Фотокаталитическая (безреагентная) очистка воды от стойких органических загрязнений

Руководитель группы, декан химического факультета ЮУрГУ Авдин Вячеслав Викторович доктор химических наук, доцент avdinvv[at]susu[dot]ru

Цель проекта – разработка и внедрение нового безреагентного безотходного метода фотокаталитической деструкции трудноокисляемых органических поллютантов в водной среде.

Проблемы:

1. Наиболее опасными для окружающей среды являются синтетические органические вещества, так как природная микрофлора к ним не адаптирована. Их называют стойкие органические загрязнения (СОЗ). К СОЗ относятся гербициды и пестициды, цианиды, производные фенола, нефтепродукты и др. Все эти вещества накапливаются в окружающей среде в лучшем случае на специальных полигонах. Многие из них попадают в атмосферу, в почву и в природную воду. Все существующие способы очистки от таких веществ, применяемые на практике – сорбция, ионный обмен и мембранная очистка – имеют один существенный недостаток – в результате их применения очищается одна среда, но загрязняется другая, хоть и в концентрированном виде.

Фотокаталитическая очистка заключается в том, что органические вещества разлагаются на катализаторах под действием УФ облучения (искусственного ультрафиолета или солнечного света) полностью до углекислого газа и воды и других простых веществ. Такой же процесс происходит с органическими загрязнениями в природе, но без катализатора СОЗ разлагаются очень долго.

Почему фотокатализаторы не внедрены в широкую практику до сих пор?

2. Во-первых, сами подобные материалы с высокой эффективностью появились не очень давно – в последние 10-15 лет. Во-вторых, высокую эффективность катализаторов обусловливает малый размер зёрен. Наиболее эффективный коммерческий катализатор – Evonik P25 (Германия) – имеет размер зёрен 50…70 нм. Такой катализатор после очистки очень сложно удалять из воды. Поэтому обработка больших количеств воды очень дорогая.
3. В последние несколько лет предложен способ, предполагающий создания гранул инертного матеиала, заполненного наночастицами катализатора. Размер последних можно снизить до 5 нм, что обеспечит высокую активность материала. Размер гранул можно увеличить до 1,5…2 мм. Такие гранулы можно отделять от очищенной воды в обычном отстойнике. После использования фотокатализатор будет возвращён в голову очистки. Регенерации не требуется. Гранулы будут работать в воде вплоть до полного истирания.
4. Необходимо разработать способ получения гранул, максимально насыщенных наночастицами катализатора, активность которых в наибольшей степени проявляется по отношению к органическим поллютантам

Возможности:

На Химическом факультете и в НОЦ «Нанотехнологии» существует вся необходимая инфраструктура для решения данных задач. Существует коллоборация с Университетом Овьедо (Испания), результатом работы которой стали 5 публикаций Топ-10 и 2 диссертации PhD, защищённые сотрудниками ЮУрГУ в Испании. В области получения новых фотокатализаторов опубликовано более 20 статей в журналах Топ-25 (по б.д. Scopus и Web of Science), в том числе 3 – в журналах, первых в своём рейтинге. Защищено 5 кандидатских и две докторских диссертации и 2 диссертации PhD (в Университете Овьедо).

Результат/ «продукт»

Результатом является методика получения композитного фотокатализатора на основе TiO2/SiO2, свойства которого модифицированы под полное удаление из технологической воды коксохимического производства фенола и его производных, а также пилотная технология очистки.

Потребители результата / «продукта»

Предприятия металлургического профиля – ПАО «ММК», ПАО «Мечел», ПАО «Северсталь», ПАО «НЛМК» и др. Реализация проекта позволит избавиться от фенола – одного из сильнейших токсикантов в списке СОЗ – в технологической воде коксохимического производства, что существенно снизит негативное воздействие на окружающую среду и население.

Описание проекта

1. Анализ литературы по вопросам управления селективностью фотокатализаторов.
2. Синтез фотокатализаторов на основе TiO2/SiO2, имеющих высокую активность и селективность по отношению к фенолу и цианидам.
3. Отработка процесса фотодеструкции фенола и цианидов на модельной воде и реальной технологической воде ПАО «ММК».
4. Изучение кинетики фотодеструкции и кинетики осаждения гранул катализатора.
5. Разработка математической модели процессов очистки воды и извлечения зёрен катализатора.
6. Теоретическое и экспериментальное нахождение оптимальных рабочих характеристик гранул.
7. Публикация статей в изданиях Топ-25 по б.д. Scopus и Web of Science.
8. Защита ВКР бакалавров и магистров.
9. Расчёт, разработка конструкции и изготовление пилотной водоочистной установки по требованиям ПАО «ММК».
10. Внедрение разработанной технологии на ПАО «ММК».
11. Разработка методики модификации поверхности фотокатализаторов для придания им требуемых свойств (каталитической активности, селективности по отношению к определённым загрязнениям и пр.).
12. Патентование результатов.
13. Разработка линейки катализаторов, свойства которых подогнаны под конкретные производства.
14. Привлечение других индустриальных партнёров.
15. Создание высокотехнологичного предприятия по производству катализаторов.

Стоимость проекта

Сроки реализации проекта

01.09.2019 – 30.06.2022

Ключевые вехи проекта

Целевые индикаторы проекта

Ключевые партнеры проекта

Количество подписанных соглашений с ключевыми индустриальными партнерами (протоколов о намерении)

1. Подписан договор о намерениях с ПАО «ММК»

Координация научного проекта с мероприятиями национальных проектов и государственных программ

Национальный проект «Экология»

Оценка уровеня проекта на текущий момент исследования по показателям «исследование», «инновации», «производство», «рынок»

Шкала 10 баллов (0 – минимум, 10 – максимум)

Показатели:

исследование - 10

инновации - 10

производство - 2

рынок - 2