Научные результаты последних лет

 

Наиболее крупные конкретные результаты исследований, достигнутые в различных областях аналитической химии в последние 7- 10 лет
 
I. В области разработки основ теории аналитической химии, а также в области создания методов и средств химического анализа

          Созданы основы новой квантовой теории молекулярных явлений, впервые позволившей описать спектральные и реакционные процессы единой системой кинетических дифференциальных уравнений. На базе первых принципов обоснованы важнейшие общие химические закономерности. Показано, что сложные логические действия, вплоть до распознавания образов, могут быть адекватно реализованы в форме многоступенчатых превращений молекулярных систем. Впервые проведены соответствующие расчеты для реальных систем (Л.А. Грибов, В.И. Баранов).
Предложен новый подход для количественного и качественного безэталонного анализа сложных веществ, основанный на экспериментальных зависящих от времени вибронных спектрах люминесценции (УФ- и видимая области) и не требующий предварительного расчета абсолютных интенсивностей для молекулярных моделей. Развита теория метода (лаборатория  молекулярного моделирования и спектроскопии) (Н.В. Чекалин)
Развиты методологические основы мембранных методов фракционирования природных проб и создано аналитическое оборудование для его проведения. Разработаны методики фракционирования природных вод, осадков и порошков с целью по ледующего определения распределения металлов между частицами различного размера) (Б.Я. Спиваков, В.М. Шкинёв).
          Разработана теория удерживания неподвижной жидкой фазы во вращающейся спиральной колонке, описывающая влияние гидродинамических и операционных параметров, а также физико-химических свойств используемых двухфазных жидкостных систем, содержащих экстракционные реагенты, на эффективность разделения металлов.
Впервые вращающиеся спиральные колонки использованы для фракционирования форм элементов в почвах. Показана возможность непрерывного экстрагирования обменной, «карбонатной», «оксидной», сульфидной/органической форм Cu, Zn, Pb в автоматизированном режиме. Разработаны методики концентрирования и выделения микропримесей металлов из растворов высокочистых солей (Б.Я. Спиваков, П.С. Федотов, Т.А. Марютина).
         Развито новое направление в бионеорганическом вещественном анализе, связанное с  изучением методом капиллярного электрофореза механизма действия лекарственных препаратов на основе комплексов металлов. Полученные результаты свидетельствуют о том, что капиллярный электрофорез позволяет получать достоверную и количественную информацию о характере взаимодействия комплексов металлов, регулярно применяющихся в онкологической практике или находящихся на стадии клинического испытания, с белками и другими биомолекулами и может ускорить процесс внедрения новых противораковых средств (А.Р. Тимербаев).
         Разработаны математические модели и компьютерные программы для моделирования методов высокоэффективной хроматографии (газовой и ионной), базирующиеся на фундаментальных теоретических разработках в области описания равновесия и кинетики в процессах адсорбции и ионного обмена (А.М. Долгоносов). 
          Разработана теория кинетики и динамики ионного обмена в пересыщенных растворах и коллоидных системах. Созданы модели и программы расчета новых практически важных ионообменных процессов  концентрирования  и  разделения компонентов в растворах (А.М. Долгоносов).
