Экология и материаловедения — одни из основных направлений, которые изучаются в Южно-Уральском государственном университете. Так, ученым Политехнического института удалось создать уникальный сорбент для очистки окружающей среды в промышленных регионах. Сорбент убирает загрязнения из земли и воды, а сырьем для него выступают отходы металлургического производства. Статья о разработке нового экологического материала опубликована в одном из самых престижных журналов первого квартиля «Journal of Cleaner Production».
Источник загрязнения — шлаковые отвалы
Проблема загрязнения окружающей среды в промышленных регионах России стоит очень остро. К таким территориям относится и Челябинская область. Здесь расположены предприятия металлургической промышленности — одни из главных загрязнителей. Дополнительную экологическую нагрузку на окружающую среду в регионе создают шлаковые отвалы, то есть отходы производства черных и цветных металлов. Например, в городе Карабаш объем таких отвалов составляет 16 миллионов тонн. Переработка таких отвалов очень затратна, а существующие технологии не могут ограничить площадь распространения опасных загрязнителей. Они проникают в почву и водоемы, переходят в водорастворимые соединения, мигрируют на большие расстояния.
Для снижения уровня загрязнений нужны новые экологические технологии и материалы. Сотрудники кафедры «Материаловедение и физико-химия материалов» Политехнического института ЮУрГУ синтезировали уникальные композиционные сорбенты, которые поглощают тяжелые металлы и переводят их в нерастворимые фазы. Важно, что такие продукты абсолютно безопасны для окружающей среды.
«При использовании новых сорбентов нет необходимости в использовании производственных сооружений и химических веществ, перемещении значительных масс материалов. Очистка происходит непосредственно на загрязнённых объектах без последующей утилизации материалов. Дополнительным преимуществом разработанной технологии является использование в качестве сырьевых материалов отходов металлургического производства, что также приводит к уменьшению загрязнённых территорий», — рассказала заведующая лабораторией кафедры «Материаловедение и физико-химия материалов», доцент Татьяна Лонзингер.
Подобных сорбентов сейчас нет ни на российском, ни на зарубежном рынках. Все известные аналогичные материалы имеют более низкие служебные характеристики, высокую стоимость и не могут быть использованы для очистки протяжённых территории без дополнительных затрат, которые многократно превышают расходы на приобретение сорбентов.
Сорбент для очистки земли и воды
Чтобы проверить, насколько эффективен разработанный композиционный сорбент, его использовали на нескольких объектах. Выбор пал на водные объекты Карабаша, так как они загрязнены компонентами шлаковых отвалов медеплавильного производства (Fe, Cu, Cd, Mn, Zn, и др.), а также на Аргазинское водохранилище. От промышленных сбросов Карабаша, которые концентрируются в иловых отложениях, страдает экология озера. При этом Аргазинское водохранилище остается питьевым источником Челябинска.
Во время исследования учеными было отмечено, что при использовании сорбента вода на 98-99% очистилась от катионов тяжелых металлов. Водородный показатель из кислой области был восстановлен до нормальных значений 6-8. Степень сорбции особо опасных катионов кадмия составила 100%.
.jpg)
«Ил, взятый со дна Аргазинского водохранилища, содержит катионы Al, Cu, Cd, Fe, Mn, Ni, Zn. Композиционный сорбент после непродолжительного контакта с илом эффективно поглотил и необратимо связал в новые нерастворимые в воде фазы катионы тяжёлых металлов. Аналогичные результаты были получены при очистке воды от катионов церия, который использовали в качестве имитатора загрязнения радионуклидами», — продолжила Татьяна Лонзингер.
Предприятия готовы к сотрудничеству
Помощь в исследовании оказывали металлургические предприятия Челябинской и Свердловской областей. Они заинтересованы в переработке шлаков с помощью нового товарного продукта. Ведь он предназначен не только для последующего извлечения, но и для предотвращения распространения катионов тяжёлых металлов и радионуклидов в окружающей среде. Выпускать сорбент готовы предприятия малого и среднего бизнеса, у которых есть необходимое оборудование. Технология производства проста, но для начала работы нужен заказ на сорбент от администрации региона.
Исследования показали, что при сорбции катионов тяжелых металлов на поверхности сорбента образуются новые фазы. Это результат процесса минерализации. В течение этого процесса из окружающей среды поглощается углекислый газ, а также нитраты и другие анионы. То есть при очищении значительных территорий удается также снизить в атмосфере количество парниковых газов, которые угрожают всей экологической системе планеты. На этом важном «побочном» эффекте действия сорбента будут построены дальнейшие исследования в данном направлении.
Южно-Уральский государственный университет — это университет цифровых трансформаций, где ведутся инновационные исследования по большинству приоритетных направлений развития науки и техники. В соответствии со стратегий научно-технологического развития РФ университет сфокусирован на развитии крупных научных междисциплинарных проектов в области цифровой индустрии, материаловедения и экологии. В рамках данных направлений исследуются объекты металлургии, машиностроения, энергетики, ЖКХ, безопасного пространства городской инфраструктуры и комфорта человека.
ЮУрГУ — участник Проекта «5-100», призванного повысить конкурентоспособность российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров.