Наука и образование
Красноярские учёные разработали оригинальный способ эффективно использовать отходы угольной промышленности
Материал подготовлен совместно с ФИЦ КНЦ СО РАН при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».
![Красноярские учёные разработали оригинальный способ эффективно использовать отходы угольной промышленности](/media/cache/14/71/1471b37c70adcf438513b9cecaefa28b.webp)
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