Разработан способ перевода авторадиографического изображения в электронный формат с использованием планшетных сканеров. Показано, что разработанная методика сканирования обеспечивает восстановление трехмерного распределения радионуклидов в образцах в отличие от стандартных методик двумерной денситометрии с использованием микрофотометров.
Электрохимическими методами исследованы механизм и кинетика электродных реакций ионов хрома, ванадия и церия в различных степенях окисления на твердых электродах различной природы. Найдены электродные реакции, позволяющие проводить высокоточное (погрешность – на уровне 0,1%) определение макросодержаний этих элементов (до 100%), в том числе в различных степенях окисления при их одновременном присутствии, в соединениях сложного состава (например, в высокотемпературных сверхпроводниках (лаборатория радиоаналитических и электрохимических методов) (В.П.Колотов, Н.Н. Догадкин).
           Предложен и реализован на основе численного моделирования способ оптимизации условий эффективного инструментального нейтронно-активационного анализа. Метод применен для определения редких и редкоземельных элементов с концентрацией n(100-10-10)% в природных и техногенных образцах различного происхождения (Г.М. Колесов).
 Разработан эффективный, высокочувствительный (n.10-4 мкг/мл) проточный сорбционный атомно-эмиссионный (с ИСП) метод определения тяжелых металлов (Cd, Co, Cu, Cr, Fe, Mn, Ni, Pb, V, Zn) в морской воде и минерализованных рассолах. Метод применен (и применяется) в полевых океанологических исследованиях в Баренцевом и Норвежском морях на НИС «Академик Борис Петров» (Центральная лаборатория анализа вещества).
          Разработаны методы контроля водных сред на содержание радионуклидов с использованием новых типов сорбционных материалов – волокнистых «наполненных» сорбентов – для предварительного сорбционного концентрирования радионуклидов. Методы апробированы на примере определения ультрамалых содержаний урана и технеция в природных и техногенных водных средах.
         Предложены новые способы пробоподготовки для определения благородных металлов современными инструментальными методами, включающими микроволновое и динамическое концентрирование благородных металлов комплексообразующими сорбентами. Определены условия концентрирования и разработаны комбинированные ЭТААС, АЭС-ИСП и РФА методы определения благородных металлов в природных и промышленных объектах (Г.В. Мясоедова).
С целью экологического мониторинга разработаны сорбционно-спектроскопические и аналитические тест-методы на твердой фазе волоконных ионообменников, наполненных  анионитами, для определения урана(VI), тория, свинца(II), цинка и железа(III) с органическими реагентами, синтезированными в лаборатории. В плане развития многоэлементного анализа на твердой фазе разработаны методы определения из одной пробы V(V) и Mo(VI), Th и U(VI), Cr(III) и Cr(VI), Cr(VI),  Ni и Cu.  Решена принципиально новая задача перевода платиновых  элементов (Pt, Rh, Ru, Pd) из кинетически инертных форм к лабильным, реакционноспособным, что позволило разработать прямые спектрофотометрические методы их определения.  Реагенты: тиродин, тиопропиороданин, сульфохлорфенолазороданин и др. Методы: водно-органические среды, промежуточные комплексы с SnCl2 и др. (С.Б. Саввин, Ю.М. Дедков).
          Разработан  эффективный способ определения рения в зеленой массе растений (хлорофилле). Показано, что рений накапливается по безбарьерному типу: концентрация в 102 - 103  и более раз выше кларка (10-7 %). Метод позволил выявить высокие концентрации рения в зеленой биомассе в районе Тырнауза (Кабардино-Балкария) —  до 5.10-4 %, а также в районах Златица и Асарел-Медот (Болгария) — до 3.104 % (Л.В. Борисова).
 
