Сибирские ученые разрабатывают новые технологии для очистки воды

Сотрудники лаборатории инженерной экологии Байкальского института природопользования СО РАН (Улан-Удэ) создают комбинированные методы для очистки сточных и других вод. Эти методы основаны на применении окислительных реакций с использованием физически стимулированных процессов.

«Наши технологии водоочистки являются комбинацией уже известных способов — причем с очень хорошим результатом. Окислительные методы в сочетании с методами физического воздействия на воду (акустической, гидродинамической кавитации и ультрафиолетового излучения) дают синергический эффект. Иначе говоря, если по отдельности они работают на “единичку”, то при комбинированном воздействии, например химического окисления и ультрафиолетового излучения, получается большее число, что повышает энергоэффективность», — рассказывает научный сотрудник лаборатории инженерной экологии БИП СО РАН кандидат химических наук Денис Геннадьевич Асеев.

В лаборатории разработаны способы окислительной деструкции органических загрязнителей природных и сточных вод, в том числе микрополлютантов, — эти синтетические вещества являются компонентами и отходами производства пластмасс и смол, бытовой химии и тому подобного. «Поскольку концентрация органических микрополлютантов очень мала, порядка микро- и нанограммов на литр, они транзитом проходят через системы водоочистки и могут оказаться в питьевой воде. К тому же эти вещества способны поступать в поверхностные водные объекты и через них — в подземные воды. Опасность в том, что, попадая в организм, органические микрополлютанты негативно влияют на здоровье человека, в частности нарушают функции эндокринной системы»,— отмечает заведующая лабораторией инженерной экологии БИП СО РАН доктор технических наук Агния Александровна Батоева.

Для того чтобы полностью нейтрализовать вредное воздействие этих веществ, сотрудники БИП СО РАН используют методы окислительной деструкции с применением физически стимулированных процессов. Например, ученые использовали экологически чистые окислители (пероксид водорода или персульфаты), в качестве катализаторов — ионы железа или наночастицы оксида железа, закрепленные на слоистых алюмосиликатных матрицах. Окислительные процессы они комбинировали с фотоактивацией при помощи солнца или эксимерных ламп, разработанных в Институте сильноточной электроники СО РАН (Томск).

«Ультрафиолетовая часть светового спектра воздействует на раствор, в котором образуются свободные радикалы. Таким образом, начинаются фотохимические процессы, — рассказывает Денис Асеев. — Суть окислительных методов заключается в работе свободных радикалов, в первую очередь гидроксильных, которые получаются при химическом и физическом воздействии. Именно они ответственны за окисление токсичных органических молекул и перевод их в более безопасные формы. Прежде всего, наша работа нацелена на то, чтобы оптимизировать физико-химические процессы, и чем больше радикалов мы можем получить, тем лучше. Также ведутся теоретические исследования».

Получать свободные радикалы можно не только при воздействии ультрафиолета, но и посредством акустической или гидродинамической кавитации. Метод работает следующим образом: через специальное устройство под большим давлением пропускается водный раствор, возникают разрывы сплошности среды, и при их коллапсе образуются радикалы. Эта технология известна давно, но ученые пытаются оптимизировать ее для очистки воды в совокупности с химическими методами. Кроме того, разрывы сплошности среды можно создавать с помощью ультразвука. Обычно при его использовании применяются низкие частоты 22—44 кГц, однако исследователи БИП СО РАН попробовали работать с более высокими частотами мегагерцового диапазона (1,7 МГц), используя пьезокерамические излучатели, что позволило значительно повысить кавитационный выход и, следовательно, увеличить энергоэффективность метода.

Лампы, при помощи которых идет фотоактивация

Также ученые работают с загрязнителями неорганической природы (цианидсодержащими веществами), попадающими в сточные воды от предприятий по переработке золотосодержащих руд и флотоконцентратов —концентратов, получаемых при обогащении полезных ископаемых методом флотации. Другое направление деятельности лаборатории — одновременная деструкция биорезистентных органических загрязнителей воды и обеззараживание содержащейся в ней патогенной микрофлоры с помощью современных источников света.

Ученые подчеркивают, что сейчас речь идет прежде всего о лабораторных исследованиях. В перспективе разработки можно будет использовать для очистки воды на городских очистных сооружениях, на промышленных предприятиях и так далее.

Исследования по созданию инновационных методов очистки природных и сточных вод проводятся не только в рамках госзадания, но и при поддержке грантов РНФ и РФФИ. В 2019 году сотрудниками лаборатории опубликованы три статьи в высокорейтинговых международных журналах, входящих в первый квартиль Q1 WоS.

«Мы живем в буферной экологической зоне — всё, что здесь производится, в итоге оказывается в Байкале. В нашем регионе не посыпают солью дороги, хотят отказаться от фосфатсодержащих поверхностно-активных моющих веществ, от полиэтиленовых упаковок и разовой посуды. К очистке воды здесь требования жестче, чем в других регионах России», — рассказывает Агния Батоева. Исследовательница подчеркивает, что пока экологические запросы сильно опережают современное развитие технологий: «Национальный проект “Экология” на период с 2019 по 2024 год содержит несколько пакетов проектной документации с требованиями для очистных сооружений населенных пунктов, где есть централизованная канализация. Однако на данный момент нет технологий, которые позволили бы достичь таких жестких показателей. Те же, которые удовлетворят требованиям, очень дороги, чтобы их использовать повсеместно».