Микросферы золы — отхода угольной промышленности — предложили использовать для создания керамических фильтрационных мембран, предназначенных для очистки воды от мелкодисперсных загрязнений, ученые Красноярского научного центра (КНЦ) СО РАН, 30 июля сообщает издание СО РАН «Наука в Сибири» со ссылкой на пресс-службу КНЦ.

Как показало тестирование, степень очистки воды от мелкодисперсных частиц (2–2,5 мкм) созданными красноярскими учеными мембранами близка к 100%. Результаты исследования новых мембран представлены в статье «Керамические подложки для фильтрующих мембран на основе мелкодисперсных микросфер летучей золы», опубликованной в журнале Membranes and Membrane Technologies.

Наиболее вредными для экологии загрязняющими воду веществами являются тяжелые металлы, нефтепродукты, пестициды, гербициды, органические соединения азота и фосфора, а также бактерии и вирусы. Для решения проблемы накопления отходов различных производств, содержащих такие вещества, применяют очистку сточных вод.

Наиболее популярным в настоящее время методом очистки является использование мембран, удаляющих различные загрязнители, задерживая растворенные ионы и микрочастицы и пропуская чистую воду.

Мембраны хороши тем, что они имеют высокую селективность, низкое энергопотребление и их использование не требует химических реагентов. Но предлагаемые на рынке мембраны часто обладают низкой производительностью, а их производство дорого.

Выход из этой ситуации красноярские ученые видят в использовании для синтеза керамических мембран материалов, полученных из промышленных отходов, например золы, которую предлагают применять для микро- и ультрафильтрации.

Ведущий научный сотрудник Института вычислительного моделирования СО РАН (подразделение КНЦ СО РАН) доктор физико-математических наук Илья Рыжков пояснил, в чем достоинство предложенной ими технологии изготовления мембран:

«Керамические мембранные подложки обладают рядом преимуществ по сравнению с полимерными, включая прочность, химическую и температурную стабильность, способность к регенерации и долгий срок службы. На поверхности такой подложки формируют ряд слоев с уменьшающимся от слоя к слою размером пор. Задерживающие свойства мембраны определяются самым верхним селективным слоем. Одной из важных задач при изготовлении мембран является разработка подложек из керамических материалов, обеспечивающих оптимальное сочетание механической прочности и жидкостной проницаемости».

Перспективу для получения легких керамических материалов красноярские ученые увидели в использовании золы, образующейся в большом количестве при сжигании угля на ТЭЦ. В такой золе содержится большое количество ценных компонентов, в том числе алюмосиликатных микросфер, состав которых, сферическая форма и низкая объемная плотность подходят для создания керамических подложек мембран.

«В золе содержится до 40% дисперсных частиц размером менее 10 микрометров, состоящих преимущественно из алюмосиликатов. Эти частицы относятся к антропогенным загрязнителям атмосферы. Значительного снижения объема таких отходов и экологически опасных частиц можно добиться, вовлекая их в переработку. Они обладают широким потенциалом для синтеза керамических материалов с улучшенными свойствами, в том числе мембран для фильтрации», — уточнила старший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН кандидат химических наук Елена Фоменко.

Предложенная учеными КНЦ СО РАН технология производства керамических фильтрующих мембранных подложек на основе золы включает предварительную очистку химического состава микросферы. Для этого золу подвергают обжигу, в результате которого из нее удаляются частицы несгоревшего углерода, а затем с помощью кислотной обработки удаляют и содержащиеся в ней оксиды железа, магния и кальция.

Как отметила Елена Фоменко, если не применять метод предварительной подготовки, несгоревшие частицы угля в золе ТЭЦ образуют внутренние полости, приводящие к снижению прочности мембраны. В свою очередь, катионы щелочных металлов и железа в микросферах приведут к образованию легкоплавких соединений и снижению пористости керамических материалов, а также они могут выщелачиваться в процессе эксплуатации подложек.

«Наш метод предварительной подготовки материала помогает избежать этих недостатков. К тому же малый размер частиц зольной фракции и их однородность позволяет исключить энергоемкую стадию измельчения, традиционно используемую в керамическом производстве, и тем самым предотвратить разрушение микросфер», — пояснила Елена Фоменко.

Само формирование мембранных подложек по новой технологии производится прессованием порошка подготовленной золы с последующим обжигом в печи при температуре 1100 °С и выдержке 2 часа.

Исследователи для проведения экспериментов получили плоские подложки диаметром около 26 мм и толщиной около 3 мм. Высокая температура спекания обеспечила им высокую прочность, но при этом они остались достаточно пористыми.

Для проверки качества получившихся подложек экспериментаторы провели микрофильтрацию воды: через образцы пропускалась вода с частицами микрокремнезема. Образцы успешно справились со своей задачей, продемонстрировав почти 100-процентную степень очистки.

«Полученные подложки могут быть использованы в качестве основы для создания микро-, ультра- и нанофильтрационных мембран, в том числе с электропроводящими селективными слоями. Предложенная нами методика и использование зольных отходов в производстве позволит снизить выбросы мелкодисперсных микрочастиц в окружающую среду и создать предпосылки для разработки технологий комплексной переработки отходов тепловой энергии», — завершил рассказ о новой технологии Илья Рыжков.

Мембранные подложки, изготавливаемые по методу красноярских ученых, могут применяться в качестве предварительной ступени очистки воды методом обратного осмоса, который, позволяя избавиться от 98% примесей в воде, используется для получения питьевой воды из загрязненных или засоленных источников.

Предварительное удаление мелкодисперсных загрязнений позволит повысить эффективность работы фильтрационных мембран обратного осмоса за счет предотвращения их засорения, улучшив тем самым качество очищенной воды.