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 опубликованы в журнале Membranes and Membrane Technologies.
Основные вещества, загрязняющие воду, включают тяжелые металлы, нефтепродукты, пестициды, гербициды, органические соединения азота и фосфора, а также бактерии и вирусы. Решением этой проблемы может стать очистка сточных вод. Сейчас чаще всего это делают с помощью мембран, которые удаляют различные загрязнители, задерживая растворенные 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. Чтобы удешевить этот процесс, ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» предложили для синтеза керамических мембран использовать материалы, полученные из промышленных отходов, например золу. Предлагается применять ее для изготовления керамических мембранных подложек, используемых для микро- и ультрафильтрации.
«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», — рассказывает ведущий научный сотрудник Института вычислительного моделирования СО РАН — обособленного подразделения ФИЦ КНЦ СО РАН доктор физико-математических наук Илья Игоревич Рыжков.
Зола, которая в большом количестве образуется при сжигании угля на ТЭЦ, содержит большое количество ценных компонентов, одним из которых являются алюмосиликатные микросферы. Благодаря составу, сферической форме и низкой объемной плотности зольные микросферы перспективны для получения из них легких 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 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», — поясняет старший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН кандидат химических наук Елена Викторовна 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 энергоемкую стадию измельчения, традиционно используемую в керамическом производстве, и тем самым предотвратить разрушение микросфер», — отметила Елена Фоменко.
Мембранные подложки формировали прессованием порошка золы с последующим обжигом в печи при температуре 1 100 °С и выдержке 2 часа. В результате были получены плоские подложки диаметром около 26 миллиметров и толщиной около 3 миллиметров. За счет высокой температуры спекания они отличаются высокой прочностью, но при этом остаются достаточно пористыми.
Получив первые мембранные подложки из зольных отходов, ученые провели эксперименты по микрофильтрации воды. Через образцы пропускали воду, загрязненную частицами микрокремнезема. Образцы 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 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 загрязненных или засоленных источников. Удаление мелкодисперсных загрязнений на ранней стадии очистки позволит повысить эффективность процесса, снизит засорение фильтрационных мембран обратного осмоса, а значит, улучшит и качество очищенной воды.
Работа поддержана Российским научным фондом. Материал подготовлен при поддержке гранта Министерства науки и высшего образования России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».
Группа научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН
