Загрязнение водоемов тяжелыми металлами является острой проблемой, существующей во всех промышленных регионах. Ученые Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) представили сорбент, очищающий водоемы от тяжелых металлов и блокирующий их дальнейший возврат в окружающую среду.
Сырьем для блокаторов стали экологически чистые природные материалы. Исследователи построили теоретическую модель, на основании которой синтезировали лабораторные и опытные образцы материалов. Их испытали на модельных растворах и подотвальных и сточных водах предприятий Уральской горно-металлургической компании (УГМК), а также на грунтах с техногенными загрязнениями.
Материалы-сорбенты отличаются усиленным эффектом блокирования катионов тяжелых металлов: на их поверхности есть наноцентры, способные обменивать катионы и анионы кристаллической решетки на растворенные в воде или содержащиеся в грунте загрязнители окружающей среды.
«После окончания процесса поглощения ионов загрязнителей в саморегулирующейся блокирующей системе начинается процесс образования защитного поверхностного слоя с участием углекислого газа атмосферы, состоящего из карбонатов сложного состава, которые покрывают поверхность материала и превращают систему в экологически безопасный объект, на котором развиваются простейшие формы растительности», – объясняет эффект саморегуляции и декарбонизации, Татьяна Лонзингер, к.т.н., доцент кафедры «Материаловедение и физико-химия материалов».
Согласно эксперименту, степень удаления катионов церия (имитаторов радионуклидов) из высококонцентрированного модельного раствора достигает 100% через 8 суток контакта с материалом-блокатором, меди – 100%, никеля – 90,3%, цинка – 96,31%. Железо полностью удаляется за 4 дня.
В проведенных экспериментах через 7 дней после контакта с материалом-блокатором в 62,5 раза снизилась концентрация мышьяка, в 30 раз – кадмия, в 125 – меди, в 247 – железа, в 590 – марганца, в 7,5 – никеля и в 674 – цинка.
«Рентгенофазовым анализом установлено, что основными компонентами синтезированного материала-блокатора являются магниево-кальциевые силикаты системы MgO-CaO-SiO2, окерманит (2CaO·MgO·2SiO2), монтичеллит (CaO·MgO·SiO2) и мервинит (3CaO·MgO·2SiO2). Присутствие материала-блокатора приводит к прекращению перехода тяжёлых металлов из грунта в воду. Через 2 недели в составе водной вытяжки из грунта в присутствии материала-блокатора исчезают мышьяк, кадмий, кобальт, никель, свинец. Через три месяца контакта с материалом-блокатором на мёртвом грунте появляются простейшие жизненные формы, начинается процесс восстановления разрушенной окружающей среды», – добавила Татьяна Лонзингер.
Результаты исследований показывают, что материалы-блокаторы могут использоваться на практике. Они одновременно снижают концентрацию всех растворенных в воде тяжелых металлов, несмотря на диапазон их концентраций, который отличается в пробах с сильным загрязнением в десятки раз. Совместные работы с УГМК по этой теме начинаются в 2022 г. Механизм сорбции и влияние материала-блокатора на среду описаны в публикации в высокорейтинговом журнале «Nanomaterials» (Q1).
