Российские ученые создали инновационный состав из частиц диоксида титана-кремния, который позволит очищать сточные воды, а также ядовитый пар на предприятиях полного цикла. Как утверждают разработчики, новая технология значительно дешевле существующих, а само вещество будет работать даже при экстремально высоких температурах. Разработка поможет предотвратить такие нештатные ситуации, как авария на ТЭЦ в Норильске, когда произошла утечка из резервуара с дизельным топливом, считают эксперты.

Промышленные предприятия загрязняют водные экосистемы сточными водами. В них содержатся стойкие органические соединения — ядовитые вещества, которые негативно влияют на здоровье людей и окружающую среду. Такие соединения нужно удалять из вод.

Сейчас популярны два способа очистки стоков от органических соединений: адсорбция (поглощение ядов из раствора или газовой смеси поверхностным слоем жидкости или твердым телом — адсорбентом) и реагентное окисление. Их считают дорогими. Дешевле безреагентная фотокаталитическая очистка воды, при которой яды разрушаются из-за химических реакций, происходящих под действием света в присутствии фотокатализаторов.

Ученые из Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) смогли получить фотокатализатор с термостабильным микропористым покрытием на основе минерала анатаза (оксида титана-кремния). Это полупрозрачный камень разнообразной цветовой гаммы, который встречается на Приполярном Урале в месторождениях горного хрусталя, распространен на Среднем и Южном Урале, на севере Хабаровского края.

— Инновационность нашего способа в том, что он позволяет с помощью относительно недорогих и малотоксичных реактивов и в результате относительно несложной процедуры получать механически прочные термостабильные микропористые покрытия на основе анатаза, — объяснил автор патента, аспирант кафедры экологии и химической технологии ИЕТН ЮУрГУ Александр Горшков. — Они проявляют довольно высокую фотокаталитическую активность по отношению к стойким органическим загрязнителям (таким как фенольные соединения) даже при низком воздействии облучения.

Новый фотокатализатор превосходит по своим свойствам те, которые применяют для очистки сточных вод сейчас, утверждают разработчики. У существующих аналогов состава низкая термическая стабильность, ограничивающая их применение во многих технологических процессах. При нагревании свыше 400 °C в других веществах на основе диоксида титана зачастую наблюдается агломерация кристаллов (то есть их срастание в единое целое), а чем больше их размер, тем хуже каталитическая активность.

Предложенный же Александром Горшковым способ получения термостабильного покрытия не дает снизить активность фотокатализатора при нагревании до 700 °C, потому что нанокристаллы анатаза стабилизированы на силикатной подложке. Помимо термостойкости, это дает более высокую механическую прочность материалу.

Наличие микропор в веществе повышает активность катализатора — это свойство влияет на высокую удельную площадь поверхности. Это делает новые катализаторы многофункциональными: их можно применять для очистки не только воды, но и пара.

Как пояснили разработчики, очистка сточных вод будет проходить в два этапа. Сам процесс будет происходить в специальном проточном реакторе. Сначала инновационное покрытие наносится на стеклянные пластины, затем они помещаются в установку (сверху она накрывается прозрачным кварцевом стеклом либо полиэтиленовой пленкой, так как ядовитые вещества будут испаряться) и облучаются либо ультрафиолетовыми лампами, либо солнечным светом.

Затем в русло проточного реактора запускается вода, загрязненная хлором, фенолом, смолами и другими органическими загрязнителями. Под действием излучения фотокатализаторы выделяют активные радикалы, которые и разрушают ядовитую органику.

Новое покрытие уже показало хороший результат во время испытаний на феноле в смоделированных лабораторных условиях, сообщили "Известиям" авторы изобретения. Следующим шагом будет разработка, создание и испытание пилотной водоочистной установки.

Воду нужно очищать от продуктов нефтепереработки, даже если предприятие работает в обычном режиме, сообщила "Известиям" профессор базовой кафедры фотоники и лазерных технологий Сибирского федерального университета (вуза — участника проекта повышения конкурентоспособности образования "5-100") Евгения Слюсарева. Тем более технологии очистки необходимы в нештатных ситуациях — таких как авария на ТЭЦ в Норильске в мае 2020 года, когда произошла утечка из резервуара с дизельным топливом.

— Как правило, для воды используется первичная очистка (механическая), затем более глубокая (за счет фильтров). В качестве перспективного дополняющего метода используют фотодеструкцию ароматических соединений до химически безопасных для человека и окружающей среды органических продуктов, — отметила специалист. — Разработка состоит в создании материала, сочетающего в себе гидрофильные свойства, механическую прочность и высокую каталитическую активность. Это важный и интересный результат.

Однако для крупномасштабных систем очистки новый способ, скорее всего, не подойдет, считает профессор кафедры экологического мониторинга и прогнозирования РУДН Александр Луканин.

— Речь скорее о повышении технологичности очистки наночастицами при их иммобилизации на титановых носителях для снижения уноса этих частиц в воду, — пояснил эксперт.

Сами разработчики уверены, что их фотокатализаторы будут незаменимы на предприятиях полного цикла — угольных, нефтехимических и деревообрабатывающих.