II. В области разработки и создания опытных образцов аналитических приборов, сенсоров и методов для контроля, изучения и защиты окружающей среды, контроля технологических процессов

Совместно с СКБ АП ПО «Маяк» проведена разработка и начато серийное производство прецизионной кулонометрической установки ПКУ – 03. Установка предназначена для точного и селективного определения больших содержаний металлов на предприятиях черной и цветной металлургии, радиохимической промышленности, переработки драгоценных металлов и контроля образцов стандартного состава (А.Н. Могилевский, Ю.И. Фабелинский).
        Совместно с Институтом общей физики РАН разработан новый метод  масс-спектрометрического  определения  органических и биоорганических соединений. Метод включает адсорбцию химического соединения на поверхность аморфного кремния,  воздействие на поверхность кремния импульсным лазерным излучением и последующую термодесорбцию образовавшихся ионов в камеру масс-спектрометра (А.А. Гречников).
        Разработаны химические пьезорезонансные сенсоры для определения аммиака, паров несимметричного диметилгидразина,  ароматических и предельных углеводородов, позволяющие надежно определять концентрации этих соединений на уровне ПДК рабочей зоны. На основе сенсоров созданы и испытаны в лабораторных условиях макеты портативных газоанализаторов, предназначенные для контроля атмосферы в природных и промышленных объектах (А.Н. Могилевский, А.А. Гречников).
        Впервые создана мембранная установка для фракционирования компонентов природных вод различного размера (от 10 мкм до 30 нм) высокой производительности (100 л/ч) для изучения распределения токсичных и радиоактивных элементов с целью получения информации о миграции и распространении этих элементов в природных водах (В.М. Шкинёв, О.В. Степанец).
         Предложен новый миниатюрный источник атомизации возбуждения спектра на основе капельно-искрового разряда, возникающего между сближающимися свободными поверхностями электролита, для создания атомно-эмиссионного сенсора на легкоатомизируемые металлы в воде. Показана возможность использования нового источника для определения Na, Mg и Ca в диапазоне концентраций 0,01-5мМ. (Б.К. Зуев).
         Предложен новый метод исследования органических веществ, находящихся в виде тонкой (до 10 нм) пленки на поверхности воды. Метод основан на концентрировании органического вещества при переносе его с поверхности воды на поверхность зонда, с последующим определением общего содержания органического вещества твердоэлектролитным анализатором. Предложен прием многократного концентрирования органического вещества, позволяющий контролировать очень низкие содержания органического вещества на границе раздела фаз вода-воздух (Б.К. Зуев).
        Обнаружено новое явление активации реакций окисления горючих газов в воздухе, происходящее на поверхности катализатора в условиях коронного разряда. Предложен новый тип сенсоров горючих газов в воздухе, основанный на регистрации теплового эффекта при помощи термочувствительных кварцевых резонаторов (Б.К. Зуев).
         Разработана концептуальная модель поведения техногенных актинидов в подземных и наземных водных экосистемах, изучено распределение, формы нахождения и динамики миграции 234,235,238U, 237Np, 238-240Pu, 241Am, 244Cm в промышленных и прилегающих к ним зонах ФГУП ПО «Маяк», ФГУП «СХК», ФГУП «ГХК». Впервые получены прецизионные данные по содержанию нептуния-237 и америция-241 в донных отложениях и пойменных почвах реки Енисей.
С целью разработки методов фракционирования жидких радиоактивных отходов (ЖРО) изучены процессы мембранной экстракции ТПЭ и РЗЭ с переносчиками класса «карбамоилов», феррицианидного осаждения ТПЭ и разделения ТПЭ при жидкостной хроматографии со свободной неподвижной фазой (ЖХСНФ) в системе азотная кислота –диамид – тетрапропан. Первый процесс позволяет количественно выделить сумму ТПЭ и РЗЭ из азотнокислых ЖРО, второй отделить ТПЭ от РЗЭ с фактором разделения более 1000, третий провести внутригрупповое разделение ТПЭ (с фактором разделения 3000 для наиболее близких по химическим свойствам Am и Cm) (Б.Ф. Мясоедов, А.П. Новиков, Ю.М. Куляко и др.).

 

III. В области разработки промышленных технологий и аналитического контроля технологических процессов.

 

          С целью разработки новой эффективной «неводной» технологии фракционирования радиоактивных отходов и переработки облученного ядерного топлива изучена суперкритическая флюидная экстракция (СФЭ) твердофазных соединений радионуклидов диоксидом углерода, содержащим дициклогексил-21-краун-7, дициклогексил-18-краун-6, азотнокислый трибутилфосфат и теноилтрифторацетон. Найдены условия количественного выделения Cs-137, Sr-90 и U(VI). Впервые осуществлено отделение урана от плутония, нептуния и тория из смеси их твердых оксидов с факторами разделения более 200 (Б.Ф. Мясоедов, Ю.М. Куляко, Т.И. Трофимов).
 
