Красноярские учёные разработали оригинальный способ эффективно использовать отходы угольной промышленности

Исследователи Красноярского научного центра СО РАН предлагают делать из угольной золы специальные мембранные фильтры для очистки воды. Учёные уже представили результаты работы коллегам — опубликовали итоги в профильном научном издании, а также поделились своими изысканиями с «Городскими новостями».

Качество ресурса

Чистая вода — основа жизни, грязная — источник проблем. Чтобы понимать это, необязательно быть учёным. С раннего возраста ребятишки знают, что пить можно не любую воду. Качество этого важного для человеческой жизни ресурса часто бывает низким из-за загрязнения промышленными выбросами и бытовыми отходами, которые включают тяжёлые металлы, нефтепродукты, пестициды, гербициды, соединения азота и фосфора. Также вода бывает заражена бактериями и вирусами, вызывающими инфекционные заболевания. Более того, загрязнение источника жизни может приводить к гибели живых организмов и разрушению целых экосистем.

Учитывая стремительный рост экономики, который приводит к увеличению вредных выбросов, попадающих в том числе в реки, озёра и моря, человечеству нужно решать глобальную проблему — искать эффективные и недорогие способы очистки сточных вод. Как отмечают в Красноярском научном центре Сибирского отделения Российской академии наук (КНЦ СО РАН), сейчас в этом процессе чаще всего используют мембранные технологии. Фильтры на основе мембран удаляют загрязнители, задерживают микрочастицы и на выходе дают чистую воду.

Оптимальное сочетание

Стоит пояснить, что мембрана — это плёнка или пластина, одним из основных свойств которой является избирательная проницаемость. В качестве примера можно привести мембранные ткани. Их сейчас используют в изготовлении спортивной и туристической одежды: одна сторона этих материалов водонепроницаемая, а другая, наоборот, хорошо отводит влагу от тела и позволяет человеку чувствовать себя комфортно в любую погоду.

Мембраны, применяемые для фильтрации воды, имеют массу преимуществ по сравнению с другими способами очистки. Они отличаются низким энергопотреблением, их применение не требует химических реагентов. Кроме того, мембраны характеризуются высокой селективностью — способностью удалять максимальное количество примесей.

Однако в данной методике существует ещё масса задач, решение которых требует активного участия учёных. Так, по словам специалистов КНЦ СО РАН, существующие мембраны часто обладают низкой производительностью и дороги в производстве. А значит, нужно искать доступные материалы, которые сделали бы процесс изготовления более дешёвым и эффективным. Самое главное — найти оптимальное сочетание двух принципиальных характеристик таких фильтров — механической прочности и жидкостной проницаемости.

Керамика из топливных отходов

Красноярские учёные считают, что для синтеза мембран можно использовать материалы, которые обыватели назвали бы бросовыми. В качестве основы исследователи взяли микросферы золы — отходы угольной промышленности. Микросферы — это мелкий сыпучий порошок, состоящий из полых алюмосиликатных (то есть содержащих кремний и алюминий) частиц. Учёные считают, что этот компонент угольной золы — ценный материал. Он пригоден для изготовления современных керамических изделий, в том числе мембранных подложек для микро- и даже ультрафильтрации — очистки воды от самых мелких нерастворимых частиц.

Важно, что с материалами для научных экспериментов с мембранами в Красноярске проблем нет. Не будет их и в том случае, если изобретение пойдёт в промышленное производство. Сжигание угля на городских ТЭЦ приводит к образованию большого количества зольных отходов, которые сейчас загрязняют окружающую среду и требуют дальнейшей переработки.

— В золе содержится до 40 процентов дисперсных частиц размером менее 10 микрометров (одна тысячная миллиметра. — Ред.), состоящих преимущественно из алюмосиликатов, — поясняет Елена Фоменко, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН. — Эти частицы относятся к антропогенным загрязнителям атмосферы. Значительного снижения объёма таких отходов можно добиться, вовлекая их в переработку.

Однако, прежде чем использовать алюмосиликатные микросферы в производстве, требуется добыть материал-основу из золы. Для этого используют обжиг и проводят кислотную обработку. Такие процедуры позволяют удалить частицы несгоревшего углерода, оксидов железа, магния и кальция, содержание которых в готовой мембране снижает качество керамики — делает её менее прочной, снижает пористость.

— Наш метод предварительной подготовки материала помогает избежать этих недостатков, — отметила Елена Фоменко. — К тому же малый размер и однородность частиц зольной фракции позволяет исключить энергоёмкую стадию измельчения, традиционно используемую в керамическом производстве, и тем самым предотвращает разрушение микросфер.

Задержит даже ультрамелкий сор

После очистки материала учёные формировали мембраны с помощью прессования и последующего двухчасового обжига порошка в печи при температуре 1 100 градусов Цельсия. В результате исследователи получили плоские фильтры диаметром около 26 и толщиной около трёх миллиметров. За счёт высокой температуры спекания изделия получились прочными, но достаточно пористыми.

Эксперименты с образцами, полученными в КНЦ, показали, что мембраны способны почти на 100 процентов задерживать частицы микрокремнезёма, размер которых равняется примерно одной тысячной миллиметра.

— Керамические мембранные фильтры обладают рядом преимуществ, включая прочность, химическую и температурную стабильность, способность к регенерации и долгий срок службы, — рассказывает Илья Рыжков, доктор физико-математических наук ведущий научный сотрудник Института вычислительного моделирования СО РАН.

По словам Ильи Игоревича, разработанная в Красноярске технология позволяет формировать мембраны из нескольких слоёв, задавать для каждого слоя особый размер отверстий и очищать воду от мелких загрязняющих частиц. Такие фильтры способны удалять до 98 процентов примесей, в итоге помогают получать питьевую воду из загрязнённых или засоленных источников.

— Предложенная нами методика и использование зольных отходов в производстве мембранных материалов позволит снизить выбросы мелкодисперсных микрочастиц в окружающую среду и создать предпосылки для разработки технологий комплексной переработки отходов тепловой энергии, — заключил Илья Рыжков.

Нюанс

Красноярские учёные давно занимаются темой фильтрационных мембран и переработкой золы. Ранее они разработали технологию изготовления стеклокерамики из угольных отходов. Работа наших исследователей в этом направлении получает федеральную поддержку. Так, создание керамических мембран, которое было организовано в рамках государственного задания Института химии и химической технологии СО РАН, красноярцы выполнили при грантовом участии Российского научного фонда.

Материал подготовлен совместно с ФИЦ КНЦ СО РАН при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».

Все фото: Анастасия Тамаровская, предоставлены КНЦ СО РАН