Химики СПбГУ участвуют в разработке инновационной мобильной установки для очистки воды

«Ферраты — это соединения железа высшей валентности, которые обладают очень высоким окислительным потенциалом. Соответственно, большинство органических загрязнителей окисляется ими до воды и углекислого газа. Второе действие ферратов — это коагуляция. Важно, что продуктом реакции, кроме воды и углекислого газа, является еще и гидроксид железа(III), который также может использоваться для очистки воды. Он выпадает в осадок и захватывает с собой остатки примесей. После очистки воды гидроксид железа(III) может быть использован в других отраслях, вплоть до добавок в металлургическое производство», — рассказывает руководитель проекта со стороны СПбГУ, профессор кафедры аналитической химии СПбГУ Сергей Ермаков.

OneDrop

При этом у растворов феррата есть большой недостаток — они неустойчивы и быстро разлагаются с образованием упомянутого гидроксида железа(III). В связи с этим их очень сложно хранить или перевозить. Для решения этой проблемы ученые из России и Финляндии запустили международный проект по созданию мобильной установки для очистки воды. «Сердцем» установки является электролизер, в котором генерируется раствор ферратов. Все, что нужно для синтеза, — это стальные электроды, раствор гидроксида натрия и источник тока. Таким образом, аппарат сам производит ферраты, которые сразу же можно применять для очистки воды и для локализации загрязнений в местах разлива.

Вместе с учеными СПбГУ в проекте участвуют представители Лаппеенрантского технологического университета (Финляндия), Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, российской инновационной компании НПК «Омега», а также финской компании Lappeenranta Free Zone Ltd, управляющей городскими грузовыми, пассажирскими и маломерными портами, в число которых входит порт Лаппеенранта, который предоставляет исследовательской группе информацию о загрязнениях и будет использовать результаты проекта. Работы финансируются программой приграничного сотрудничества «Россия — Юго-Восточная Финляндия ПС 2014–2020» (грант № KS1648).

«Основная задача команды ученых СПбГУ — разработать систему аналитического контроля процессов очистки воды, а также выяснить, сколько именно вырабатывается феррата. Мы изучаем, насколько полно происходит окисление, не появляются ли какие-либо вредные вещества в процессе обработки воды ферратом. На данный момент у нас очень хорошие результаты. Мы проверяем установку в Институте химии СПбГУ с помощью специально отобранных веществ-загрязнителей, которые добавляются в воду, взятую из реки Селезневки. Мы выбрали именно этот водный объект, так как он является общим для России и Финляндии. Процесс анализа проходит в автоматизированном режиме с помощью оптических и электрохимических датчиков. Наиболее сложную аналитическую часть работы проводит Научный парк СПбГУ», — объясняет Сергей Ермаков.

По его словам, если вводить в систему очистки загрязненных вод избыток ферратов, которые потом все равно превращаются в гидроксид, они не оставляют после себя никаких вредных продуктов, в отличие, например, от хлора. Дело в том, что при хлорировании воды образуется так называемый активный хлор, который очень опасен для человека, — на водоканалах эти процессы очень строго контролируются.

Кинетику окисления (изучение протекания химических реакций) органических загрязнителей ученые СПбГУ проводят совместно с финской стороной. Пандемия сильно осложнила обмен образцами, поэтому сейчас химики в основном обмениваются исследовательскими данными.

Другая задача международной группы ученых — выяснить, насколько ферраты эффективны в очистке от следов лекарственных препаратов, которых в мировых водах становится с каждым годом все больше. Дело в том, что остатки лекарств, которые принимает человек, выводятся из организма, попадают в водоемы и могут накапливаться в рыбе. При поливе полей молекулы препаратов проникают в растения, а потом и в животных, которые ими питаются. В конечном итоге лекарства возвращаются в организм человека.

Опасны не только следы лекарственных средств, но и продукты их последующих превращений, связанных, например, с окислением кислородом. В результате могут образовываться канцерогены и другие опасные вещества. Чтобы узнать, насколько наша установка может помочь в решении этой проблемы, мы загрязняем воду различными лекарственными препаратами, тем же диклофенаком (противовоспалительным средством), который является достаточно стойким, из-за чего накапливается в природных водах. Предварительные результаты показывают, что разработка может справиться с этой задачей.

Профессор кафедры аналитической химии СПбГУ Сергей Ермаков

Также установка может помочь в решении проблемы чужеродных видов-вселенцев в различных морях. Когда судно идет из одного порта в другой, оно разгружается и набирает балластные воды для обеспечения устойчивости. Природная вода населена микроорганизмами, в число которых входят так называемые вселенцы — чужеродные виды, которые начинают очень быстро размножаться в более благоприятных условиях. «Это приводит к нарушению экологического и природного равновесия. Именно поэтому порт Лаппеенранта сильно заинтересован в применении разработки для обеззараживания балластных вод кораблей, которые в него приходят», — рассказывает профессор.

По его словам, для очистки воды требуется совсем небольшое количество ферратов. Даже опытный образец установки, размеры которого можно сравнить с микроволновой печью, может за один цикл обеззараживать примерно 100–150 кубометров воды за один час. При этом аппарат работает непрерывно.

«Конечно, если вода сильно загрязнена, для ее очистки потребуется выработка большего количества феррата. Однако система контроля, над которой мы сейчас работаем, позволит учитывать эти показатели, а значит, в конечном итоге усилит надежность и простоту применения инновационной технологии. К сожалению, из-за пандемии сроки работы над установкой затянулись. Но сейчас, благодаря слаженной работе всех участников, мы близки к финишу. Думаю, что проект будет завершен в конце 2021 года», — отмечает Сергей Ермаков.