         На основании лабораторных исследований и стендовых испытаний предложена схема процесса, определены оптимальные условия и разработаны исходные данные на проектирование промышленной установки для выделения гидроксида и оксида магния из высокоминерализованных дренажных вод алмазной трубки «Удачная» (Р.Х. Хамизов).
 
IV. В области создания  и исследования новых химических соединений для анализа, извлечения ценных компонентов из промышленных растворов и объектов окружающей среды
 
         На основе природных цеолитов созданы и наработаны опытные партии новых типов сорбентов с полифункциональными свойствами - катионообменной, анионообменной и адсорбционной емкостями и высокой  бактерицидной активностью, что позволяет использовать их для комплексной очистки и обеззараживания природных и сточных вод различного состава. Разработан способ эффективной очистки карбонатсодержащих природных вод от урана на созданном в Институте органоцеолите – клиноциде. С использованием метода математического моделирования осуществлен расчет времени (защитного действия слоя сорбента по урану в зависимости от скорости фильтрования и глубины очистки (В.А. Никашина).
         Разработаны и изучены новые типы волокнистых комплексообразующих сорбентов ПОЛИОРГС — "наполненные" волокнистые материалы, предназначенные для сорбционного концентрирования платиновых, тяжелых, редких металлов и радионуклидов. На основе экспериментальных данных по равновесию и кинетики сорбции и математической модели для расчета динамического извлечения металлов из растворов выбраны условия концентрирования платиновых металлов применительно к комбинированным методам их определения (лаборатория органических реагентов).
          Впервые показано, что магний-калийфосфатная керамика (керамикрит), применённая для отверждения высокосолевых, щелочных радиоактивных отходов радиохимических предприятий, обладает высокой химической устойчивостью к выщелачиванию как актинидов (Np, Pu, Am) и Sr, так и Tc, Cs, Se и I, индексы выщелачивания которых соответственно составляют (13,5-14,5), 12,0, 9,1, 11,8, 10,0, 11.4  и отвечают существующим стандартам, предъявляемым к керамике, пригодной для долговременного хранения инкорпорированных радиоактивных элементов (Г.В. Мясоедова).
          Впервые показано, что каолинит с поверхностным слоем модифицированной синтетической гуминовой кислоты является эффективным сорбентом для извлечения актинидов в состояниях окисления +4 и +3 из грунтовых вод промплощадки ФГУП «ПО Маяк». Сорбент изготовлен из природных компонентов и высокоселективен по отношению к плутонию и трансплутониевым элементам. Поэтому он может быть использован для радиомониторинга грунтовых вод в качестве накопительного элемента мембранных модулей, помещенных в наблюдательные скважины промплощадки (Б.Ф. Мясоедов).
          По техническому заданию Горно-металлургического комбината (ГМК) «Норильский Никель» выполнены научно-исследовательские работы и разработан технологический регламент на проектирование промышленной установки по очистке кислых сульфатных сточных вод Медного завода ГМК (Р.Х. Хамизов). 
 
  V.Многие крупные разработки ГЕОХИ  прошли испытания и/или внедрены на предприятиях.

 

