Ученые Института твердого тела и механохимии СО РАН работают над технологиями, направленными на удешевление использования гуматов в сельском хозяйстве, снижение запыленности в городах и защиту почв и водных ресурсов от негативного воздействия отходов.
Идея извлечения гуматов (солей гуминовых кислот, являющихся основой гумуса — органического вещества почвы, богатого питательными веществами, необходимыми для роста растений) из угля возникла около 150 лет назад. С тех пор принципиально новые технологии в этой области не были разработаны: уголь обрабатывается раствором щелочи, из которого выделяется соль гуминовых кислот, после чего раствор нейтрализуется кислотой, гуматы выпадают в осадок, и в итоге получается ценный компонент почвы, применяемый в сельском хозяйстве.
«В этом процессе можно выделить несколько этапов. С технической точки зрения они кажутся простыми, однако при оценке экономической целесообразности ситуация резко меняется, поскольку возникают значительные объемы растворов, требующих утилизации, а потребление реагентов становится крайне высоким, — отмечает и.о. заведующего лабораторией химии твердого тела ИХТТМ СО РАН, кандидат химических наук Игорь Ломовский. — Мы разработали метод, позволяющий гуминовым кислотам взаимодействовать со щелочью в твердой фазе. В мельнице-активаторе – нашей институтской разработке – реакция нейтрализации гуминовых кислот со щелочами протекает в специальных механохимических реакторах. Полученный продукт далее может быть растворен для получения высококачественного экстракта, либо, при достаточном качестве угля, сразу использоваться в качестве сорбента или удобрения. За счет перехода от жидкой среды на этапе получения солей, потребность в щелочи в процессе снижается в пять раз, а также уменьшается необходимость использования кислот для нейтрализации. Это существенно сокращает стоимость конечного продукта, делая его, наконец, коммерчески привлекательным».
Угольные предприятия, добывающие сырье невысокого качества и испытывающие трудности с реализацией, могут найти интересное направление в производстве сорбентов. Преобразование такого угля в сорбенты – продукты глубокой переработки – позволит расширить рынки сбыта, включая европейскую часть России и, возможно, зарубежные страны.
Сорбенты, разрабатываемые в ИХТТМ СО РАН, приносят пользу не только сельскому хозяйству, но и охране окружающей среды. Так, два года назад исследователи проводили испытания на участке Каменской магистрали в Новосибирске. Разделительная полоса, расположенная в центре трассы, выполняет функцию поглощения значительного количества пыли, предотвращая ее распространение по городским улицам. В этой роли помогает растительность. Однако, из-за того, что концентрация тяжелых металлов в данном месте превышает допустимые значения, трава на разделительной полосе практически не развивается. Вследствие этого, пыль, поднимаемая с трассы, оседает на прилегающих улицах, проникает в здания и попадает в организм человека.
«Чтобы этого избежать, необходимо стимулировать рост травы, для чего следует использовать сорбенты, которые будут поглощать тяжелые металлы и предотвращать их негативное воздействие на растения. По словам ученого, применение разработанных сорбентов позволяет вдвое увеличить высоту травы, что приводит к почти десятикратному увеличению объема задерживаемой пыли.
В ИХХТМ СО РАН гуминовые сорбенты подвергаются не только извлечению, но и модификации. По словам Игоря Ломовского, их окисление с использованием специальных реагентов позволяет уменьшить размеры частиц и повысить растворимость. Благодаря этому сорбционная активность по отношению к тяжелым металлам значительно возрастает.
В настоящее время ученые разрабатывают способ объединения гуматов с частицами-носителями, созданными из растительного сырья, песка или глины. Это позволяет получить универсальные сорбенты, применимые в широком спектре областей, в том числе для очистки водных ресурсов. Испытания этих сорбентов проводились на плавбазе Института неорганической химии имени А. В. Николаева СО РАН на Обском водохранилище. Для проведения экспериментов использовались мезокосмы — полиэтиленовые трубы, позволяющие изолировать участок воды со всей его биологической средой, после чего анализировалось удаление различных загрязнителей. Сорбенты, разработанные ИХТТМ СО РАН, продемонстрировали высокую эффективность в качестве очистителей.
Еще одна область применения – накопительные водоемы промышленных предприятий. Не допускается сброс сточных вод непосредственно в водные объекты, поэтому требуется предварительная очистка и накопление их в специально созданном резервуаре. К таким резервуарам предъявляются определенные требования: стенки должны быть гидроизолированы, а за ними располагается слой сорбента. Его задача – предотвратить попадание вредных веществ в почву и грунтовые воды в случае утечек из водоема. Этот сорбент должен сохранять свои свойства при длительном контакте с почвой – не менее 20 лет. Многие синтетические абсорбенты не соответствуют этому требованию, поскольку подвержены слеживанию или окислению, в то время как гуминовые абсорбенты успешно решают эту задачу.
«К нашему удивлению, свинокомплексы проявляют интерес к нашим разработкам. У них возникла проблема: для нормального роста свиньям, подобно людям, необходимы макро- и микроэлементы. Однако их усвояемость оставляет желать лучшего. При внесении десяти граммов на тонну корма усваивается лишь один грамм, а остальные девять граммов выводятся из организма с отходами, что приводит к повышенному содержанию тяжелых металлов в сточных водах. В связи с этим, перед сбросом стоки нуждаются в накоплении и очистке. Использование сорбентов для очистки – не новое решение, но для экономической целесообразности они должны быть крайне доступными по цене. Сорбенты, полученные методом механохимической обработки угля, отвечают этому требованию», — заключил Игорь Ломовский.