Выжать всё
до последнего.
Мышьяк (As, от лат. Arsenicum) — наверное, самый известный мышиный яд — представляет собой мощный канцероген, если находится в неорганической форме. И основная проблема с ним в том, что именно в такой форме он является естественным компонентом земной коры. Его немало в грунтовых водах, отчего и стал причиной глобального кризиса здравоохранения. С угрозой отравления им сталкивается население Бангладеш, Китая, Индии, Мексики, Пакистана, — по некоторым оценкам около 200 миллионов человек.
Дело усложняется ещё и тем, что ядовиты все его соединения, а продолжительное воздействие их высоких концентраций может привести к сердечно-сосудистым заболеваниям, раку мочевого пузыря и лёгких, низкому IQ у детей, общим нарушениям развития нервной системы и смерти. Конечно, прежде чем попасть в дома, вода проходит очистку, но, несмотря эффективность современных методов, они создают другую проблему: утилизация получившегося осадка, богатого мышьяком, сложна и очень дорога. С учётом того, что таких отходов может накапливаться более сотни тонн в год на каждом предприятии очистки, их утилизация становится одной из ведущих статей расходов.
В странах с высоким уровнем дохода наиболее распространённым способом обезвредить концентраты является захоронение на полигонах, однако это дорого, нерационально и приводит к неприемлемым рискам. Авария при перевозке или даже мелкая ошибка во время утилизации этих масс чревата серьёзными выбросами в окружающую среду. Плюс к этому потери ценных ресурсов в виде фосфора — важнейшего питательного вещества, которого так много в отходах очистки грунтовых вод, — добавляют поводов озаботиться судьбой таких отходов. Мало того, в Южной Азии, распространены ещё более опасные методы утилизации: одна из них — открытая, то есть непосредственно в поверхностных водах и почвах. Таким образом, методы утилизации столь опасных химикатов уже давно являются проблемой с точки зрения регулирования, экономики и экологии.
Однако мышьяк переживает возрождение. В 2022 США, а в 2023 и ЕС, отметили мышьяк как критически важное сырьё (КВС) из-за роли металлического мышьяка в материалах, необходимых для цифровой инфраструктуры, включая генеративный ИИ, и систем экологически чистой энергии при отказе от ископаемого топлива. И вот недавно исследователи из Геологической службы Дании и Гренландии (GEUS) Кайфэн Ван и Кейс ван Генухтен предложили новый двухэтапный процесс преобразования «опасного ила» в полезное для электроники, аккумуляторов и полупроводников сырьё.
«Мы, конечно, не были уверены, что наш метод сработает, — признаётся Кейс ван Генухтен, старший научный сотрудник GEUS и автор статьи, недавно опубликованной в Science Advances. — Это поле для экспериментальных исследований. Видеть, как это работает на практике, и работать с аморфным мышьяком, который теперь можно протестировать для использования в технологии, абсолютно потрясающе».
Чтобы извлечь мышьяк из осадочного концентрата, учёные разработали двухэтапный процесс. Сперва происходит так называемая щелочная экстракция: промывание осадка в растворе сильной щёлочи разрушает химические связи между мышьяком, фосфатом и оксидами железа, которые добавлялись на этапе очистке грунтовых вод. Когда же освобождённые друг от друга мышьяк и фосфор растворятся, следует нагрев всей смеси с добавлением безопасного диоксида тиомочевины, призванного собрать весь растворённый мышьяк в чистые твёрдые наночастицы металлического элемента. Завершается второй этап — этап рафинирования или избирательного восстановления — извлечением оставшихся фосфатов, которое можно довольно легко осуществить с помощью кальция.
Чтобы разработать и протестировать свой метод, исследователям пришлось привести в лабораторию несколько килограммов отходов целого ряда водоочистных установок из Дании, Бельгии и США. На этих предприятиях используется несколько различных методов очистки, но количество мышьяка в оставляемых осадках остаётся для них общим и вполне сопоставимым.
«Различные образцы мышьяка и разные методы очистки означали, что осадок в наших экспериментах был достаточно разнороден по структуре и составу для того, чтобы мы могли протестировать оба этапа нашего метода и определить, работает ли он лучше в одних условиях, чем в других», — поясняет доктор ван Генухтен.
Это важная часть работы, открывающая новому методу возможность вырасти из пробирки и покинуть лабораторию для полноправного внедрения на водоочистные сооружения по всему миру. Не только результаты, но и сам процесс разработки технологии позволяет наиболее реалистично оценить, с какими методами очистки воды и типами отходов целесообразно использовать данный метод.
«Мы <…> должны обеспечить стабильность As(0) [металлического мышьяка], чтобы он не ускользнул от нас в новом соединении. Можно сказать, что мы изобрели процедуру, которая гарантирует, что химические "дебаты" закончатся тем, что вы получите все As(0) до последнего», — подытоживает учёный.
Кстати, сегодня металлический мышьяк (α-As или As(0)) — единственное соединение арсеника, торговля которым отслеживается в ЕС. Это означает, что его рынок уже сформирован. Спрос на эту форму обусловлен его ролью в производстве многих промышленно значимых и дорогостоящих продуктов: аккумуляторов, сплавов и полупроводников, содержащих арсенид галлия или индия и даже гипотетический арсенен, который может представлять собой полупроводник с малой шириной запрещённой зоны.
«Сравнения промышленного мышьяка и полученного нами показывают, что наш мышьяк находится в твёрдом состоянии, но он аморфный, а не кристаллический, — говорит автор работы. — Даже если аморфный мышьяк не будет лучше, например, для полупроводников, не составит проблем преобразовать его в мышьяк с более кристаллической структурой, известный нам в промышленности».
Таким образом, пусть новая двухэтапная технология воспроизводится пока только в лаборатории, разработка наиболее экономичной и эффективной промышленной её реализации и масштабирования уже имеет спрос по всему миру. Исходя из этого, исследователи видят в своей технологии революционный потенциал для водного сектора. И действительно, она может изменить глобальные цепочки поставок As, а доход от переработки — помочь улучшить сложную экономическую ситуацию с очисткой воды в регионах, подверженных массированному воздействию мышьяка. Как только проблемы метода будут решены, очистные предприятия получат новый виток развития. Продажа добываемого элемента с одной стороны позволит провести обновления систем очистки грунтовых вод, а с другой — даже вызовет необходимость этого. Таким образом увеличится не только сама добыча полуметалла, но и эффективность очистки, играющей столь важную роль в здоровье человека и окружающей среды.
«Эта работа может стать катализатором ранее невообразимого сценария, при котором тот же загрязнитель, ставший причиной „крупнейшего массового отравления в истории человечества“ [по данным Бюллетеня Всемирной организации здравоохранения от 2000 года], может превратиться в товар, обеспечивающий повышение экономического благосостояния местных сообществ», — заявляется в статье.