Кристально чисто: в Тамбове создали уникальный фильтр для воды

Новый материал для очистки воды на основе графена разработали специалисты Тамбовского государственного технического университета. Он позволяет удалять любые загрязнители, включая сельскохозяйственные пестициды и радиоактивные вещества. При этом материал полностью безопасен для человека.

Мёртвая вода

В одном из жилых комплексов адыгейского посёлка Яблоновский 2020-й год встречали с отключённой по причине аварии водой. Спустя четыре дня ремонтных работ вода всё-таки появилась. Но была она настолько грязная и зловонная, что использовать её никто не решался. Несмотря на очевидный факт, представители управляющей компании уверяли, что с водой всё в порядке, поэтому и исправлять ситуацию не торопились.

Проблема обрела более серьёзный характер, когда в местную инфекционную больницу один за одним начали поступать жители ЖК «Компаньон». Первой с симптомами острого кишечного отравления обратилась Виолетта Майшева. Одновременно и у неё, и у её четырёхлетней дочки поднялась температура. Затем диарея и рвота, которая продолжалась в течение 15 часов. Спустя пару дней неприятные симптомы проявились и у младшей шестимесячной дочери.

В отделении Виолетта наблюдала, как с теми же жалобами поступают её соседи. Никаких объединяющих их факторов, кроме водопроводной воды с резким запахом канализации, не было.

Постепенно состояние больных улучшалось, но стоило им вернуться домой и просто почистить зубы с проточной водой, как всё начиналось заново. Всего об отравлении заявили как минимум 50 человек. Руководство управляющей компании, конечно, обещало взять пробы и выяснить причины, но ради своей же безопасности жители ЖК стараются пользоваться исключительно бутилированной и фильтрованной водой. Только так им удаётся избежать повторения истории.

Проблема грязной проточной воды не нова. В 2016 году Роспотребнадзор подсчитал, что она становится причиной смерти в среднем 19 тысяч человек в год. Но не напрямую, а как бы косвенно. Вредные примеси и пестициды, которые попадают в организм вместе с водой, провоцируют патологии мочеполовой системы, заболевания органов пищеварения, болезни кожи и новообразования, которые и озвучиваются в качестве основной причины смерти. И всё это несмотря на многоступенчатые системы обеззараживания воды.

Медленно, опасно, дорого

Фильтрование в муниципальной системе водоснабжения стало применяться только в XIX веке. Впервые это произошло в шотландском городке Пейсли в 1804 году. Там был построен медленный песочный фильтр. Выглядит он как открытый резервуар шириной до 6 метров и длиной до 60 метров, на дне которого находится дренаж: дырчатые трубы, кирпичи, бетонные плиты, уложенные с прозорами. Над дренажем лежит поддерживающий слой гравия, щебня и гальки. Далее – фильтрующий слой из хорошо промытого мелкопористого песка. Слой воды над всей этой насыпью может достигать 1,5 метров. Фильтруется он со скоростью 100-200 литров в час на один квадратный метр под действием силы тяжести.

В начале цикла очищения на поверхности фильтрующего слоя естественным образом создаётся фильтрующая плёнка. Она состоит из оседающих примесей воды (глины, песка, силикатных пород). Плёнка проницаема для воды, но непроницаема для примесей, находящихся в ней. Проходя через неё, вода оставляет в ней взвешенные нерастворённые частицы веществ. То есть очищение воды таким образом носит чисто механический характер. Несмотря на это, оно довольно эффективное – из воды удаляется до 98% загрязнений, в том числе бактериальных. Но из-за низкой скорости фильтрации и внушительных размеров сооружения в наше время такие фильтры практически не используются.

Тогда же, в XIX веке, медики признали, что с питьевой водой распространяются инфекционные болезни. Началась эра хлорирования, обогащения воды хлором. Он убивает большинство бактерий, делая воду безопасной для использования. Впервые этот метод применили в 1870 году в Лондоне после эпидемии холеры. И используется он до сих пор.

