Высокие отношения

Высокие отношения

Вода покрывает 70% поверхности Земли. Совокупный объем H2O впечатляет – это 1,4 млрд км3. Но из них лишь 2,5% приходится на пресную воду. И этого объема категорически не хватает – уже 40% населения планеты ежедневно сталкивается с дефицитом живительной влаги. «Нефтехимия РФ» попробовала разобраться, как передовые химические технологии могут помочь сохранить водные ресурсы.

Ученые из МГУ им. М.В. Ломоносова придумали, как с помощью полимеров очистить воду от загрязнения фототрофными микроорганизмами. Звучит сложно, но с ними знакомы все. Вы видели заросшие зеленой тиной и «благоуха­ющие» гнилью водоемы? Обращали внимание, что с каждым годом их становится больше? Вот о том и речь.

Мелкий вредитель

Фитопланктон – простейшие водоросли. Они насыщают воду кислородом, поглощают вещества, выделяющиеся при разложении органики. Наконец, фитопланктон называют перспективным источником биотоплива. Но не все водоросли одинаково полезны. И что делать, если процесс их размножения вышел из-под контроля?

Выглядит заросший водоем некрасиво, но не это страшно. Насыщенный цвет воды свидетельствует о присутствии сине-зеленых водорослей (их называют «цианобактерии»). Результат их жизнедеятельности – цианотоксины. Пить такую воду нельзя. В больших дозах это чревато летальным исходом, в малых – болезнями печени. Еще в XIX веке в журналах выходили статьи о гибели лошадей после питья воды из цветущего пруда.

В то время, правда, явление не поражало масштабом. Потом рост населения планеты и развитие сельского хозяйства привели к тому, что вместе со стоками в воду стало попадать огромное число удобрений, стимулирующих рост цианобактерий.

«В настоящее время проблема цветения приобретает глобальный характер»
, – говорит Елена Лобакова, доктор биологических наук. Она возглавляет кафедру физиологии микроорганизмов биологического факультета МГУ и руководит проектом по созданию нового способа очистки воды от этих микроорганизмов.

Ежегодно регистрируется около 150 тыс. случаев отравления людей рыбой или другими продуктами, содержащими цианотоксины. Цветут не только пресные водоемы, но и моря. Даже экстремальная погода не помеха: в 2011 году были обнаружены вспышки роста фитопланктона подо льдом Чукотского моря. Ученые давно уже бьются над устранением «цветущей» проблемы, но сложность – в чрезвычайной живучести простейших водорослей. Каждая их клетка за сезон способна дать более тысячи «потомков».


Ученые из МГУ предложили для эффективного удаления микроорганизмов использовать сорбенты из полимерных материалов на основе полиэтиленимина (синтетическое вещество, применяется обычно как отвердитель) и полилизина (природный полимер, используется, например, в качестве консерванта). «Полученные сорбенты в лабораторных условиях доказали свою способность быстро и необратимо иммобилизовать клетки фототрофных микроорганизмов на своей поверхности», – говорит Елена Лобакова. Проще говоря, они, как губки, впитывают бактерии.
И это только один из множества примеров того, как химия помогает сделать воду чистой.

Урок из космоса

Эксперты прогнозируют, что в ближайшие десятилетия пресная вода станет самым востребованным ресурсом на планете. Спрос на воду постоянно растет, как и объем сточных вод, что лишь усугубляет проблему. В целом в мире в 80 случаев сточные воды сбрасывают в окружающую среду без обработки. Эту практику пора прекращать.

Эксперты ООН предложили вариант решения вопроса: весной была опубликована стратегия обращения со сточными водами, описывающая способы повторного использования. «До сих пор политики беспокоились о том, где взять еще чистой воды, вместо того чтобы что-то делать с использованной, но эти два аспекта неразрывно связаны», – сказал Ричард Коннор, главный автор доклада, сотрудник программы ЮНЕСКО по учету водных ресурсов. Хорошим примером здесь может быть быт космонавтов на Международной космической станции (МКС), где не пропадает ни капли воды. В идеале на Земле следует стремиться к построению похожей системы абсолютной очистки.

НИИ ВОДГЕО – единственная в России научно-исследовательская организация, комплексно решающая такие вопросы. «Применительно к сточным водам первое, что приходит в голову, – водоочистные реагенты. Так называемые флокулянты – не что иное, как полимеры. Самый популярный из них создан на основе полиакриламида. Принцип действия простой. Они позволяют увеличить размеры излишних частиц и удалить их из воды. Фактически они абсорбируют на себе все лишнее», – говорит Александр Поляков, руководитель отдела №15 НИИ ВОДГЕО. Еще одной важной стадией является биохимическая очистка. «Она основана на том, что мы искусственно создаем условия, благоприятные для микроорганизмов, которые загрязнения перерабатывают банально в воду и СО2», – добавил он.

