Закрытие угольных шахт — это глобальный процесс, происходящий во всем мире, связанный в основном с их истощением. В таком случае компании отказываются от нерентабельных месторождений и концентрируют добычу на более крупных и перспективных участках. Основной пик пришелся на конец 20 века из-за исчерпания легкодоступных запасов, экономического кризиса и перехода на нефть и газ, что также снизило интерес к угледобыче. В России это особенно коснулось старых угольных бассейнов, неправильная ликвидация которых принесла колоссальный ущерб природе.
Причина этого — затопление заброшенных шахт, из-за которого вода, насыщенная различными металлами и серной кислотой, выходит на поверхность. Уровень таких компонентов многократно превышает норму, например, содержание железа может достигать 16 тысяч предельно допустимых концентраций. Такие стоки сложно очистить от всех загрязняющих элементов, относящихся к тому же к веществам второго класса опасности (высокоопасные). Это значит, что они оказывают серьезное воздействие на живые организмы, отравляют земли и реки, восстановление которых в последствии может занять не менее 30 лет.
Существующие технологии сложны в применении, и не способны полностью удалить весь спектр вредных примесей. Особую угрозу среди них представляет литий — сильная щелочь, после очистки все равно остающаяся в воде в агрессивной форме. Это делает ее непригодной для использования ни в промышленности, ни в сельском хозяйстве.
Ученые Пермского Политеха предложили простую, но высокоэффективную технологию для уничтожения всех вредных соединений в шахтных водах, которая кардинально меняет подход к проблеме. На изобретение получен патент.
— На первой стадии мы избавляемся от основных металлов, добавляя в токсичный сток небольшое количество (один–два процента от всего объема) десятипроцентный водный раствор аммиака. При такой концентрации всего за две–три минуты происходит реакция: ионы металлов взаимодействуют с аммиаком и выпадают в виде нерастворимых гидроксидов — безопасного осадка, который опускается на дно. Затем отделяем его от воды в специальном отстойнике, и в дальнейшем это можно использовать в промышленности для извлечения ценных соединений, например, железа или алюминия. Таким образом, в стоке остаются лишь сульфат аммония и вредный гидроксид лития, который в свою очередь мы также нейтрализуем, но уже с помощью углекислого аммония. Это реагент, преобразующий литий в безопасное вещество (карбонат лития), в результате чего он также выпадает в полезный осадок, — объясняет Ольга Ручкинова, заведующая кафедрой «Теплогазоснабжение, вентиляция и водоснабжение, водоотведение» ПНИПУ, доктор технических наук.
Получаемый в итоге продукт оказался многофункциональным. Ученые предлагают два варианта реализации обезвреженного лития: его можно извлечь в сухом виде для применения в разных отраслях промышленности — для покрытия камер сгорания ракетных двигателей, получения фарфора, эмали, глазури, грунтовки для алюминия, листовой стали и так далее. Если же оставить его в безопасной форме в очищенной воде вместе с сульфатом аммония, то получается готовое эффективное аммиачно-литиевое удобрение для сельского хозяйства, которое улучшает минеральное питание растений.
От имеющихся аналогов новая технология отличается тем, что позволяет очистить шахтную воду сразу как от тяжелых, так и от легких металлов, переведя их из второго класса опасности в форму четвертого-пятого, то есть в безвредную. Кроме того, предлагаемый способ упростил процесс обезвреживания вредных составляющих, и при этом дал возможность выделить ценные материалы.
Подбор точного количества реагента ученые проводили экспериментально на примере обработки кислой шахтной воды из Кизеловского угольного бассейна. Для этого добавляли разный объем десятипроцентного раствора аммиака на один литр воды – от четырех миллилитров до 24 миллилитров.
— При недостаточном количестве реагента (четырех–восьми миллилитрах) металлы уходили в осадок лишь частично и медленно (за 15 минут). При 15–20 миллилитрах результат достигался полностью всего за две минуты. После 30–40 минут отстаивания вода становилась прозрачной, и лабораторный анализ подтверждал, что в ней остаются только сульфат аммония и гидроксид лития. Для дальнейшей очистки оптимальным оказалось добавление 0,35 литра раствора углекислого аммония, — поделилась Ольга Ручкинова.
В итоге все это доказывает, что новая технология позволяет очистить воду сразу от всех опасных компонентов и превратить их в полезные товарные продукты — металлосодержащий концентрат, карбонат лития или жидкое удобрение. Процесс прост, не требует дорогостоящих реагентов или сложного оборудования. Его можно адаптировать как для стационарных очистных сооружений, так и для обработки воды непосредственно в каналах шахтного самоизлива.
Разработка ученых Пермского Политеха — это значительный шаг в решении одной из острых проблем горнодобывающих регионов. Она предлагает переработать токсичные отходы с пользой для экономики и сельского хозяйства, одновременно восстанавливая поврежденные экосистемы. Внедрение этого метода позволит дать новую жизнь заброшенным шахтам, превратив их из источников опасности в ресурсные центры.