Ловушка для тяжелых металлов

Работа почвоведов не видна никому. При этом мы ходим по земле, которая все более наполняется продуктами деятельности человека, и степень этого загрязнения растет с каждым годом. Один из способов очищения почвы предложили ученые из Академии биологии и биотехнологии ЮФУ. А начиналось все со студенческого стартапа, который победил в конкурсе Фонда содействия инновациям в 2022 году. Об этом «Живой Ростов» поговорил с одним из авторов проекта, магистрантом академии Ильей Лобзенко.

Собрентом называет вещество с большим количеством пор и большой удельной площадью поверхности. Примером может служить активированный уголь, который подвергают специальной обработке для увеличения площади поверхности, а, следовательно, увеличения количества пор, которые и «захватывают» ненужные вещества.

Сорбент совсем не прост

Почву и воду и ранее очищали при помощи сорбентов, которые «собирали» на своей поверхности загрязняющие их вещества — те же тяжелые металлы. Эти металлы, атомный вес которых превышает 50 единиц, не подвергаются разложению в почве и в ней накапливаются. А, к примеру, цинк и медь, имеют свойство накапливаться и в растениях, являясь для них микроэлементами, и далее — по пищевой цепочке — попадать в организм человека.
Среди сорбентов, которые могут закреплять на своей поверхности тяжелые металлы — биоуголь, получаемый путем пиролиза (нагрев без доступа воздуха) из растительных остатков — к примеру, шелухи подсолнуха. Этим сорбентом для очистки почвы пользовались и ранее (на рынке достаточно предложений по биоуглю), но исследователи ЮФУ (главный идеолог новой технологии, кандидат биологических наук Татьяна Бауэр) пошли дальше. Они соединили биоуголь с металлоорганическими соединениями, строение которых имеет форму каркаса. Механизм их действия таков: вокруг металла путем образования комплексов формируется «сетка» из органических соединений. Особенность в том, что площадь ее поверхности (а мы помним, что для сорбента это главное) колоссальная — на грамм вещества до нескольких тысяч квадратных метров. Казалось, бери их и применяй, но проблема таких веществ в том, что они устойчивы в ограниченных значениях кислотности.

Уникальные технология и материалы

Татьяна Сушкова, руководитель лаборатории мониторинга почв Ботанического сада ЮФУ, предложила получать биоуголь ступенчатым нагревом с тем, чтобы уловить состояние получаемого сорбента, когда из него уйдет максимальное количество органических веществ и образуется большое количество пор. С этими биоуглями, рассказывает Илья, мы обратились в Международный научно-исследовательский институт интеллектуальных материалов, которые как раз занимались изучением металлоорганических материалов с каркасным строением (МОК): Татьяне Сушковой и Татьяне Бауэр пришла в голову идея соединить биоугли с МОК и таким образом получить сорбент с большой поверхностью, который будет устойчив в почве любой кислотности. Более того, получаемый композитный материал позволял получать сорбент с нужными размерами пор-ловушек. Подбирая сам МОК и сорбент, изготовленный по нужной технологии, можно получить нанокомпозитные материалы, которые подойдут для очистки почвы от определенных веществ, имеющих определенные же размеры молекул. Например, для тяжелых металлов нужны поры маленьких и средних размеров.
Уникальность технологии в том, что до сих пор соединить МОК и биоугли никто в мире не пытался. И таких продуктов на рынке нет. Сами МОК неустойчивы: чуть повышается кислотность почвы, они распадаются. А с помощью биоугля их можно стабилизировать, и их устойчивость повышается вплоть до рH 8, что, кстати, характерно для почв нашей степной зоны.

В два раза быстрее

Как все это происходит в реальности? Новый сорбент разбрасывается по поверхности и закапывается. Основные процессы в почве происходят, когда там есть влага. Соединения тяжелых металлов и содержатся в жидкой субстанции почвы. Взаимодействием через воду и происходит закрепление извлекаемых веществ на поверхности сорбента. Десорбции (ухода с поверхности сорбента адсорбируемого вещества) не происходит.
Ученые проводили многолетние эксперименты с биоуглями и получили хорошие результаты. Но увеличиваемая МОК поверхность сорбента ускоряет и очистку почвы в 1,5 — 2 раза и делает ее более качественной.
Проблема очистки почвы актуальна для Ростовской области. Помимо загрязнения придорожных участков соединениями тяжелых металлов есть несколько территорий, почва которых имеет в себе сверхдопустимое содержание этих соединений — те же санитарные зоны предприятий. 660 предельных концентраций цинка содержит площадь высохшего озера Атаманского в Каменском районе: сюда долгое время проходил сброс отходов предприятия. Это давний объект исследования ученых: дело в том, что и содержание соединений меди здесь превышает предельно допустимую концентрацию в десятки раз. Проблема этого объекта еще и в том, что грунтовые воды близки к высохшей поверхности озера и они связаны с одним из рукавов Северского Донца. А оттуда происходит забор воды для поливов полей, для обеспечения водой жителей близлежащих городов. Так что высохшее озеро Атаманское — один из первых кандидатов на проведения эксперимента очистки большой площади новым сорбентом.

Отходы производства — в доходы

Но и все вышеизложенное, как говорится, лишь присказка, а сама сказка, то есть, студенческий старпап Ильи, созданный под руководством Татьяны Бауэр, заключается в том, биоугли в нем предложено получать … путем сжигания осадков сточных вод, являющихся распространенным материалом для получения биоуглей. То есть, в данном случае решается и проблема накопления этих осадков.
Проведен и опыт получения биоуглей из остатков производства одного из молзаводов области.
Так что проект, выросший из студенческого стартапа с названием «Разработка нанокомпозитных материалов нового поколения для очистки шлакозолоотвалов», имеет перспективное будущее. Для его обеспечения создано ООО «БИОКОМПОЗИТ-МОФ», которое и будет заниматься как распространением самого сорбента, так и технологии его изготовления.