Совершенствование технологий опреснения воды и теории ингибирования образования минеральных отложений на мембранах обратного осмоса на основе нового подхода - визуализации ингибиторов путём введения в их молекулы флюоресцентных фрагментов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-79-10220

НазваниеСовершенствование технологий опреснения воды и теории ингибирования образования минеральных отложений на мембранах обратного осмоса на основе нового подхода - визуализации ингибиторов путём введения в их молекулы флюоресцентных фрагментов

Руководитель Ощепков Максим Сергеевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Акционерное общество Научный центр "Малотоннажная химия" , г Москва

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые слова ингибирование солеотложений; обратный осмос; мембраны; визуализация; флуорофоры; деминерализация морских, артезианских и сточных вод; механизм действия ингибитора

Код ГРНТИ70.27.13

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной задачи – выяснение механизма действия ингибиторов при формировании сульфатных и карбонатных отложений на мембранах при обессоливании и опреснении воды в технологиях обратного осмоса. Основными объектами исследования являются новые флюоресцентные ингибиторы, а также механизм формирования отложения в объеме раствора и на поверхности мембран в присутствии полимерных и фосфонатных ингибиторов, содержащих встроенные в их молекулы флюоресцентные фрагменты. Основным методом исследования будет визуализация ингибитора в водной фазе, на кристаллах отложений и на мембране с помощью флюоресцентной микроскопии. Такая постановка решения проблемы формулируется впервые в мировой практике. В ходе реализации Проекта предполагается синтезировать ряд новых, не описанных в литературе флюоресцентных фосфорсодержащих и полимерных ингибиторов на оптической системе 1,8-нафталимида, изучить влияние длины спейсера между фосфонатными и флуорофорными группами на оптические и комплексообразующие свойства, подобрать оптимальное для визуализации содержание флуорофора в составе полимерного ингибитора солеотложения, и применить их, наряду с ранее синтезированными Руководителем проекта аналогами, для визуализации процессов формирования неорганических отложений гипса и кальцита на мембранах в установках обратного осмоса при опреснении и деминерализации воды и дальнейшего развития на этой основе теории ингибирования. Ожидаемыми результатами выполнения Проекта будут: методики синтеза новых флуорофор-содержащих ингибиторов; первые в мире данные по визуализации ингибиторов на мембранах, уточнённая теория действия ингибиторов солеотложений; рекомендации по выбору и дозировке оптимального ингибитора для конкретной технологии. Актуальность Проекта определяется широким применением ингибиторов солеотложений с целью повышения эффективности использования мембран в технологиях обратного осмоса при обессоливании и опреснении морских, артезианских и сточных вод. Актуальность научной проблемы подтверждается широким фронтом исследований, интенсивно ведущихся в настоящее время в России и за рубежом, в США, Франции, Израиле, Китае, Саудовской Аравии, Греции, Италии и других странах. Ежегодно в данной области публикуются сотни работ в специализированных зарубежных и российских журналах. Однако ни одна из исследовательских групп пока не вышла на уровень визуализации ингибитора ни в технологиях обратного осмоса, ни в технологиях водоподготовки. Соответствие результатов исследований мировому уровню и их новизна определяются: - Оригинальным синтезом флуоресцентных фосфорсодержащих и полимерных ингибиторов солеотложения, в том числе - с применением микрофлюидных технологий. - Оригинальностью подхода, связанного с применением флюоресцентных ингибиторов для визуализации процессов, происходящих в установках обратного осмоса; - Применением в ходе реализации Проекта современного научно-исследовательского оборудования и методов исследования, ранее в таком объеме для данной задачи не применявшихся (микрофлюидный реактор, флуориметрия, флюоресцентная микроскопия, счётчик частиц в жидкой фазе); - Наличием у Руководителя публикаций в ведущих высокорейтинговых англоязычных международных журналах, относящихся к первому квартилю Q1 (Synthesis, ChemNanoMat), а также совместных публикаций с зарубежными учёными (Rönkkömäki, Hannu, Финляндия; S. Mancini, Италия); - Востребованностью Результатов Руководителя международным научным сообществом: по данным РИНЦ и SciFinder они неоднократно цитировались независимыми исследовательскими группами из США, Китая, Германии, Южной Кореи, Омана, Египта. Научная новизна связана с синтезом не описанных ранее флуоресцентных соединений с применением микрофлюидных технологий - бифункциональных конъюгатов, содержащих бисфосфонатный или поликарбоксилатный фрагменты, ковалентно связанные с 1,8-нафталимидным флуорофором, обладающих рядом уникальных свойств, а также в получении сведений о закономерностях возникновения флуоресценции в анионных формах этих соединений, в частности – данных о влиянии длины спейсера между флуорофорной и бисфосфоновой группой, а также заместителей в нафталимидном фрагменте на оптические характеристики целевой молекулы. Не меньшую новизну будут представлять данные по контрастированию мембран для обратного осмоса и образующихся на них отложений. Это, несомненно, позволит существенно продвинуться в понимании механизмов формирования отложений и в разработке стратегий борьбы с ними. Более глубокое понимание механизмов действия ингибиторов солеотложений позволит уточнить современную теорию ингибирования, сократить сроки создания новых, более эффективных и экономичных ингибиторов солеотложений, а также оптимизировать условия их применения при опреснении воды.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. М.Ощепков, С.Ткаченко, К.Попов Synthesis and applications of fluorescent-tagged scale inhibitors in water treatment. A review INTERNATIONAL JOURNAL OF CORROSION AND SCALE INHIBITION, 8, no. 3, 480-511 (год публикации - 2019)
10.17675/2305-6894-2019-8-3-2

