ+видимый) от Солнца и переизлучает в области длинноволнового ИК. С этим тесно связано такое явление, как "радиационное охлаждение Земли". Наша планета охлаждается, испуская в космос инфракрасное излучение (в январе я эту тему разбирал в статье Элегия свету. Инфракрасному свету). Через сухой чистый воздух лучше всего проникают ИК-лучи с длиной 8-13 мкм, т.е. максимальное количество энергии уходит в космос из районов с сухим жарким климатом, где меньше всего водяных паров в воздухе.

С этим интересным явлением, "звездным общением Земли", сталкивался практически каждый, потому что именно оно, в тихие ясные ночи, является причиной заморозков (т.н. "радиационные заморозки"). Эту же особенность на протяжении столетий эксплуатируют иранцы, со своими яхчалами, конусообразными строениями, в которых лед замерзает при температуре ночного воздуха около десяти градусов тепла.

Возвращаемся к нашим термогенераторам. В 2019 году ученые из Стенфорда решили поэксплуатировать излучение Земли с целью энергодобычи. В результате даже была опубликована статья с жизнеутверждающим названием Генерирование света из тьмы.

Что же сделали разработчики. Фактически, необычный "садовый фонарик". В корпус из пенопласта, покрытый майларом и прозрачной для ИК крышкой из ПЭНД поместили алюминиевый диск диаметром 200 мм, покрашенный в черный цвет и излучающий в космос длинноволновое инфракрасное излучение. Снизу к диску "холодной" стороной был прикреплен Пельтье-элемент TG12-4 (7,96W) от Marlow Industries. К "горячей" стороне термоэлемента был прикреплен через термопасту брусок алюминия, а к бруску прикреплен еще один алюминиевый диск диаметром 200 мм с несколькими радиаторами. Эти радиаторы нагревались от поверхности земли за счет конвекции.

За 30$ исследователи получили устройство мощностью порядка 25 мВт/м² (предположительно в жарком и сухом климате мощность может быть увеличена до 0.5 Вт/м²). А это уже не только "зажечь светодиод", но и зарядить аккумулятор в каких-нибудь автономных датчиках. Пусть сами по себе термоэлементы интереса и не представляют, но как дополнение к другим источникам питания - вариант интересный. Особенно для местностей с частыми заморозками ;)

#LAB-66@Energy

​​Таткiна спадчына

В наследство от отца достался мне достаточно необычный фонарь. Необычен он тем, что сделан на базе перезаправляемого щелочного аккумулятора. Хотя в детстве я был уверен что аккумулятор там кислотный, и с напряжением 6В как в чехословацкой JAVA :) Но жизнь показала, что я ошибался.

Вспомнил я про этот накопитель энергии, когда подыскивал себе недорогой резервный источник походного питания (это примерно 2010-е годы, Li-ion тогда еще не радовали ни ценой, ни емкостью, какой-нибудь брендовый элемент стоил 10-15 биткоинов). Маленьких свинцовых аккумуляторов в доступности тоже было не найти. А здесь бесплатно достаточно легкий аккумулятор (~ 1 кг), который, по словам отца, мог своими 3,6В освещать гараж неделями. Внутри, кстати, установлена "лампа рудничная P-3,75-1+05" с двумя нитями накала дальний/ближний свет. Про интересный фонарь не грешно и в 2022 упомянуть.

Фонарь имел говорящее название 3ШНК-10-О5, был выпущен в 1985 году, стоил 16 рублей. В наименовании цифра 3 означает трехбаночный, Ш-шахтный, НК-никель-кадмиевый, номинальной емкостью 10Ач. Аккумулятор фонаря состоит из трех последовательно соединенных ячеек, электроды которых изолированы друг от друга хлориновой тканью. Исходной активной массой положительного электрода является гидроксид никеля Ni(ОН)₂, а отрицательного — гидроксид кадмия Cd(ОН)₂. В элемента работает реакция: 2NiO(OH) + Cd + 2H₂O ↔ 2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂

В качестве электролита может выступать либо раствор натриевой щелочи NaOH c плотностью 1,15-1,17 г/см³ (если есть возможность, то очень хорошо туда добавить 10 г/л гидроксида лития), либо раствор калиевой щелочи KOH с плотностью 1,17-1,19 г/см³ (добавлять уже 20 г/л гидроксида лития). Отдельное интересное свойство аккумулятора фонаря - способность работать при минусовых температурах (до -20 °C). Достаточно всего лишь заменить стандартный "летний" электролит, на "зимний" (это обычный раствор КОН плотностью 1,25-1,27 г/см³ без всяких добавок).

