Красноярские ученые предложили использовать для создания керамических мембран микросферы золы — отхода угольной промышленности. Разработанные мембранные подложки практически полностью очищают воду от мелкодисперсных загрязнений.

Результаты исследования описаны в статье в журнале Membranes and Membrane Technologies и изложены в красноярском издании «Городские новости».

Вода является одним из самых важных природных ресурсов, необходимых для жизни. Однако качество воды часто бывает низким из-за загрязнения различными промышленными выбросами и бытовыми отходами. Основные загрязняющие вещества включают тяжёлые металлы, нефтепродукты, пестициды, гербициды, органические соединения азота и фосфора, а также бактерии и вирусы. Загрязнённая вода может вызывать заболевания желудочно-кишечного тракта, печени, почек и других органов, а также способствовать распространению инфекционных заболеваний. Кроме того, загрязнение воды может приводить к гибели водных организмов и разрушению экосистем.

Решением этой проблемы может стать очистка сточных вод. Сейчас чаще всего это делают с помощью мембранных технологий. Мембраны удаляют различные загрязнители, задерживая растворённые ионы и микрочастицы и пропуская чистую воду. Эта технология применима к различным типам воды.

Мембраны обладают высокой селективностью, низким энергопотреблением, а их применение не требует химических реагентов. Однако существующие мембраны часто обладают низкой производительностью и дороги в производстве. Поэтому важной задачей является снижение стоимости производства керамических мембран, используя более доступные материалы.

Чтобы удешевить этот процесс, учёные ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» предложили для синтеза керамических мембран использовать материалы, полученные из промышленных отходов. В качестве основы для этого они взяли микросферы золы — отхода угольной промышленности. Этот материал предлагается применять для изготовления керамических мембранных подложек, используемых для микро- и ультрафильтрации.

«Керамические мембранные подложки обладают рядом преимуществ по сравнению с полимерными мембранами, включая прочность, химическую и температурную стабильность, способность к регенерации и долгий срок службы. На поверхности такой подложки формируют ряд слоёв 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», — рассказывает ведущий научный сотрудник Института вычислительного моделирования СО РАН доктор физико-математических наук Илья Рыжов.

Сжигание угля на ТЭЦ приводит к образованию большого количества зольных отходов, которые загрязняют окружающую среду и требуют дальнейшей переработки. Зола содержит большое количество ценных компонентов, одним из которых являются алюмосиликатные микросферы. Благодаря составу, сферической форме и низкой объёмной плотности зольные микросферы перспективны для получения из них лёгких керамических материалов.

«В золе содержится до 40% дисперсных частиц размером менее 10 микрометров, состоящих преимущественно из алюмосиликатов. Эти частицы относятся к антропогенным загрязнителям атмосферы. Значительного снижения объёма 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», — поясняет старший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН кандидат химических наук Елена Фоменко.

Технология производства керамических фильтрующих мембранных подложек на основе золы требует предварительной очистки материала. Для стабилизации химического состава микросферы золы подвергают обжигу для удаления частиц несгоревшего углерода и проводят кислотную обработку для удаления оксидов железа, магния и кальция.

«При обжиге образцов мембранной подложки несгоревшие частицы угля образуют внутренние полости, что приводит к снижению прочности мембраны. Катионы щелочных металлов и железа в микросферах способствуют образованию легкоплавких соединений и снижению пористости керамических материалов. Эти катионы также 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 энергоёмкую стадию измельчения, традиционно используемую в керамическом производстве, и тем самым предотвратить разрушение микросфер», — отметила Елена Фоменко.

Мембранные подложки формировались прессованием порошка золы с последующим обжигом в печи при температуре 1100°С и выдержке 2 часа. В результате были получены плоские подложки диаметром около 26 миллиметров и толщиной около 3 миллиметров. За счёт высокой температуры спекания такие подложки отличаются высокой прочностью, но при этом они остаются достаточно пористыми.

После получения первых мембранных подложек из зольных отходов учёные провели эксперименты по микрофильтрации воды. Через образцы пропускали воду, загрязненную частицами микрокремнезема. Мембранные подложки из зольных отходов успешно справились с своей задачей, показав почти стопроцентную 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 мембранных материалов позволит снизить выбросы мелкодисперсных микрочастиц в окружающую среду и создать предпосылки для разработки технологий комплексной переработки отходов тепловой энергии», — заключил Илья Рыжков.

Разработанные мембранные подложки могут использоваться как предварительная ступень в очистке воды методом обратного осмоса. Этот метод позволяет избавиться от 98% примесей в воде и используется для получения питьевой воды из загрязнённых или засоленных источников. Удаление мелкодисперсных загрязнений на ранней стадии очистки позволит повысить эффективность процесса, снизит засорение фильтрационных мембран обратного осмоса, а значит, улучшит качество очищенной воды.

Работа поддержана Российским научным фондом (проект №. 23-19-00269). Аэродинамическое разделение золы выполнено в рамках государственного задания ИХХТ СО РАН (проект №FWES-2021-0013). Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий». В исследовании приняли участие сотрудники ИХХТ СО РАН, ИВМ СО РАН, Сибирского федерального университета и Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.

Красноярские ученые давно занимаются темой фильтрационных мембран и переработкой золы, например, ранее они разработали стеклокерамику из угольной золы и теорию, упрощающую создание мембран для опреснения воды.

Источник: КНЦ СО РАН.