          Так, новая технология  комплексной безотходной переработки природных  соленых вод с целью получения ценных минеральных веществ и пресной воды, включающая переработку минерализованной (например, морской) воды новыми безреагентными сорбционными, электросорбционными  и мембранными методами с получением пресной воды, чистых солей магния, калия, натрия, брома, лития и ценных микрокомпонентов, прошла пилотные испытания на установках, смонтированных на сбросных морских водах электростанций  (Охотское море, Сахалинская ГРЭС;  Японское море, ТЭЦ-2 г. Владивостока).  Построена первая ступень опытной установки, рассчитанной на опреснение 240 м3/сутки и производство 300 тонн/год карбоната магния высокой чистоты (Р.Х. Хамизов).
         Создан экспресс-анализатор суммарного содержания органических веществ в природных, питьевых и сточных водах. На способ и устройство получены патенты РФ. Данная разработка получила золотую медаль с отличием на Всемирной выставке «Эврика-98» (Брюссель, Бельгия). Изготовлен опытный образец, который успешно использовался для мониторинга водной экосистемы (Б.К. Зуев).
         Разработана, спроектирована и изготовлена установка для сорбционной очистки жидких радиоактивных отходов. Установка прошла испытания по глубокой очистке конденсатов выпарных аппаратов на Белоярской АЭС и на имитате жидких радиоактивных отходов (водопроводная вода с добавкой Cs-134 ) в ГЕОХИ РАН (Р.Х. Хамизов).
         В рамках договора с "Союзом производителей и экспортеров калия и соли", Институтом галургии (Санкт-Петербург)  для предприятия УРАЛКАЛИЙ (г. Березники) разработана и подготовлена к аттестации методика проточно-абсорбционного определения микропримесей меди, железа, марганца, алюминия, бария, никеля, свинца, титана, ванадия, цинка в сточных водах калийного производства, содержащих до 200 г/л солей.   Методика внедрена в аналитической лаборатории предприятия УРАЛКАЛИЙ г.Березники (Э.М. Седых).
         Проведены успешно натурные испытания по внедрению разработанного в рамках НИР «Адгезия» сорбционного блока  для очистки сбросных вод от жидких радиоактивных отходов (ЖРО) (радионуклидов цезия и кобальта). Испытания проводились на Дальневосточном и Северном Флотах совместно с научно-производственным предприятием «Экоатом» на полупромышленной установке «Поток-2», в состав которой входит сорбционный блок ГЕОХИ РАН. Наиболее высокие показатели были получены при переработке среднеактивных ЖРО, коэффициент очистки по цезию-137 достигал 103-105.
         Разработана прецизионная установка ПКУ–03 для селективного определения больших содержаний металлов методом  кулонометрии с контролируемым потенциалом рабочего электрода. Особенностью установки является градуировка по физическим эталонам (электрический ток, время), а не по образцам стандартного состава. Конструктивные решения установки разработаны совместно ГЕОХИ РАН и  СКБ АП ПО «Маяк» (г. Озерск) и защищены патентом РФ. Серийное производство прецизионных кулонометрических установок ПКУ–03  организовано  СКБ АП ПО «Маяк». Первая партия установок используется в ПО «Маяк» (А.Н. Могилевский).

 

2008 год
1. Патент РФ № 2282180, Устройство формирования термолинзы для термолинзовой спектроскопии, авт. Б.К. Зуев и В.В. Лонцов;
2. Патент РФ № 2281248, Способ получения оксида магния из высокоминерализованных рассолов, авт. Р.Х. Хамизов и др.;
3. Патент № 2221242, Способ определения следовых количеств осмия в природных и технологических объектах, авт. Кощеева И.Я. и др.;
4. Патент РФ 2117275 "Анализатор паров и газов" авт. А.Н. Могилевский и др.
5. Патент РФ №2135987 " Кулонометрическая установки с контролируемым потенциалом", авт. А.Н. Могилевский и др.;
6. Патент РФ № 2145707 «Пьезорезонансный анализатор паров и газов».авт. А.Н. Могилевский и др.;
7. Программа для ЭВМ «IONCHROM” , регистрационный №2000610520, авт А.М. Долгоносов, Прудковский А.Г..
8. Программа для ЭВМ «RARG»,  регистрационный №2000610541., авт. Ефимов П.Н.
9. Свидетельство на Т.Зн. «ГЕОХИ» № 73781
10. Программа для ЭВМ «INKOVERTI” , регистрационный №2007613636, авт А.М. Долгоносов, Прудковский А.Г..
11. Патент № 74480 на полезную модель "Устройство для определения степени запаха" автора Б.К. Зуев
12. Патент РФ №2126722 "Планетарная центрифуга для противоточной хроматографии", авт. Б.Я. Спиваков и др.;
13. Патент РФ № 2081669, Способ выделения элементов из природных объектов, Т.А. Марютина и др.;
14. Патент РФ №2138149 "Способ получения раствора минеральных удобрений на основе минерализованной и/или пресной воды и установка для его осуществления", авт. Р.Х. Хамизов и др.;
15. Патент РФ № 2089511, Способ комплексной переработки морской воды, авт. Р.Х. Хамизов  и др.;
16. Патент РФ №2161810 "Сейсмический излучатель и его варианты", ав. Ефимов П.Н. и др.;
17. Патент РФ №2110061, “Сенсор паров аммиака”, авт. А.Н. Могилевский и др.;
18. Патент РФ 2114423, “ Сенсор паров несимметричного диметилгидразина”, авт. А.Н. Могилевский и др.;
19. Патент РФ №2119662 "Сенсор паров ароматических углеводородов " авт. А.Н. Могилевский и др.;
20. Патент РФ № 2176788 " Способ сорбционного контроля загрязнения водных объектов" , авт. Агафонова Ю.В. и др.;