Чаще всего многим владельцам такие фонари достаются от отцов и дедов в полуживом состоянии. Но интересно, что большинство аккумуляторов вполне можно восстановить и вывести на номинальную емкость (10Аh).

Алгоритм восстановления следующий. Сначала из корпуса сливается старый электролит. Затем нагретой до 50-60 °C дистиллированной водой промываются ячейки. Вода заливается в аккумулятор в горизонтальном положении, выдерживается так 2-3 часа, сливается. Заливается новая порция. Повторяем так 4-6 раз. Затем заправляем электролит (с плотностями указанными выше, это ~20% растворы щелочей, на крайний случай - средства "Крот"). Даем пропитаться электродам час-полтора, сливаем. Заливаем свежую порцию электролита. Повторяем 2-3 раза. Затем ставим заряжаться - постоянным напряжением 5,0–5,15 В в течение 12 ч или же постоянным током 1,5 А в течение 12 ч, смотря у кого какое ЗУ. Сигнал окончания зарядки — закипание электролита. Затем разряжаем аккумулятор. Повторяем цикл заряд-разряд 2-3 раза. Сливаем старый электролит и заливаем новый. Повторяем еще 2-3 раза. Profit!

Зачем это все нужно? А затем, что на беларуских барахолках эти неубиваемые фонари можно найти без проблем и сейчас по цене порядка 2-5-15$. Для сравнения 1 шт. моих Li-ion фаворитов Pansonic NCR18650GA на 3,45Ah стоит порядка 17$ (и ток выдает сравнимый с старичком-шахтером). Так что если вам срочно нужен временный накопитель, то советский Ni-Cd вполне может в его роли поработать. И найти не сложно, в отличие от тех же NCR18650GA

p.s. Привет всем подземным труженикам, благодаря которым вторичный рынок до предела насыщен шахтерскими фонарями-коногонками :)

#LAB-66@Energy

​​ХИТ-овая энергия

Как старый обожатель фонарей могу сказать точно, где один фонарь - там сразу и два фонаря. Их не может быть много :) Поэтому в очередной заметке серии #LAB-66@Energy поведаю вам про еще одно необычное устройство/тип химических источников тока. Любые ХИТ-ы конечно нельзя отнести к возобновляемой энергетике, но меж тем некоторые варианты в качестве автономного резерва выглядят перспективными.

Металло-воздушные электрохимические источники тока (МВИТ). Большинству этот набор слов ничего не скажет. При этом показатели удельной емкости таких источников выше, чем у вездесущих литий-ионных батарей. На мой субъективный взгляд, именно металл-воздушные батареи в будущем заменят литиевые ячейки в электромобилях. Но пока же технология до блеска еще не доведена.

МВИТ - это электрохимический элемент, в котором гальваническая пара образуется между металлическим анодом и пассивным катодом. Анод - это активный металл (алюминий, магний, цинк или их сплавы с активирующими добавками). В процессе работы металл анода постепенно растворяется превращаясь в гидрооксид. Катодом часто служит пористая проводящая структура, например, из блоков спрессованного углерода. Катод должен одновременно хорошо доставлять кислород воздуха вглубь электролита и быть пропитан электролитом. В качестве электролита выступает вода или раствор соли. Самые простые батареи - магниевые и алюминиевые (аноды - пластины из этих металлов). В далеком 1960 году компания GeneralElectric выпустила такой элемент питания на магниевых пластинах и электролите из соленой воды. Напряжение порядка 3В, плотность энергии около 7 кВтч/кг. На пост-ссср пространстве МВИТ выпускали (в т.ч. и конверсионно) разные организации - НПО “Квант”, “Верхнеуфалейский завод Уралэлемент”и проч. В наших краях этот тип элемента имел ограниченное хождение (а кое-где имеет и сейчас) в виде т.н. фонаря "СВЭЛ", он показан на картинке.  

