Огнеупорная глина повысила эффективность очистки подземных вод

Работа была опубликована в журнале Journal of Environmental Chemical Engineering. Подземные воды – один из наиболее чистых природных источников питьевой воды. При этом в них часто превышено содержание металлов, железа, марганца и других вредных для здоровья веществ. Так, например, содержание железа может превышать 40 мг на литр, при том, что согласно рекомендациям ВОЗ, максимально допустимое содержание – 0,2 мг на литр. Такая вода требует очистки.

На сегодняшний день наиболее популярный метод промышленной очистки воды и удаления железа — окисление кислородом или другими сильными окислителями – перекисью водорода, перманганатом калия, хлором, озоном, в результате чего образуется нерастворимый осадок, который задерживается фильтрами, а впоследствии попадает в канализацию.

В качестве наполнителей фильтра, как правило, используется гранулированный кварцевый песок, угли или гранитная крошка. Для повышения качества очистки они дополнительно обрабатываются вымачиванием в солях металлов с последующим высушиванием и высокотемпературной обработкой. Такой подход очень энерго- и времязатратный.

Метод, известный как «горение растворов» (solution combustion synthesis) считается более эффективной альтернативой с точки зрения экологичности процесса, энергозатрат и времени синтеза (до 10 минут против с 6-24 часов при использовании других известных методов). В основе процесса – самоподдерживающаяся экзотермическая реакция (горение) смеси компонентов в водном растворе.

Химическая реакция интенсивно распространяется в растворе и, по мере того, как она угасает, формируются конечные продукты, то есть происходит единый процесс горения и получения материалов. Этот метод имеет также ряд других преимуществ, включая низкую стоимость и доступность необходимых химикатов, надежность и возможность применения для синтеза различных наноматериалов.

Ученые НИТУ «МИСиС» и Института общей и неорганической химии Национальной академии наук Беларуси предложили новый подход к очистке грунтовых вод. В качестве фильтрующего наполнителя исследователи выбрали отход огнеупорного шамота (одной из разновидностей глины), модифицированный оксидом железа с помощью метода горения растворов. Исследователи выяснили, что модификация поверхности шамота позволяет повысить эффективность очистки грунтовых вод от железа до 78 процентов в зависимости от концентрации модификатора.

«Полученные материалы до трех раз эффективнее используемых в настоящее время на станциях водоподготовки. Временные затраты на процесс модификации поверхности фильтрующего наполнителя – до 30 раз ниже, чем у аналогов, расходы реагентов ниже до 10 раз, а энергозатраты – до 100 раз за счет того, что используемые реакции являются экзотермическими и самоподдерживающимися», – говорит автор исследования, сотрудника НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Валентин Романовский.

По его словам, основной целью ученых было сделать процесс очистки воды максимально экологичным. Для этого в качестве источника железа для модификации огнеупорной глины исследователи использовали отходы станций обезжелезивания подземных вод, содержание железа в которых достигает 60 процентов. В случае промышленного внедрения метода на таких станциях возможно создать замкнутый цикл, используя железо, оставшееся от очищенной воды, в качестве модификатора фильтрующего материала для следующей очистки.

НИТУ МИСИС

57 статей

Университет науки и технологий МИСИС — это ведущий вуз в области создания, внедрения и применения новых технологий и материалов; первый в стране, получивший статус «Национального исследовательского технологического университета». Первое место в России и ТОП-100 в мире в рейтинге QS Materials Science за 2023 год. В университете действуют 45 научно-исследовательских лабораторий и 3 научных центра мирового уровня. В состав НИТУ МИСИС входят 8 институтов, 4 филиала в России и 2 за рубежом.

Показать больше