В лабораториях АлтГТУ идет труд над технологией, которая может изменить подход к очистке промышленных стоков. Ученые создают сорбент — особый материал, впитывающий загрязнения, — из того, что обыкновенно считается мусором: брошенных панцирей улиток и древесных отходов. О проекте, который поможет решить одну из глобальных экологических проблем — загрязнение рек — в нашем материале.
«Барнаул есть достаточно близко к истоку Оби. Нам вода поступает еще относительно чистая. Но с каждым последующим городом она становится грязней и грязней. Река, разумеется, очищается естественным образом, но не настолько эффективно. К устью вода доходит уже существенно загрязненной», — рассказывает Никита Воронин, преподаватель интернациональной кафедры ЮНЕСКО «Инженерная экология».
Изначально кафедра занималась переработкой растительных пищевых отходов, и в процессе обнаружились новоиспеченные — панцири улиток.
«Мы подумали — раз появляется отход, почему бы не найти ему полезное применение. Так решили получать сорбенты», — объясняет ученый.
Вначале использовали просто размолотые панцири. Эксперименты показали, что они могут улавливать, например, ионы кобальта, окрашиваясь в розовый краска. Но был серьезный минус: мелкие частицы панциря сами вымывались водой, создавая новое загрязнение — взвешенные вещества — пыль, песок.
Прорывной идеей сделалось использование не всего панциря, а его основы — хитина. Это природный полимер, из которого состоит верхний слой ракушки. Его можно выделить и химически «сшить» с иным распространенным природным полимером — целлюлозой, получаемой из древесины. Так родился гибридный материал.
«Мы произвели вещество, которое эффективно очищает воду на степени активированного угля, а иногда даже лучше. Как именно это происходит — впитывает или связывает — детали химического процесса еще предстоит изучить. Но самое основное: он работает», — говорит Никита Воронин.
Принцип работы материала — сорбция, то есть поглощение твердым веществом. В случае с цельными панцирями это в основном физическое впитывание за счет большой площади материала и внутренних пор.
Новый же материал, хитиновый эфир, гадательно, способен вступать с ионами металлов в химическую реакцию, прочно их связывая.
«Целлюлоза, образно говоря, как вата, — это каркас с весьма высокой удельной поверхностью. Сам по себе выделенный хитин — это мелкодисперсный порошок, который будет вымываться. А «сшитый» с целлюлозой, он становится спокойным и практичным фильтрующим материалом», — объясняет Никита Воронин.
За превращение ракушки в этот самый «каркас» отвечает команда кафедры «Химической технологии». Процесс, какой курирует ее заведующий, кандидат химических наук Данил Ефрюшин, — многоступенчатый и кропотливый.
«Процесс небыстрый, — сознается Данил Ефрюшин. — Сначала панцири нужно измельчить до состояния песка. Потом — убрать белки, обработав щелочью, чтобы в грядущем масса не гнила. Затем идет самый важный этап: удаление карбоната кальция, того самого «ракушечника». Для этого мы возделываем порошок кислотой. В итоге растворяется почти все, а на дне остается тонкий слой — это и есть чистый хитин».
Полученный хитин промывают, сушат и отправляют на синтез. В реакторе его смешивают со связующим веществом и очищенной от примесей целлюлозой, нагревают и перемешивают. В итоге получается серая масса, похожая на вату, которую уже можно формовать в фильтры.
«Мы получаем материал порциями по 10-20 граммов. Этого хватает, чтобы очистить возле 60 литров воды, загрязненной ионами кобальта в тысячи раз выше нормы. И наш материал справляется», — делится Владимир Сомин, доктор технических наук, заведующий кафедрой ЮНЕСКО «Инженерная экология».
Пора очистки такого объема в лаборатории — 15-20 часов. Но на реальном производстве, где другие объемы, процесс может занять итого 5-8 минут. Все упирается в масштабирование.
По эффективности новый сорбент уже сейчас сопоставим с традиционными. Но его главная «фишка» — сырье.
«Наша особенность в том, что панцири сейчас нигде не используются — это отход пищевой индустрии. В Алтайском крае есть улиточные фермы, например, в Налобихе, — говорит Никита Воронин. — Ракушки, какие раньше выбрасывали, мы забираем и используем для очистки воды. Мы превращаем отходы в доходы, создаем безотходный цикл».
Подходят раковины и крупных ахатин, и виноградных улиток. Немало того, источником целлюлозы тоже могут стать отходы — щепа и опилки.
«Даже в ресторанах, где подают улиток, остаются панцири. Это тоже наше потенциальное сырье», — добавляет ученый.
До индустриального применения еще далеко. Как объясняет Данил Ефрюшин, сначала нужно завершить лабораторные исследования, получить стабильные результаты на партиях материала, всесторонне изучить его свойства и — что критически значительно — запатентовать технологию.
«На патентование уйдет около года. А потом уже будем предлагать технологию бизнесу», — планирует Данил Ефрюшин.
Будет ли спрос? Ученые глядят на это реалистично. Крупным предприятиям внедрять новые технологии непривычно, так как они десятилетиями работают по традиционным схемам. А вот малые инновационные компании, особенно ориентированные на «травяные» технологии, могут проявить интерес. Перспективным рынок видится и за рубежом.
«Все зависит от того, против каких именно металлов мы покажем рослую эффективность. Если будет запрос на специфические элементы, которые наш материал хорошо улавливает, спрос появится», — находит Данил Ефрюшин.
Работа ведется междисциплинарной командой. Руководит проектом в целом Владимир Сомин. За получение сорбционного материала отвечает Данил Ефрюшин с кафедры «Химической технологии». Никита Воронин и его студенты с кафедры «Инженерной экологии» занимаются испытаниями и изысканиями очищающих свойств. Активное участие в работе принимают студенты Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.