Отдельный элемент состоял из газопроницаемых воздушных электродов, расположенными в боковых стенках коробчатой камеры "кармана", и металлического анода, вставляемого в "карман". На боковых гранях или в корпусе батареи имеются отверстия для доступа воздуха к катодам. Перед началом работы в батарею заливается электролит - 350 мл воды, в которых растворены 5 чайных ложек соли. Одна заправка давала возможность освещать все вокруг порядка 8-10 часов, после 100 часов работы требовалась замена магниевых (или магний-алюминиевых) анодов. Сами фонари некоторые туристы покупали, но вот с анодами была беда :). В свете нашего треда интересно то, что фонарь внутри имел преобразователь мощностью порядка 5-8 Вт, который выдавал 12В. Я такой девайс видел только раз и его владелец не особо лестно о нем отзывался (вес немалый, огромная бесполезная голова фонаря, необходимость в тщательной промывке бака и сушке анодов для выключения фонаря, нестабильное напряжение, зависящее от качества соли ну и т.п.). Покупать руки сами явно не потянутся, но как источник "на черный день" - вполне, смартфоны одной семьи зарядить сможет (рации - уже не факт).

На фото: тот самый фонарь "СВЭЛ" с металло-воздушным электрохимическим источником тока

Go! делать "молниевую ферму"

Продолжаем наши разговоры о рыбалке о возобновляемых источниках энергии. В качестве особой пятничной редакторской колонки я рискну вам предложить...молнию.

Не знаю как уважаемые читатели, а я от молний просто без ума. В детстве, как только появилась первая цифровая камера — я сразу же попытался захватить молнию. Так что считать заметку постом восхищения/воздыхания.

Начну с энергоемкости. Один разряд это около 5 ГДж энергии сжатых в десяток микросекунд. Мощность какой-нибудь завалящей молнии равна 500 ТВт, сравните с хрипящей-тритием коптящей БелАЭС, первый энергоблок которой выдавливает (но это не точно) из себя жалких 1,2 ГВт. Ладно, с мощностью молний я приврал, ибо не бывает одинаковых молнии, в среднем считается что мощность находится в пределах 10 ГВт. Но все равно, вот где можно испытать удаль молодецкую, а не этот вот ваш "мирный атом-работа для настоящих мужчин" 😁. манипулируя молниями, а не ☢ можно прилично сэкономить на radkit-ах

С конца 1980-х предпринимались попытки собирать грибы молнии. Причем разброс методик был достаточно широк, от нагрева воды, до молниеотводов и катушек индуктивности. Но здесь возникли следующие сложности.

Во-первых. Гроза это явление непредсказуемое, молния - еще более непредсказуема. Нельзя точно предсказать будут ли разряды и куда именно они попадут. С первым еще можно как-то бороться, установив фермы в подходящих местах вроде реки Кататумбо, впадающей в озеро Маракайбо в Венесуэле, где бывает по 28 вспышек молний в минуту (книга рекордов Гиннеса подтвердит). Со вторым тоже можно справится, с помощью создания т.н. "плазменных тоннелей". Мощный (~5 ТВт) и сверхбыстрый импульсный лазер (импульсы в сотню фемтосекунд) пробивает в воздухе условный канал, заполненный ионизированным газом. По этому каналу молния устремляется к приемнику. Метод работает, таким путем молнии отводятся от важных объектов.

Авторское примечание: когда-то по вечерам из окна моей лаборатории был виден завораживающий "зеленый столб" от лазера с крыши соседнего здания (в далекие 1970-е здесь специализировались на оптике океана). Предположительно в одной из комнат дикость! но еще не сданной в аренду под офисы сидели люди, которые проводили изучение количества аэрозолей в воздухе. И опять же, предположительно, это делалось фемтосекундным лазером. Читатели-физики, если кто-то еще остался в РБ, подтвердите или ж опровергните мои тезисы :)

Возвращаясь к молниям есть и второе но. Разряд молнии длится микросекунды, а значит для захвата нужны очень емкие высоковольтные конденсаторы. Тот кто запускает асинхронные трехфазные двигатели в однофазной сети расскажет вам про стоимость и габариты пусковых конденсаторов. А "небесная искра", стоит признать, это гораздо и гораздо серьезнее чем двигатель, и по скоростям, и по вольтажам.

