Российские и китайские учёные предложили мощные сорбенты для очистки сточных вод
28 января 2026 г. | наука
Задачей учёных было максимально повысить абсорбционную активность сорбентов, смоделировать нестандартное раскрытие и активацию сорбционных центров, а также создать на их основе органоминеральные компаунды. Так называют комбинированные сорбенты, объединяющие в одной грануле и угольную, и минеральную составляющие.
Исследователи предложили активировать сорбенты с помощью кавитационной технологии. Это метод интенсификации физико-химических процессов в жидкостях за счёт синергетического воздействия высокоэнергетических полей давлений и температур в результате механохимического воздействия эффектов гидродинамической кавитации.
В Политехническом институте СФУ уже разработана и запатентована модель суперкавитационной установки. Оборудование построено и активно используется для решения широкого спектра задач. С помощью кавитационной обработки учёные СФУ научились опреснять и обеззараживать морскую воду, защищать малые водоёмы от зарастания водорослями, усовершенствовали и удешевили технологию получения графена, а также поэкспериментировали с активацией сорбентов различных видов, чтобы они лучше справлялись с задачей очистки, к примеру, сточных и оборотных вод в промышленности.
«Высокие скорости, возникающие в жидкости при кавитационном воздействии, приводят к образованию множества наполненных газами и паром пузырьков размером 20–50 микрон. Когда они схлопываются, появляются поля высоких давлений (до десятков тысяч атмосфер), а локальная температура возле пузырьков возрастает до 15000 оС. В то время как сотни тысяч таких пузырьков схлопываются с выделением огромного количества энергии, в воде появляются структуры со свободными водородными связями, и она более интенсивно реагирует с веществами, содержащими водород», — объяснил заведующий кафедрой теплотехники и гидрогазодинамики Владимир Кулагин.
По словам доцента кафедры инженерных систем, зданий и сооружений СФУ Ольги Дубровской, вначале основа для сорбента подвергается процессу деструкции (измельчения) угольного или цеолитового сырья в кавитационных реакторах. Затем получившиеся водоугольные или угольноминеральные суспензии обрабатываются в кавитационном реакторе ещё раз. Такой способ обработки увеличивает количество новых поровых структур как на поверхности, так и в теле сорбента, а на поверхности сорбента образуется мономолекулярный отрицательно заряженный слой. Это способствует межмолекулярному притяжению в межпоровом пространстве и хемосорбции на основе химических реакций между сорбентом и загрязняющими веществами в водной среде.
«Благодаря такой обработке нет выбросов, нагрузка на окружающую среду минимальна. Никаких опасных соединений для природы не образуется, химические реагенты в процессе кавитационной активации не применяются. Для активации килограмма сорбента требуется порядка десяти минут, в то время как активация сорбента с помощью традиционного кислотного метода занимает около трёх суток и имеет вторичный кислотный сброс, требующий специальной утилизации», — уточнила Ольга Дубровская.
Полученные сорбенты обладают высокой селективностью: в них появляются микропоры, способные выделять тяжёлые металлы из, например, сточных вод промышленных предприятий. Мезо- и макропоры, способные захватывать органические соединения (в том числе, нефтепродукты) из стока. А главное — в кавитационно-активированном сорбенте есть капиллярные поры, способные надолго удерживать все извлечённые соединения в теле сорбента.
Готовый сорбент применяется в виде гранул для очистки воды, воздуха — этот способ уже внедрён на производстве. Также может использоваться вариант водоугольной суспензии — ей можно обрабатывать питьевую или сточную воду до основного цикла очистки. Такой способ уже внедрён на одном из предприятий водоканала Екатеринбурга.
«Водоугольная сорбционная суспензия, полученная в промышленном кавитационном реакторе, разработанным и запатентованным нашим коллективом при участии индустриального партнёра, подаётся на начальном этапе обработки природной воды — это улучшает органолептические свойства, избавляет от посторонних запахов и органических примесей. Сорбционная суспензия до трёх суток остается стабильной, не меняет концентрацию и не расслаивается, что делает процесс обработки воды стабильным и лёгким в эксплуатации», — подчеркнула Ольга Дубровская.
Супервакитационная установка — оборудование с вращающимися лопастями, похожее по принципу работы на обычный блендер. Явление кавитации было теоретически предсказано Леонардом Эйлером ещё в XVIII веке и Осборном Рейнольдсом задолго до его обнаружения в 1893 году. Сам процесс кавитации, как основа различных промышленных технологий, известен в России с 1970-х годов. Разработанные в Политехническом институте СФУ под руководством заведующего кафедрой теплотехники и гидрогазодинамики Владимира Кулагина СК-установка и технология суперкавитации сейчас востребованы в самых разных областях науки и техники.
«В результате многолетнего сотрудничества с учёными из Харбинского политехнического университета и Института высоких технологий Академии наук провинции Хэйлунцзян, удалось создать и апробировать многие энергосберегающие технологии на основе кавитации. Не только сорбенты, но и биотопливо, пищевые технологии, производство наноматериалов и многое другое — кавитационная обработка интенсифицирует целый ряд производственных процессов. Также у китайских коллег построены по нашим чертежам стенды для кавитационной обработки многофазных гетерогенных сред в периодическом и проточном режимах», — отметил Владимир Кулагин.