Боевые единицы

Основа фильтрующих элементов в системах водоочистки – это, как правило, нефтехимия. Так, торообразные диски из полипропилена являются ключевыми компонентами так называемого дискового фильтра для воды. «Фильтрация в данном устройстве происходит во время пропуска жидкости через цилиндр заполненными торами из множества полимерных элементов, которые укладываются слоями. Диски имеют от 200 до 400 специальных насечек, которые проходят по всей их ширине и задерживают загрязнения. Размером данных насечек, которые в различных типах могут варьироваться от 20 до 400 микрон, определяется степень фильтрации воды. Процесс очистки самого устройства происходит просто: нужно лишь с определенной периодичностью перенаправлять поток воды, который вымывает накопленные загрязнения. Дисковые фильтры применяются как при подготовке питьевой воды, так и для очистки сточных вод. Они хорошо себя зарекомендовали благодаря таким свойствам полимерных дисков, как коррозионная стойкость, гибкость, низкая восприимчивость к деформациям и долговечность», – рассказал Алексей Никитин, инженер-технолог из компании «Промводоочистка».


Жители Сингапура уже сегодня пьют переработанную воду. Для этого создана многоступенчатая система очистки стоков
Особые виды полимеров – полисульфоны – используют также в мембранах ультрафильтрации, которые способны обеспечить самую высокую на сегодня степень механической очистки воды. Корпус мембраны состоит из трубок, которые похожи на макароны. Вода, двигаясь по ним, просачивается под давлением через стенки, поскольку ее сквозному проходу мешают специальные заглушки. Таким образом идет очистка. Полимерные материалы используются и в мембранах рулонного типа для установок обратного осмоса, работающих по схожим принципам. По словам Алексея Никитина, пока что такие установки являются самым передовым решением для тонкой очистки воды.

Однако что делать с очень сложными загрязнениями? Например, с очисткой воды после разлива масел и нефтепродуктов? «Лессорб» – одна из старейших отечественных частных компаний, специализирующихся на решении таких задач. Ее история началась больше 20 лет назад, когда группа ученых из Университета леса (в настоящее время является подразделением МГТУ им. Баумана) получила от компании «Транснефть» заказ на создание отечественного сорбента для ликвидации нефтяных загрязнений. Исследователи предложили использовать мхи. Продукт, разработанный на их основе, оказался по своим характеристикам лучше зарубежного аналога, что позволило создать опытное производство и основать компанию, которая стала быстро расширять перечень выпускаемой продукции.

Так, уже через год в ее ассортименте появились высокоэффективные боновые заграждения. Это такие блоки, создающие в воде своеобразный забор, препятствующий расширению зоны загрязнения. «Они изготавливаются из полимеров. В зависимости от назначения могут быть разной формы (круглые и плоские), обладать разными характеристиками плавучести (переменной либо постоянной). Их используют при разливах нефти, устанавливая на пути движения пятна», – говорит Дмитрий Фимушкин, начальник отдела маркетинга и технологического сопровождения продукции компании «Лессорб».

Ликвидация аварии на практике выглядит примерно так. На место прибывает команда специалистов, которая устанавливает анкеры – хранилища, в которые должны быть в итоге собраны загрязняющие вещества. Затем в дело идут боны. Тактика работы с ними включает в себя один из двух вариантов действий: сорбирующие боны впитывают загрязнения (они одноразового использования), а заградительные локализуют нефтяное пятно. При этом данные изделия можно использовать как в пресной, так и в морской воде.

По словам Дмитрия Фимушкина, сейчас в компании делают акцент на надувных бонах из нового для подобной продукции материала – неопрена (ранее в основном использовался неармированный поливинилхлорид). «Он заинтересовал нас в первую очередь такими характеристиками, как прочность, износостойкость и долговечность. 5–10-кубовые емкости, изготовленные из данного материала, можно без дополнительного крепежа поднять из воды краном и спокойно положить в кузов автомобиля либо при отсутствии дорог отбуксировать на необходимое расстояние прямо по воде», – рассказал Дмитрий Фимушкин. Использовать боны из неопрена можно и в условиях Арктики, для которых создаются их специальные, тяжелые модификации. Они могут запросто выдержать удар льдины и очень пригодятся при разработке арктического шельфа.

