Новый способ очистки растворов от мышьяка при помощи отходов алюминиевого производства разработали ученые Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург). Авторы инновационной технологии описали ее в журнале Minerals.
Мышьяк является одним из самых сильных ядов и канцерогенов. Это побочный продукт производства тяжелых цветных металлов, например, меди. Он содержится в металлургических отходах — шлаках, пыли — и представляет опасность для людей и окружающей среды. На юге Индии и в Бангладеш мышьяк, в высокой концентрации содержащийся в питьевой воде, является причиной смерти более чем 20 % населения. Таким образом, остро стоит задача нахождения способов извлечения мышьяка из воды и растворов для его дальнейшей переработки.
В качестве материала для адсорбции мышьяка ученые предложили красные шламы — отходы переработки бокситовой руды для получения глинозема, сырье для производства алюминия (красный цвет шламам придает оксид железа). Как известно, бокситы лишь наполовину состоят из компонентов, полезных для алюминиевой промышленности, остальные примеси переходят в отходы. Поэтому один алюминиевый завод ежегодно вырабатывает более миллиона тонн красных шламов. При этом их утилизация технологически сложна и экономически неэффективна из-за насыщенности щелочными металлами, кальцием и натрием, участвующими в выделении глинозема из боксита. Поэтому шламоотвалы занимают огромные территории, представляя собой потенциальную экологическую угрозу (так, в 2010 году в Венгрии прорыв шламоотвала привел к утечке более миллиона тонн красного шлама, гибели 10 человек и загрязнению Дуная).
«Решая проблему повышения эффективности переработки бокситов, мы обнаружили, что, варьируя температуру процесса обработки боксита каустической щелочью, можно получить красные шламы с различными физическими свойствами — например, магнитными. Кроме того, увеличивается удельная площадь поверхности, то есть частицы становятся мельче. Появилось предположение, что перед нами нанодисперсные частицы маггемита, магнитной модификации оксида железа, одной из составляющих красных шламов», — рассказывает научный сотрудник кафедры металлургии цветных металлов УрФУ Андрей Шопперт.
В растворе, в том числе в воде, мышьяк присутствует в виде анионов, отрицательно заряженных частиц, а частицы маггемита заряжены положительно, поэтому они притягивают и удерживают частицы мышьяка. Поскольку маггемит обладает магнитными свойствами, не нужно прибегать к фильтрации раствора — можно отделять от него образующиеся соединения маггемита и мышьяка с помощью внешнего источника магнитного поля. Таким образом, процесс адсорбции мышьяка упрощается и удешевляется.
«У маггемита есть так называемая “точка нулевого заряда”, — отмечает Шопперт. — В кислой среде, когда водородный показатель кислотности ph ниже данного значения, маггемит притягивает мышьяк, а если ph выше точки нулевого заряда, то есть в щелочной среде, маггемит отдает мышьяк в раствор и регенерируется. Благодаря этой особенности можно сначала концентрировать мышьяк в растворе, а затем переводить в нерастворимую форму для последующей утилизации. А регенерированный шлам пригоден для повторного использования. И так в течение примерно десяти циклов».
Ученые университета установили, что наибольшую эффективность в удалении мышьяка показали красные шламы, полученные путем сплавления бокситов с каустической щелочью при температуре 300 и 500 градусов Цельсия. В этих режимах 1 грамм красного шлама поглощает более 30 миллиграммов мышьяка, что сравнимо с эффективностью специально синтезируемых, дорогостоящих сорбентов. Зарубежные рецензенты положительно оценили метод, предложенный учеными УрФУ.
УрФУ — участник Проекта 5-100, ключевым результатом которого должно стать появление в России к 2020-му году современных университетов-лидеров с эффективной структурой управления и международной академической репутацией, способных задавать тенденции развития мирового высшего образования.
