Химики СПбГУ нашли способ ускорить промышленную водоочистку в шесть раз

В пробирках порошки наночастиц в окрашенных красителями растворах. Фото: пресс-служба СПбГУ

Почти все промышленные компании используют воду в рабочем процессе, поэтому они обязаны иметь сооружения для водоочистки. В России сегодня спрос на них повышен. Так как страна идет по пути импортозамещения, появляются новые предприятия, а старые постоянно наращивают мощности.

«Современные реагенты для очистки воды не всегда хорошо справляются со своей задачей, поэтому в окружающую среду попадают вредные вещества. Некоторые из них могут сильно навредить экосистеме. Так, например, соединения железа из стоков способны провоцировать дефицит кислорода в водоемах и, как следствие, вызывать гибель рыбы», — рассказала Ксения Ильинична Мешина, магистрант первого года обучения (программа «Химия»), член научной группы «Синтез и исследование наночастиц и наноструктурированных материалов».

По ее словам, ученые СПбГУ разработали реагенты, которые позволят лучше очищать сточные воды и помогут предотвратить негативное влияние на экологическую обстановку, а также продлить жизнь современным водоочистным сооружениям.

Материалы, созданные исследователями, представляют собой композиты с полимерной матрицей из альгината натрия, в которой содержатся наночастицы из гидроксиапатита или оксида цинка. Их свойства позволяют взаимодействовать с загрязняющими сточную воду веществами, такими как ионы металлов, лекарственные соединения, гормоны и красители, и либо поглощать их, либо разлагать с образованием безопасных для природной среды углекислого газа и воды.

«Механизм действия зависит от метода очистки и основного компонента материала», — подчеркнула Ксения Мешина. Так, композиты с гидроксиапатитом подходят для сорбции (избирательного поглощения других веществ. — Прим. ред.). Они обходят другие соединения по сорбционной способности — в частности, лучше адсорбируют некоторые металлы. «Например, у многих используемых сегодня сорбентов очень низкая активность в отношении мышьяка. Созданные нами наночастицы хорошо с ним справляются», — рассказала Ольга Михайловна Осмоловская, доцент СПбГУ (кафедра общей и неорганической химии), руководитель научной группы «Синтез и исследование наночастиц и наноструктурированных материалов».

Наночастицы с оксидом цинка обладают двойным действием. «Они способны как сорбировать загрязнители, так и под воздействием видимого или ультрафиолетового света могут их разлагать, то есть применимы для очистки воды методом фотокатализа», — пояснила Ксения Мешина.

По словам Ольги Осмоловской, главное преимущество всех разработанных материалов в том, что их можно быстро видоизменить для нейтрализации как уже известного, так и нового загрязнителя.

При этом все составляющие композитов, созданных учеными, сами по себе безвредны: альгинат натрия — природный полимер, гидроксиапатит — естественный компонент костей и зубов человека, оксид цинка — соединение с высоким профилем безопасности, входящее в состав косметики для детей. Наночастицы не смогут испортить оборудование, например, как некоторые другие агрессивные реагенты, а если они случайно попадут в водоемы, то не навредят его экосистеме.

В ресурсных центрах Научного парка СПбГУ исследователи детально изучили свойства разработанных материалов. В ходе одного из экспериментов они смогли проверить их эффективность и убедились, что всего за час полученные наночастицы очищают тот же объем воды, с которым материалы-конкуренты справляются за период от двух до шести часов. «Наночастицы работают быстрее и лучше других, так как они маленькие и их можно использовать в большом количестве. Так, один грамм порошка из наночастиц может иметь суммарную площадь поверхности до 300 квадратных метров (примерно две волейбольные площадки. — Прим. ред.)», — отметила Ксения Мешина.

Разработанные учеными наноматериалы можно будет применять на предприятиях любого типа: от косметических заводов до металлургических комбинатов. Благодаря композитам получится сократить время на водоочистку и снизить траты на амортизацию оборудования и коммунальные расходы. Поскольку наночастицы превосходят по эффективности другие реагенты, также станет возможно сократить количество стадий очистки и не тратить средства на дополнительные этапы.

Кроме того, в комбинации с уже существующими технологиям разработанные учеными СПбГУ материалы могут поспособствовать увеличению степени очистки воды, например, повысить ее с максимально возможных сегодня 98% до 100%.

Результаты исследования опубликованы в журналах Ceramics International и Surfaces and Interfaces.