Вечная труба


В Москве при замене коммуникаций по проекту «Моя улица» используются пластиковые трубы
Однако только очистки воды в современной системе водоснабжения недостаточно. После того как этот этап пройден, воду нужно доставить потребителю без загрязнений. Эту задачу способны решить качественные водопроводные трубы, в частности полимерные. Когда самые первые пластиковые трубы, произведенные 60 лет (полиэтилен) и 80 лет назад (ПВХ), раскопали по завершении положенного им срока службы, то оказалось, что они износились всего на треть от ожидаемого уровня. Это позволило пролонгировать срок их службы в сетях ЖКХ и сэкономить на этом значительные средства. В Центральной Европе закреплен уже 100-летний срок службы полимерных труб.

«Конкуренцию в части времени могут составить разве что изделия из чугуна с шаровидным графитом (они служат около 60–80 лет). Но из-за дороговизны материала они применяются только в очень узких областях. То же самое касается нержавеющей стали, которая прекрасно себя показала при эксплуатации, однако настолько дорога, что трубы из нее не делают вовсе. Что же касается изделий из черной стали, то в городах они исправно служат два-три года, а в поселках – до 10 лет за счет исключения такого коррозионного фактора, как блуждающие токи», – прокомментировал Владислав Ткаченко, заместитель начальника управления по взаимодействию с государственными органами и отраслевыми сообществами компании «Полипластик».

Именно благодаря характеристикам полимерных водопроводных труб стало возможным обеспечить доставку чистой воды при достижении максимальной герметичности системы, что позволяет минимизировать потери и экономить ресурсы. В случае же с канализационными трубами полимерные материалы дают возможность снизить загрязнение грунтовых вод (проблема протечек) и уменьшить нагрузку на очистные сооружения. Особенно успешно это получается в случае использования пластиковых труб совместно с полимерными колодцами, в результате чего коммунальные службы имеют возможность получить очень надежную систему, состоящую из одного материала.

Как оно, на орбите?

Первые космические аппараты не имели сложных систем регенерации воды и выбрасывали все отработанные вещества прямо в космос. Ситуация изменилась тогда, когда пилотируемые экспедиции стали более продолжительными. Отечественные инженеры придумали многое для того, чтобы космонавты могли проводить длительное время на орбите.


Саманта Кристофоретти, обладательница рекорда продолжительности полета среди женщин (199 суток 16 часов 42 минуты), показывает, как на МКС устроен душ
«Русские опередили нас в этой области. Еще космические аппараты «Салют» и «Мир» были способны конденсировать влагу из воздуха и использовали электролиз – пропускание электрического тока через воду – для производства кислорода», – говорил об этом Робин Карраскилло, технический руководитель проекта по разработке системы контроля среды и жизнеобеспечения (ECLSS), использующейся в настоящее время на МКС.

На орбите создана цикличная система обращения воды. В системе ECLSS для очистки применяется так называемая парокомпрессионная дистилляция: жидкость кипятится до тех пор, пока основной объем воды из нее не превратится в пар, который затем поднимается во вращающуюся камеру, где он охлаждается и конденсируется в чистую воду.

Полученный дистиллят смешивается со сконденсированной из воздуха влагой, а затем проходит фильтрацию. Финальной стадией очистки является добавление в воду реагентов для замедления роста микробов, после чего ее уже можно пить.

С помощью данной системы удается восстанавливать всю влагу, содержащуюся в воздухе и выделять 85% чистой воды из жидкостей, что соответствует суммарной эффективности, равной 93%.

Речной рубеж

Чтобы показать, с чем приходится иметь дело на практике, рассмотрим ситуацию на примере реки Амур. Площадь ее бассейна равна 1,85 млн км2, что позволяет Амуру располагаться в «хит-параде» величайших рек России на четвертой строчке. Амур является основным источником питьевой воды для целого ряда населенных пунктов Дальнего Востока, в том числе одного из крупнейших – Хабаровска. Однако у реки много притоков, и они загрязнены.

Амур – главный источник воды для 1,3 млн жителей Хабаровска. Но река сильно загрязнена
«Во-первых, это отходы, которые попадают в воду с китайских производств и свалок. Во-вторых, пестициды, которые приносятся с полей во время паводков. Третьей проблемой является наличие другого класса удобрений – фосфатов, которые также идут преимущественно с китайской стороны», – говорит Светлана Левшина, старший научный сотрудник Института водных и экологических проблем Дальневосточного отделения РАН.

Для очистки воды в Хабаровске применяются разные способы. Например, с минеральными загрязнениями (песок и частицы грунта) борются с помощью фильтрации и отстаивания. Для ликвидаций органических загрязнений применяется обработка воды специальными бактериями. С биологическими загрязнениями (различными микроорганизмами) справляются чаще всего с помощью химии. Методы борьбы зависят от содержания конкретных стоков.

