Проблема доступности чистой питьевой воды остается одной из ключевых для человечества. По данным ВОЗ, 2,1 миллиарда жителей планеты в мире не имеют доступа к чистой воде, а 106 миллионов пьют воду непосредственно из неочищенных поверхностных источников. Особенно остро эта проблема стоит в отдаленных районах, где отсутствует стационарная инфраструктура водоснабжения, а также в условиях чрезвычайных ситуаций и природных бедствий, когда обеспечение безопасной воды для потребления становится жизненно важным.
Положение усугубляет тот факт, что крупные промышленные предприятия становятся мощными источниками загрязнения.Например, на лесоперерабатывающем и мебельном производах ежегодно образуются миллионы тонн трудноперерабатываемых отходов: опилки, стружка, а также специфические лигносульфонаты — жидкие остатки от производства целлюлозы — и отработавшие свой срок древесностружечные плиты (основной материал для корпусной мебели). Их захоронение или сжигание наносит ущерб окружающей среде, отравляя воздух, почву и водные ресурсы.
Традиционно для очистки воды в полевых условиях или в экстренных ситуациях используются фильтры на основе промышленных активных углей – сорбентов. Данные материалы, как губки, впитывают загрязнения благодаря своей пористой структуре. Однако их производство имеет несколько существенных минусов. Во-первых, оно часто требует специального, иногда дефицитного и дорогого сырья (например, скорлупы кокоса или каменного угля), что повышает стоимость конечного продукта. Во-вторых, сам процесс их изготовления требует больших затрат энергии.
Кроме того, существуют и другие аналоги для экстренной очистки, например, химические таблетки на основе хлора или йода, которые, однако, могут оставлять неприятный привкус и неэффективны против некоторых видов загрязнений, или мембранные фильтры, которые легко засоряются и требуют технического обслуживания. Однако все эти методы не решают системной проблемы: они лишь борются со следствием (грязной водой), никак не влияя на причину ее загрязнения — промышленные отходы. Фактически, происходит трата ресурсов на очистку воды, которая продолжает загрязняться теми же промышленными процессами.
Решение этой проблемы предложили ученые Пермского Политеха. Они разработали технологию превращения многотоннажных отходов — лигносульфонатов и старых древесностружечных плит — в высокоэффективные углеродные сорбенты для очистки воды. Статья опубликована в сборнике конференции «Химия. Экология. Урбанистика», 2025 год.
Для этого исследователи использовали метод термохимического пиролиза — нагрев сырья без доступа кислорода. В результате сложных химических процессов образуется не пепел, а пористый углеродный материал, структура которого напоминает активированный уголь с миллионами микроскопических пор-ловушек для загрязняющих веществ.
Чтобы проверить их эффективность, ученые провели серию лабораторных экспериментов, имитирующих работу простого полевого фильтра. В емкости с определенным объемом природной воды (три-пять литров) добавляли точные дозы сорбентов. Опытным путем было установлено, что для достижения максимального эффекта — так называемого адсорбционного равновесия, когда сорбент полностью «насыщается» загрязнениями, — вода должна контактировать с материалом в течение 60 минут.
Новые сорбенты из лигносульфонатов и древесностружечных плит тестировали с тремя коммерческими порошковыми активными углями, которые сегодня считаются эталоном для подобных целей: углем из древесины березы, из скорлупы кокоса и из каменного угля. Эффективность каждого материала оценивали по трем ключевым для качества питьевой воды показателям: мутности (наличие взвешенных частиц), цветности (присутствие растворенных органических соединений, например, гуминовых веществ) и перманганатной окисляемости(количество органических примесей в целом). Результаты измерений сравнивали с нормативами СанПиН.
— Для испытаний применяли углеродные сорбенты в количестве от 20 до 60 мг на литр воды. При минимальной концентрации в 20 миллиграммов на кубический дециметр их эффективность была невысокой. Так, березовый аналог снижал содержание органических примесей лишь на 5,2%, а удаление цветности составляло 25%. Материал на основе скорлупы кокоса показал результат чуть лучше: 10,5% по органике и 20% по цветности. Образец, полученный из каменного угля, продемонстрировал схожие показатели: 7,9% по удалению органики и 33% по цветности, — рассказала Анна Ардуанова, старший преподаватель кафедры «Охрана окружающей среды» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Однако даже при увеличенной концентрации в 40 миллиграммов на кубический дециметр они не достигали предельно допустимых норм. Например, при таком количестве оба промышленных образца — и из древесины, и из каменного угля — все еще не справлялись с органическими загрязнениями, оставляя в воде 5,28 и 6,9 мгО/дм³ соответственно, при норме не более 5,0 мгО/дм³.
Следовательно, промышленные активные угли показали низкую эффективность очистки на малых дозах и требовали значительного увеличения концентрации (до 60 миллиграммов на кубический дециметр) для достижения нормативов по качеству воды.
— В то же время, новые сорбенты при минимальном расходе (20 миллиграммов на кубический дециметр) показали высокие результаты. Сорбент из лигносульфонатов удалял 64,5% органических загрязнений, а сорбент из древесностружечных плит снижал цветность воды на 70%, — пояснила Анна Ардуанова.
Это означает, что новый материал из лигнинцеллюлозных отходов справляется с органическими загрязнениями в 6-12 раз эффективнее, чем промышленные образцы при равном расходе. В то же время сорбент из древесностружечных плит превосходит по осветлению воды (удалению цветности) промышленный уголь в 3,5 раза.
Более того, по некоторым параметрам (например, удаление цветности) сорбенты из отходов при расходе 20 миллиграммов на кубический дециметр показали результат, близкий к тому, который промышленные образцы демонстрировали лишь на дозе в 60 миллиграммов на кубический дециметр. Таким образом, эксперимент выявил ключевое конкурентное преимущество новой технологии — в три раза более высокую эффективность,что означает существенную экономию материала при одинаковом или лучшем результате очистки.
Таким образом, разработка ученых открывает путь к созданию недорогих, легких и компактных фильтров одноразового использования. Это, в свою очередь, позволяет реализовать принципиально новую экономическую модель замкнутого цикла, где затраты на утилизацию опасных отходов превращаются в инвестиции в производство востребованного продукта. Старая мебель или отходы целлюлозного завода могут стать источником материалов для обеспечения людей чистой водой в самых сложных условиях.