2. Ощепков М.С., Камагуров С.Д., Ткаченко С.В., Попов К.И., Рудакова Г.Я., Тушева М.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИМЕРНОГО ИНГИБИТОРА СОЛЕОТЛОЖЕНИЯ, СОДЕРЖАЩЕГО ФЛУОРЕСЦЕНТНУЮ МЕТКУ. СТЕНДОВЫЕ И ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ VIII НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОДОПОДГОТОВКИ И ЗАЩИТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ОТ КОРРОЗИИ И НАКИПЕОБРАЗОВАНИЯ» в рамках Международной выставки «ХИМИЯ-2019» «ЭКСПОЦЕНТР» на Красной Пресне, стр 36-40 (год публикации - 2019)

3. Максим Ощепков , Владимир Головесов, Анастасия Рябова, Анатолий Редчук, Сергей Ткаченко, Алексей Первов, Константин Попов Gypsum Crystallization during Reverse Osmosis Desalination of Water with High Sulfate Content in Presence of a Novel Fluorescent-Tagged Polyacrylate Crystals, 10, 309, 2-16 (год публикации - 2020)
10.3390/cryst10040309

4. Максим Ощепков, Инна Соловьева, Алексей Меньков, Сергей Ткаченко, Владимир Удовенко, Константин Попов Continuous flow microfluidic implementation of a fluorescent marker into a polyacrylate moiety Journal of Flow Chemistry (год публикации - 2020)
10.1007/s41981-020-00093-7

5. Ощепков М.С., Камагуров С.Д., Ткаченко С.В., Рудакова Г.Я., Коваленко А.Э. НОВЫЙ ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ ИНГИБИТОР СОЛЕОТЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОЙ ВОДОПОДГОТОВКЕ II Научно-практический семинар "Люминесценция и ее применение в народном хозяйстве" (год публикации - 2020)

6. Максим Ощепков, Константин Попов A New Look at the Scale Inhibition Mechanisms and Some Refinement of the Scale Inhibition Theory CORROSION 2020, Houston (год публикации - 2020)

7. Максим Ощепков, Владимир Головесов, Сергей Ткаченко, Алексей Первов, Константин Попов Synthesis and Applications of Novel Fluorescent-Tagged Scale Inhibitors in Water Treatment CORROSION 2020, Houston (год публикации - 2020)

8. Александр Ощепков, Максим Ощепков, Галина Павлова, Анастасия Рябова, Семен Камагуров, Сергей Ткаченко, Светлана Фролова, Анатолий Редчук, Константин Попов, Евгений Катаев Naphthalimide-functionalized bisphosphonates for fluorescence detection of calcification in soft tissues Sensors and Actuators, B: Chemical (год публикации - 2020)
10.1016/j.snb.2020.128047

9. Головесов В.А., Ощепков М.С. Первов А.Г., Ткаченко С.В., Попов К.И. Визуализация процесса ингибирования солеотложений при опреснении воды с помощью установок обратного осмоса Международный молодежный научный форум «Ломоносов-2020» (год публикации - 2020)

10. Ощепков А., Ощепков М., Камагуров С., Редчук А., Ощепкова М., Попов К., Катаев Е. Fluorescence detection of phosphonates in water by a naphthalimide-based receptor and its derived cryopolymers New Journal of Chemistry, 44(28), с. 12113-12121 (год публикации - 2020)
10.1039/D0NJ01734E

11. Ощепков Максим, Соловьева Инна, Меньков Алексей, Ткаченко Сергей, Удовенко Владимир, Попов Константин Continuous flow microfluidic implementation of a fluorescent marker into a polyacrylate moiety Journal of Flow Chemistry, Vol 10, P 545–550 (год публикации - 2020)
10.1007/s41981-020-00093-7

12. Попов К., Ощепков М., Коваленко А., Редчук А., Дикарева Ю., Почиталкина И. Scale nucleation natural precursors: a case study of “micro/nanodust” impurities nature in laboratory aqueous samples obtained from Moscow tap water International Journal of Corrosion and Scale Inhibition, 9, no. 3, 1097–1112 (год публикации - 2020)
10.17675/2305-6894-2020-9-3-20

13. Максим Ощепков, Владимир Головесов, Анастасия Рябова, Светлана Фролова, Сергей Ткаченко, Семен Камагуров, Галина Рудакова, Константин Попов Synthesis and Visualization of a Novel Fluorescent-Tagged Polymeric Antiscalant during Gypsum Crystallization in Combination with Bisphosphonate Fluorophore Crystals, 10, 992-1008 (год публикации - 2020)
10.3390/cryst10110992

14. Ощепков Максим, Головесов Владимир, Рябова Анастасия, Ткаченко Сергей, Редчук Анатолий, Рёнккёмяки Ханну, Рудакова Галина, Первов Алексей, Попов Константин Visualization of a novel fluorescent-tagged bisphosphonate behavior during reverse osmosis desalination of water with high sulfate content Separation and Purification Technology, 255, 117382 (год публикации - 2021)
10.1016/j.seppur.2020.117382

15. Камагуров С.Д., Ощепков М.С., Ощепкова М.В., Попов К.И., Ткаченко С.В. ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ СЕНСОРНЫЙ КРИОГЕЛЬ ДЛЯ АНАЛИЗА ИНГИБИТОРОВ СОЛЕОТЛОЖЕНИЯ В ВОДОПОДГОТОВКЕ Восьмая Всероссийская Каргинская конференция «Полимеры в стратегии научно-технического развития РФ «Полимеры-2020» : сборник тезисов. М.: Химический факультет МГУ им. М.В Ломоносова, 2020, стр 511 (год публикации - 2020)

16. Дикарева Ю.М., Ткаченко С.В., Удовенко В.А., Соловьева И.Н., Ощепков М.С. Синтез флуоресцентных ингибиторов солеотложения с применением микрофлюидной технологии Восьмая Всероссийская Каргинская конференция «Полимеры в стратегии научно-технического развития РФ «Полимеры-2020» : сборник тезисов. М.: Химический факультет МГУ им. М.В Ломоносова, 2020. -С. 469. (год публикации - 2020)

17. Ощепков М., Попов К., Коваленко А., Редчук А., Дикарева Ю., Почиталкина И. Initial Stages of Gypsum Nucleation: The Role of “Nano/Microdust” Minerals, Vol.10, № 12, P. 1083-1096 (год публикации - 2020)
10.3390/min10121083

