Ученые Южно-Уральского государственного университета разработали материал, который блокирует тяжелые металлы и очищает от них загрязненные водоемы. Положительные результаты исследований, механизм сорбции и влияние разработки на среду опубликованы в журнале «Nanomaterials» (Q1).

Новые материалы называют блокаторами. Они помогут устранить вредные выбросы предприятий металлургического и машиностроительного комплекса в Челябинской области. Разработка способна блокировать катионы тяжелых металлов, на поверхности которых находятся наноцентры, обменивающие катионы и анионы кристаллической решетки на грунтовые или водные загрязнители. Главный отличительный эффект – саморегуляция и декарбонизация.

«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», – рассказала кандидат технических наук, доцент кафедры «Материаловедение и физико-химия материалов» Татьяна Лонзингер.

В качестве сырья блокаторов использовали экологически чистые природные материалы. Ученые исследовали их физико-химический состав, чтобы установить при каких условиях происходит переход тяжелых металлов в твердую фазу в структуре блокатора. Выяснилось, что для металлов, растворенных в воде, необходим твердый раствор, способный к катионному обмену.

Также была создана теоретическая модель, позволившая синтезировать лабораторные и опытные образцы материалов. Испытания проводились на модельных растворах, загрязненных грунтах и сточных водах предприятий Уральской горно-металлургической компании (УГМК).

Эксперимент показал, что модельные растворы через 8 суток после взаимодействия с материалом очищались от катионов церия и меди на 100%, никеля – 90,3%, цинка – 96.31%. За 4 дня полностью удалялось железо. Очистка проб УГМК показала, что через 7 дней снижается содержание мышьяка в 62,5 раза, кадмия – в 30 раз, меди – в 125, железа – в 247, марганца – в 590, никеля – в 7,5 и цинка – в 674.

«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», – отметила Татьяна Лонзингер.