2009 год
1. Патент РФ № 2282180, Устройство формирования термолинзы для термолинзовой спектроскопии, авт. Б.К. Зуев и  Лонцов В.В.;
2. Патент № 2221242, Способ определения следовых количеств осмия в природных и технологических объектах, авт. Кощеева И.Я. и др.;
3. Патент РФ 2117275 "Анализатор паров и газов" авт. А.Н. Могилевский и др.
4. Патент РФ №2135987 " Кулонометрическая установки с контролируемым потенциалом", авт. А.Н. Могилевский и др.;
5. Патент РФ № 2145707 «Пьезорезонансный анализатор паров и газов».авт. А.Н. Могилевский и др.;
6. Патент № 2104969, Способ комплексной переработки морской воды и установка для его осуществления, авт. Р.Х. Хамизов и др.;
7. Патент РФ №2126722 "Планетарная центрифуга для противоточной хроматографии", авт. Б.Я. Спиваков и др.;
8. Патент РФ №2119662 "Сенсор паров ароматических углеводородов " авт. А.Н. Могилевский и др.;
9. Патент РФ №2138149 "Способ получения раствора минеральных удобрений на основе минерализованной и/или пресной воды и установка для его осуществления", авт. Р.Х. Хамизов и др.;
10. Патент РФ № 2176788 " Способ сорбционного контроля загрязнения водных объектов", авт. Агафонова Ю.В. и др.;
2010 г.

1. Патент № 2104969, Способ комплексной переработки морской воды и установка для его осуществления, авт. Р.Х. Хамизов и др.;
2. Патент № 84566, Устройство для определения содержания органических веществ в жидких и газовых образцах, авт. Б.К. Зуев
3. Патент РФ 2117275 "Анализатор паров и газов" авт. А.Н. Могилевский и др.
4. Патент РФ № 2282180, Устройство формирования термолинзы для термолинзовой спектроскопии, авт. Б.К. Зуев и Лонцов В.В. ;
5. Патент № 86013, Устройство для термолинзовой спектрометрии, авт. Б.К. Зуев
6. Патент РФ 2400846 "Способ растворения некондиционного и отработавшего ядерного топлива" авт. Ю.М. Куляко и др.
7. Патент РФ № 2145707 «Пьезорезонансный анализатор паров и газов».авт. А.Н. Могилевский и др.;
8. Патент РФ № 2384833 "Пассивный пробоотборник", авт. А.П. Новиков и др..
9. Патент РФ № 2381580 "Способ стабилизации жидких высокоактивных высокосолевых отходов", авт. Б.Ф. Мясоедов и др..
10. Патент РФ №2135987 " Кулонометрическая установки с контролируемым потенциалом", авт. А.Н. Могилевский и др.;