18. Ощепков М.С.,Рудакова Г.Я., Ткаченко С.В., Ларченко В.Е., Попов К.И., Тушева М.А. Современное состояние теории действия ингибиторов солеотложений (обзор) Теплоэнергетика, № 5, стр 43-55 (год публикации - 2021)

19. Коваленко А.Э., Ощепков М.С., Дикарева Ю.М., Ткаченко С.В. Влияние нано/микропримесей, содержащихся в воде и исходных рассолах, на процесс кристаллизации сульфата кальция XXVIII Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов 2021", МГУ им. М.В. Ломоносова, "Перо", г. Москва, 932 (год публикации - 2021)

20. Павлов В. А., Ощепков М. С., Соловьева И. Н Применение микрофлюидных технологий для синтеза 4-хлор-1,8-нафталевого ангидрида Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2020», Москва, "Перо" (год публикации - 2020)

21. Ощепков М.С. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ ФЛУОРЕСЦИРУЮЩИХ ИНГИБИТОРОВ СОЛЕОТЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ВОДООБОРОТНЫХ СИСТЕМ И УСТАНОВОК ОБРАТНОГО ОСМОСА докторская диссертация, на правах рукописи, г. Москва, 2021г, с 276 (год публикации - 2021)

22. Семен Камагуров, Максим Ощепков, Сергей Ткаченко, Константин Попов Novel fluorescent-tagged polymeric and bisphosphonate antiscalants for gypsum crystallization visualization 23rd International Conference on Phosphorus Chemistry, 23rd International Conference on Phosphorus Chemistry, 2021, P-102 (год публикации - 2021)

23. С.Д. Камагуров, М.С. Ощепковa, М.В. Ощепкова ,С.В. Ткаченко Флуоресцентный сенсорный криогель на фосфорсодержащие ингибиторы солеотложения XXVIII Международная Чугаевская конференция по координационной химии , Туапсе, Ольгинка, Краснодарский край, Россия, XXVIII Международная Чугаевская конференция по координационной химии, 2021, с 267 (год публикации - 2021)

24. Максим С. Ощепков, Константин И. Попов Chapter 35 - Mechanisms of scale inhibition derived from a fluorescent-tagged antiscalant visualization Water-Formed Deposits Fundamentals and Mitigation Strategies, Elsevier, Pages 765-782 (год публикации - 2022)
10.1016/B978-0-12-822896-8.00024-8

25. Максим С. Ощепков, Сергей В.Ткаченко, Константин И.Попов Chapter 31 - Synthesis, properties, and applications of novel fluorescent-tagged scale inhibitors in water treatment Water-Formed Deposits Fundamentals and Mitigation Strategies, Elsevier, 2022,, Pages 675-695 (год публикации - 2022)
10.1016/B978-0-12-822896-8.00027-3

26. Попов Константин, Ощепков Максим, Первов Алексей, Головесов Владимир, Рябова Анастасия, Трухина Мария, Ткаченко Сергей A Case Study of Calcium Carbonate Crystallization during Reverse Osmosis Water Desalination in Presence of Novel Fluorescent-Tagged Antiscalants MDPI, Membranes, 12,2, 194-199 (год публикации - 2022)
10.3390/membranes12020194

27. ОЩЕПКОВ М.С., ТРУХИНА М.В., ПОПОВ К.И. УТОЧНЕНИЕ ТЕОРИИ ДЕЙСТВИЯ ИНГИБИТОРОВ СОЛЕОТЛОЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ФЛУОРЕСЦЕНТНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ Сборник докладов IX научно-практической конференции, в рамках Международной выставки "ХИМИЯ-2021". Москва, стр 18 (год публикации - 2021)

28. М. Трухина, К. Попов, М. Ощепков, С. Ткаченко, А. Воробьева, Г. Рудакова Impact of colloidal iron hydroxide and colloidal silicon dioxide on calcium sulfate crystallization in the presence of antiscalants Int. J. Corros. Scale Inhib., 11, no. 3, 1147–1171 (год публикации - 2022)
10.17675/2305-6894-2022-11-3-15

Публикации