Подытоживая, можно с сожалением констатировать, что "разведение молний" пока для энтузиастов и небольших µ-метео стартапов дело неподъемное. А для многих государств в последнее время военные расходы стали гораздо важнее расходов на исследования. Но... Multi multa nemo omnia novit, если я ошибаюсь и примеры людей/компаний есть - буду благодарен, если дадите знать в соцсетях или на лабораторную почту.

#LAB-66@Energy

P.S. Обязательная видеоиллюстрация к сказанному в сообщении ниже 👇

Прим. Slow Motion - особый киноэффект, который достигается при съемке с помощью высокоскоростных камер с последующим просмотром отснятого материала при стандартной скорости (30 FPS или т.п., 1 FPS=1 кадр/секунду). Молнии как будто созданы позировать для высокоскоростных камер, но режиссеры почему-то не спешат снимать эту красоту...

Nota Bene: видео имеет охлаждающий эффект :)

​​В комментарии к недавней заметке читатель задал такой вот вопрос:

"Как насчёт статьи "МВИТ своими руками из подобранного на мусорке"? Актуально это может быть людям, которые попали в ситуацию с обстрелами и локальным блэкаутом - и в подвалах, и в частном доме вполне может найтись металлический хлам и посуда, из которых можно сделать более-менее источники тока и попытаться зарядить смартфоны. По току это вообще реально или смысла особо нет?"

Что на это ответить, по току вполне реально все. До "идеологической оптимизации сотрудников академии наук" я со своими ассистентами развлекался в т.ч. и созданием металло-воздушных батарей, с акцентом на пористых катодах (адсорбционная специализация-с). Делали мы магний-воздушный элемент, т.к. магний достаточно активен, есть примеры рабочих изделий (тот же фонарь СВЭЛ), да и нет нужды использовать щелочные растворы.

Во всех металло-воздушных аккумуляторах именно катоды - основная область инноваций и know-khow. В большинстве случаев используются пористые угольные/графитовые электроды. И вот здесь уж кто на что горазд. Самый простой вариант - это спаянная из двух слоев мелкой металлической сетки "папка" внутрь которой плотно утрамбован пористый уголь (типа КАД или подобного) с добавкой промотора. Промотором может быть кобальтит лития, из него делаются положительные электроды во всех литий-ионных батареях, найти труда не составит. Более сложные варианты, тяжело реализуемые в условиях DIY, но весьма эффективные - это углеволоконные катоды (углеволокно, если вы помните, моя one love).

Сторона "папки" которая "дышит" - щедро пропитывается фторопластовой суспензией (водоотталкивающие составы для обуви, туристические пропитки для рюкзаков и т.п.). Вот и все, почти готова батарея. Осталось сделать подходящий бак для электролита и найти кусок магния (где искать в городе и деревне - см. мою статью Будьте бдительны! Сортируйте магниевый лом правильно). Для формирования емкости батареи в 7,5Ач надо примерно 6,75 г магния, если использовать пластину толщиной 1,5 мм и площадью 0,0025 м2, то можно обеспечить себе двое суток стабильных 150 мА.

С алюминием ситуация аналогична (и анод аналогичен). Правда в отличие от магния, здесь лучший электролит это гидроксиды калия/натрия (разность потенциалов ~1,2В против ~0,5В при использовании раствора соли). Подойдет для металло-воздушного элемента даже железо, электролит - раствор гидроксида калия.

Если подходящую емкость для создания элемента найти тяжело ( = такую, чтобы катод имел доступ к воздуху), можно вместо жидкого электролита использовать гелеобразный, или в крайнем случае пропитать раствором какой-то пористый материал и сделать "энергосендвич" - пластина металла, на нее пропитанная раствором соли губка, на губку катод. В таком случае "замена электролита" будет заключаться в периодических циклах "выжать губку/пропитать губку". Метод применим только с солевыми растворами, щелочь таких игр не простит.

Так что попробуйте представить сами, реализуемы ли для вас описанные выше методики в случае блэкаута...

#LAB-66@Energy