В Хабаровске для этого применяется хлорирование. Это проверенный способ, его используют с начала XX века. В то время это был прорыв, ведь удалось махом решить многие проблемы: избавиться от неприятного запаха воды, устранить причины кишечных инфекций и, что самое важное, обуздать эпидемии тифа и холеры.

Однако сейчас есть и более современные методы очистки: в Хабаровске, например, планируется переход на методику озонирования.


Чище природного


Для очистки нефтяных загрязнений исследователи сначала предложили использовать мох с болот
Одна из самых эффективных систем очистки промышленных стоков в настоящее время действует на заводе «Воронежсинтезкаучук», который входит в число крупнейших производителей синтетических каучуков страны. В первую очередь вода, проходящая через заводскую систему, освобождается от механических примесей, для чего используется комплекс тонкопрозорных барабанных решеток, совмещенных со специальной песколовкой.

Следующий этап – напорная флотация. Здесь сточные воды смешиваются с химическими реагентами и подаются в камеру, где при помощи эффекта адгезии проходящих через жидкость пузырьков воздуха происходит окончательная ее очистка от латекса, каучуковой крошки и других взвешенных веществ. После этого воду подвергают биологической очистке по технологии биореактора с прикрепленной микрофлорой, которая забирает растворенные в воде органические вещества, и фильтруют ее через крупный кварцевый песок. На финальной стадии воду еще просвечивают с помощью большого количества ультрафиолетовых ламп, для того чтобы устранить все болезнетворные бактерии.

Подобная система позволяет специалистам предприятия доводить химический состав воды до норм сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения. Более того, те стоки, которые «Воронежсинтезкаучук» сбрасывает в Воронежское водохранилище, при сравнительном анализе оказались даже чище, чем сами по себе воды этого водоема. Мощность системы очистки стоков в настоящее время составляет 305 тыс. м3 в сутки – она подвергает очистке не только воду с предприятия СИБУРа, но и промышленно-бытовые стоки всей левобережной части Воронежа.

Похожая система очистки действует и для нужд еще одного производителя каучуков – предприятия «Тольяттисинтез», которое также входит в СИБУР. В настоящее время его очистные сооружения обрабатывают 85 тыс. м3 воды в сутки (около половины – городские стоки), но их мощности будут значительно увеличены после завершения проекта реконструкции, которая намечена на 2017 год.

Время не стоит на месте, и специалисты продолжают искать новые способы применения химии для эффективной очистки воды. Уже в самом ближайшем будущем инженеры-разработчики могут серьезно улучшить процесс, предложив использовать для самой тщательной конечной обработки воды фильтрующие мембраны из полимерных наноматериалов – методику нанофильтрации. Кроме того, перспективным является применение процесса фотокатализации, позволяющей выводить растворенные и взвешенные примеси из поверхностных источников воды без предварительной подготовки. То есть нам предстоит еще многое узнать об отношениях химии и воды, о чем наш журнал продолжит рассказывать. 

Александр Буланов


почитать еще
Покемон  для Золушки

Покемон для Золушки

Можно ли заменить импортные пластики отечественными? Звучит неплохо, но нет. Хотя бы потому, что далеко не все мы научились делать сами. Нужна фея, которая поможет Золушке стать принцессой. Россия – хороший рынок сбыта для всего нового. Взять хотя бы игру Pokеmon Go, которая еще до официального релиза стала сенсацией. Вот только делиться технологиями с нами мало кто хочет, предпочитая прямые продажи или «отверточную» сборку.

читать полностью
Суррогаты наступают

Суррогаты наступают

Риск встретить некачественный товар или поддельный бренд есть всегда – начиная от продуктового рынка и заканчивая выставкой перспективных вооружений. Не являются исключением и изделия из полимеров. В том, почему на прилавках может появиться суррогатный товар и как потребителю распознать его, разбиралась «Нефтехимия РФ».

читать полностью
Современная алхимия

Современная алхимия

В Средние века людей, желающих изменить сущность материалов, к примеру превратить свинец в золото, считали колдунами и без зазрения совести отправляли на костер. Сегодня же такими опытами занимаются тысячи исследовательских лабораторий – пытаются создать стекло прочное, как сталь, или резину, невосприимчивую к огню. И далеко не последнюю роль в таких изысканиях играют полимеры. О том, что получается в итоге, «Нефтехимия РФ» спросила представителей различных индустрий.

читать полностью