Добыча полезных ископаемых — это не только экономическое развитие промышленности, но и тяжелые экологические последствия. Предприятия горнорудной отрасли по всему миру — мощные источники загрязнения гидросферы. Ионы тяжелых металлов, высвобождаемые в процессе добычи, поступают в грунтовые и поверхностные воды, даже после прекращения промышленных сбросов они продолжают годами загрязнять реки и озера.
Этот процесс запускает цепную реакцию негативных последствий. Сначала токсичные вещества уничтожают планктон и микроорганизмы, находящиеся в близлежащих реках и озерах. Затем рыбы, которые ими питаются, накапливают опасные металлы в своих тканях, что отравляет всю пищевую цепочку и приводит к сокращению биоразнообразия. И на этом угрозы не заканчиваются, поскольку дальше опасные металлы попадают и в организм человека, создавая реальные риски для здоровья.
Конкретная проблема для предприятий — ионы марганца и никеля. Эти металлы естественным образом присутствуют в железных рудах и переходят в воду в процессе добычи. Накопление марганца в организме может вызывать различные неврологические нарушения, а никель проявляет канцерогенные свойства — нарушает работу ферментов и может провоцировать дерматиты и другие заболевания. Необходимость удаления этих веществ из водоемов становится важнейшей задачей обеспечения экологической безопасности.
Для очистки загрязнений существуют различные способы, но каждый из них имеет свои недостатки. Например, биологические методы с использованием специальных микроорганизмов достаточно эффективны, но требуют поддержания строго определенных условий: температуры, состава воды и других параметров, что делает процесс дорогим и долгим. Другой распространенный подход — применение природных сорбентов, таких как цеолиты. Эти минералы способны поглощать вредные вещества, но их эффективность довольно низкая, так как потребуется огромное количество таких материалов, что экономически невыгодно.
Ученые Пермского Политеха создали фильтр из смеси железной стружки и древесного угля, который эффективно очищает воду от тяжелых металлов. При этом система не требует постоянного контроля или дорогостоящих реагентов, так как работает автономно за счет естественных химических реакций. Статья опубликована в научно-техническом журнале «Горный информационно-аналитический бюллетень».
Способ реализуется в виде фильтрующего реактивного барьера, через который пропускается загрязненная жидкость. При контакте с водой железо постепенно окисляется, и образуется осадок, на котором осаждаются загрязняющие вещества. Уголь усиливает процессы коррозии железа, что помогает очистке проходить более эффективно. В результате карьерная вода эффективно очищается от тяжелых металлов.
Ученые начали исследование с лабораторных тестов, где смоделировали реальные условия. Они подготовили специальные колонны, заполненные смесью железной стружки и древесного угля, через которые пропускали загрязненную воду. Такой подход позволил точно изучить процесс очистки на каждом этапе. Вода поступала в колонны самотеком, имитируя естественное течение, а эксперты контролировали ее состав до и после испытаний.
— Особенность этого метода в том, что фильтр со временем не засоряется, а наоборот, улучшает свои свойства. На поверхности стружки образуется рыхлый слой из соединений железа. Он становится дополнительным фильтром, увеличивая общую эффективность очистки, поэтому система может постоянно обновляться и поддерживать свою работоспособность без вмешательства человека, — рассказывает Елена Бессонова, старший преподаватель кафедры «Охрана окружающей среды» ПНИПУ.
Другое важное преимущество способа — его доступность. Для создания фильтров используются недорогие и распространенные материалы: отходы металлообработки и обычный древесный уголь, что делает метод экономически выгодным для крупных горнодобывающих предприятий. Он не требует сложного обслуживания и работает по принципу самоподдержания, что значительно снижает эксплуатационные расходы.
— Это открывает два практических пути использования фильтра. Во-первых, его можно применять как готовый и эффективный сорбент для очистки других, более сильно загрязненных мест на промышленных предприятиях. Во-вторых, в этом осадке уже содержатся извлеченные из воды никель и марганец, которые в перспективе можно извлекать и отправлять на переработку, превращая их в полезное сырье. Таким образом, технология работает по принципу безотходного производства, — объясняет Елена Бессонова.
Систему испытали в лабораторных условиях на реальной карьерной воде, в которой исходная концентрация марганца составляла 0,51 миллиграмма на литр, а никеля — 0,18 миллиграмма на литр. В результате, после пропускания через фильтр более 270 литров воды, эффективность очистки достигла более 97%.
Такая технология обеспечивает гарантированное достижение безопасного уровня, так как конечная концентрация обоих металлов составила стабильно менее 0,01 миллиграмма на литр, что строго соответствует установленным экологическим стандартам. При этом система не создает вторичного загрязнения: содержание железа в очищенной воде остается на уровне 0,03 миллиграмма на литр при допустимых 0,1 миллиграмма на литр.
Предложенный метод очистки открывает новые возможности для горнодобывающей отрасли в решении экологических задач, позволяя удалять более 97% опасных металлов. Простота конструкции и использования делает его доступным как для крупных, так и для небольших компаний.