Особую опасность представляет стронций — химический элемент, способный через воду и пищу попадать в организм человека и приводить к серьёзным нарушениям здоровья. Его стабильные формы усваиваются в костной ткани, замещая кальций, приводя к деформации и ломкости костей, поражению печени, почек и сердечно-сосудистой системы. Радиоактивные изотопы, такие как Sr-90, становятся источником внутреннего облучения и повышают риск развития лейкемии и других онкологических заболеваний.

Именно поэтому любые промышленные стоки, места утечек или природные водоёмы нуждаются в очистке. В основном для этого используют ионообменные смолы, которые «отдают» безвредные ионы, а «забирают» токсичные, или химические реагенты. Однако все они либо обладают довольно низкой сорбционной емкостью, либо требуют высоких энергозатрат, поскольку их синтез идет при высоких температурах (обычно 800–1000°С и выше). Кроме того, обычно им требуется больше часа, чтобы полностью связать загрязнитель. В аварийной ситуации это может быть критично — пока идет очистка, радиация успевает распространиться дальше.

Сегодня даже более эффективные природные сорбенты — например, из водных растений, кофейной гущи или глин — не используются массово. Причина в том, что для их получения нужна подготовка: сырьё надо определенным образом измельчить и обработать при высоких температурах, что делает их создание и внедрение дорогим и неудобным. Получается, что эффективного и одновременно дешевого решения для очистки воды от изотопов до сих пор нет.

Ученые ПНИПУ создали новый сорбент на основе бурых морских водорослей для удаления стронция. Предложенное решение способно связывать больше ионов и при этом работает в среднем в 3 раза быстрее, чем существующие аналоги.

В качестве сырья исследователи выбрали бурые водоросли Cystoseira barbata и не случайно. В их составе есть особые природные вещества, благодаря которым они лучше «захватывают» именно ионы таких металлов, как барий, радий, цезий и стронций.

Но так как сами по себе бурые водоросли связывают частицы недостаточно эффективно, учёные предложили новую технологию их обработки для усиления сорбционных свойств. Для этого сырье высушивают на воздухе, измельчают и промывают дистиллированной водой, чтобы убрать лишние примеси и подготовить поверхность. Затем обрабатывают специальными растворами-модификаторами, которые увеличивают количество активных групп на поверхности материала.

— В качестве модификаторов мы рассмотрели следующие составы: раствор полиакриламида (синтетический полимер), уксусная кислота и ферроцианид калия (соль). Чтобы понять, какой вариант работает лучше, приготовили три образца сорбента. Сначала водоросли заливали разными составами и выдерживали всего при 25–30°С, а затем высушивали. Потом каждую партию мы тестировали: брали раствор стронция, добавляли наш материал и измеряли, сколько ионов осталось в воде, — отметила Лариса Пан, доцент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ, кандидат химических наук.

Наилучшим оказался образец сорбента с полиакриламидом. По результатам испытаний он связывает до 129,84 мг стронция — это больше, чем у популярных аналогов на основе пектинов из морской травы.

Но главное преимущество — скорость. Сорбент в среднем в 3 раза быстрее: он срабатывает всего за 20 минут, тогда как традиционным решениям обычно нужно более часа. Такой результат достигается за счет того, что модификаторы увеличивают количество активных групп на поверхности водорослей — и им легче хватать токсичные частицы.

— Бурые водоросли и раньше задействовали для очистки воды — например, для удаления тяжёлых металлов, нефтепродуктов и органических загрязнителей, однако для стронция их не использовали. Впервые для этого сырья мы применили технологию обработки, не требующую высоких температур. Это выгодно отличает её от многих методов, где для получения природных сорбентов используют пиролиз — термическую обработку при 400–700°С и выше, — добавила Лариса Пан.

Разработанный сорбент на основе модифицированной биомассы Cystoseira barbata позволит очищать воду, в том числе питьевую, от ионов стронция. Он эффективен даже при высоких концентрациях загрязнителя, а значит, его можно применять и на предприятиях атомной отрасли для ликвидации последствий утечек. Внедрение таких биосорбентов в промышленную практику повысит экологическую безопасность и снизит риски для здоровья населения, связанные с воздействием стронция.