Разработчики Южно-Уральского государственного университета ориентировались на экономическую эффективность, простоту изготовления и применения новых экологичных сорбентов, которые позволят в десятки раз сократить промышленные затраты на очистку загрязненной воды.
Прежде чем промышленные стоки попадут в водную среду и почву, они проходят на предприятии предварительную многоэтапную очистку от больших концентраций токсичных элементов (марганец, медь, цинк, свинец, никель, мышьяк и др.). Однако с низкими концентрациями катионов загрязнителей (которые установлены нормативными требованиями к промышленным стокам при сбросе в природные водоёмы) оборудование не справляется без дорогостоящих вспомогательных установок.
Научный коллектив кафедр «Материаловедение и физикохимия материалов» и «Строительные материалы и изделия» ЮУрГУ разработал уникальные сорбенты для доочистки промышленных сточных вод от малых концентраций загрязнителей. Изготовленные из природных материалов, такие сорбенты становятся экологичной, экономически выгодной и более эффективной альтернативой специальному оборудованию стоимостью в десятки миллионов рублей.
Гранулированный композиционный сорбент материаловеды университета изготовили из природного сырья на основе силикатов и алюмосиликатов кальция. Такой сорбент предназначен для очистки от техногенных загрязнений сточных и ливневых вод, а также для реабилитации природных водоёмов. От стандартных способов фильтрации действие разработанного материала отличается большей эффективностью, поскольку возможна стопроцентная очистка воды от неорганических и органических соединений в широком интервале концентраций ионов загрязнителей. Для активации поверхности сорбентов не требуются технологические операции с химическими реагентами, что предотвращает вторичное загрязнение окружающей среды. Процесс глубокой очистки воды реализуется по двум механизмам: ионного обмена и эпитаксиального осаждения.
В процессе разработки сорбентов ученые создали новую структурную форму из природных силикатов и алюмосиликатов кальция и магния. Оказалось, что выбранное сочетание компонентов обеспечивает уникальный механизм работы гранул.
«Когда гранулы попадают в загрязненную воду, внутри них начинается движение атомов, – объясняет доцент кафедры материаловедения и физикохимии материалов ЮУрГУ Татьяна Лонзингер. – Этому способствуют химические элементы, находящиеся в воде: они изменяют энергию на поверхности гранул, из-за чего атомы сорбента начинают перемещаться и выходят в воду, которую нужно очистить. К освободившимся ячейкам внутри гранулы притягиваются загрязнители, встраиваясь в твердую кристаллическую решетку материала. После того, как все катионы тяжёлых металлов встроятся в структуру гранул, атомы кальция вернутся из раствора к поверхности материала и закроют загрязнители внутри. Извлечь загрязнители из гранул при обычных условиях невозможно, а, значит, исключено вторичное загрязнение окружающей среды – такие отработавшие гранулы абсолютно безопасны и их не нужно утилизировать».
У нового сорбента на основе алюмосиликата кальция есть ещё одно важное преимущество: он удаляет тяжёлые металлы из воды комплексно, а не избирательно (как известные сорбенты), и его эффективность не зависит от концентрации загрязнителей.
В комплексе с композиционным сорбентом ученые изготовили гранулированный регулятор щелочности на основе алюмосиликатов магния. Работая вместе с новым кальциевым сорбентом, регулятор щелочности повышает эффективность фильтрующего материала. Дело в том, что некоторые загрязнители (например, марганец) можно удалить из воды только при высоких значениях водородного показателя (pH) в воде. Для повышения pH очищаемой воды сегодня используют жидкую щелочь, что дорого (необходимо использовать специальные устойчивые материалы и оборудование) и требует особых мер предосторожности при ее транспортировке, хранении и использовании. Растворимые гранулы для регулирования щелочности отличаются экологической безопасностью, дешевизной и высокой эффективностью: материал в два раза повышает степень поглощения катионов тяжёлых металлов при очистке воды, и при этом исключает стадию дорогой и вредной реагентной (химической) активации неорганических сорбентов; уменьшает количество необходимого оборудования для подготовки и подачи реагентов, снижая эксплуатационные затраты. К тому же необходимое количество гранулированного регулятора щёлочности составляет всего 0,3–7 % от массы фильтрующего материала.
Новые щелочные гранулы применимы в технологии очистки природных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения, для доочистки бытовых и промышленных стоков, а также в системах водоподготовки ТЭС. Они могут использоваться самостоятельно в технологиях осаждения загрязнителей или комплексно вместе с сорбентом на основе соединений кальция.
Сорбционные материалы разрабатываются учеными университета в рамках программы «Приоритет-2030» по стратегическому проекту № 3 «Экосреда постиндустриальной агломерации».