Стоит хлорирование дёшево, работает эффективно. Но вступая в реакцию с органическими соединениями, хлор может превратиться в токсичный для человека хлороформ. Он вызывает проблемы с пищеварением, нервной и сердечно-сосудистой системами, провоцирует развитие онкологии.  

Альтернатива – озонирование, обогащение воды озоном. Его получают из атмосферного воздуха в специальных аппаратах – озонаторах. В них на воздух воздействуют электрическим зарядом, в результате которого и выделяется озон. Это бесцветный газ, молекулы которого состоят из трёх атомов кислорода. Его запускают в воду. Спустя небольшой промежуток времени молекула озона распадается, возвращаясь в своё естественное состояние – двухатомную молекулу кислорода. Оставшиеся атомы-одиночки присоединяются к бактериям в воде, разрушая их.

Преимущество озона в том, что он полностью распадается, не образуя вредных соединений. Но озонаторы стоят дорого. А сам по себе озон – токсичный газ, применение которого должно строго контролироваться системами безопасности.

Берегитесь, загрязнители!

Разработать новый способ очистки воды взялись специалисты Тамбовского государственного технического университета. По словам учёных, материалы и системы, которые используются в настоящее время, не могут очистить воду от современных сельскохозяйственных пестицидов, мутагенных диоксинов, а также радиоактивных веществ. А их разработка на основе графена может.

Графен – это одна из форм углерода, которая существует в различных кристаллических модификациях: графит, алмаз и другое. Выглядит он как плоские листы толщиной в один атом, состоящие из шестиугольных ячеек. На сегодняшний день это самый тонкий и прочный материал, известный человеку.

Разработка учёных ТГТУ представляет собой аэрогель – чёрный порошок, похожий на измельченный уголь. Он создавался на основе уже существующих прототипов, применение которых невозможно из-за высокой стоимости и наличия токсичных соединений в составе.

Для создания безопасного материала учёные сначала получили оксид графена (соединение углерода, водорода и кислорода) путём обработки графита сильными окислителями. Затем смешали его в воде с соединением трёхвалентного железа. Полученную смесь довели до температуры кипения, при которой её компоненты начинают взаимодействовать. В процессе вещества распались, образовав уксусную кислоту. Её нейтрализовали щёлочью. После чего провели восстановление продукта солью аскорбиновой кислоты. В результате в осадок выпал тот самый чёрный порошок, который отфильтровали и обработали спиртом.

Новый материал имеет аномально высокую удельную поверхность, то есть суммарную поверхность всех его частиц – чем меньше размер этих частиц, тем больше поверхность. Пористость аэрогеля тоже высокая – около 99%, что позволяет ему поглощать нефтепродукты в объемах, которые могут превышать его собственные в 200 раз.

Принцип работы материала прост: его высыпают в воду, где в течение некоторого времени он впитывает в себя загрязнения методом адсорбции. Поглощаемые вещества сначала просто прилипают к поверхности твёрдого тела, а потом поглощаются им за счёт большого числа внутренних пор. Чтобы извлечь порошок из воды, используют магнит – благодаря составу он свободно притягивается.

Новый аэрогель приблизительно в 15 раз эффективнее, например, угля, который тоже нередко используется в современных очистительных системах, и в разы безопаснее хлорирования, поскольку никак не взаимодействует с загрязнителями.

Низкой стоимости материала учёным удалось добиться за счёт небольшого количества стадий его изготовления, а также многокомпонентности – кроме графена, материал содержит совсем недорогие природные вещества. Специалисты ТГТУ также отмечают, что новый аэрогель имеет неограниченный потенциал к доработке – добавляя различные модификаторы, его свойства можно улучшать бесконечно.

Автор: Анна Добровольская

По материалам: https://www.sciencemon.ru/office/org/blog/258093/