Кислые шахтные воды – это серьезная мировая экологическая проблема, которая остается после прекращения работы старых угольных шахт. В среднем они могут выходить на поверхность еще 50–100 лет после их закрытия, при этом отравляя почву, грунтовые воды и реки, нанося непоправимый ущерб экосистеме. Это крайне агрессивные стоки, содержащие высокое количество опасной серной кислоты, а также множество тяжелых и легких металлов (железо, алюминий, никель, кадмий и многие другие). Очистить их полностью – очень сложно, в особенности от лития, который представляет собой сильную щелочь 2-го класса опасности. Традиционные методы с его очисткой не справляются, к тому же требуют больших затрат и сложного оборудования. Ученые Пермского Политеха разработали инновационную и экологически безопасную технологию очистки кислых шахтных вод. Это позволит не только просто и эффективно обезвреживает опасные отходы, но и получать из них полезные продукты – ценные металлы для промышленности и удобрение для сельского хозяйства.
На изобретение получен патент.
Закрытие угольных шахт – это глобальный процесс, происходящий во всем мире, связанный в основном из-за их истощения. В таком случае компании отказываются от нерентабельных месторождений и концентрируют добычу на более крупных и перспективных участках. Основной пик пришелся на конец 20 века из-за исчерпания легкодоступных запасов, экономического кризиса и перехода на нефть и газ, что также снизило интерес к угледобыче. В России это особенно коснулось старых угольных бассейнов, неправильная ликвидация которых принесла колоссальный ущерб природе.
Причина этого – затопление заброшенных шахт, из-за которого вода, насыщенная различными металлами и серной кислотой, выходит на поверхность. Уровень таких компонентов многократно превышает норму, например, содержание железа может достигать 16 тысяч предельно допустимых концентраций. Такие стоки сложно очистить от всех загрязняющих элементов, которые к тому же являются веществами 2-го класса опасности (высокоопасные). Это значит, что они оказывают серьезное воздействие на живые организмы, отравляют земли и реки, восстановление которых в последствии может занять не менее 30 лет.
Существующие технологии сложны в применении, и не способны полностью удалить весь спектр вредных примесей. Особую угрозу среди них представляет литий, который является сильной щелочью и после очистки все равно остается в воде в агрессивной форме. Это делает ее непригодной для использования ни в промышленности, ни в сельском хозяйстве.
Ученые Пермского Политеха предложили простую, но высокоэффективную технологию для уничтожения всех вредных соединений в шахтных водах, которая кардинально меняет подход к проблеме.
– На первой стадии мы избавляемся от основных металлов, добавляя в токсичный сток небольшое количество (1–2% от всего объема) 10%-ный водный раствор аммиака. При такой концентрации всего за 2–3 минуты происходит реакция: ионы металлов взаимодействуют с аммиаком и выпадают в виде нерастворимых гидроксидов – безопасного осадка, который опускается на дно. Затем отделяем его от воды в специальном отстойнике, и в дальнейшем это можно использовать в промышленности для извлечения ценных соединений, например, железа или алюминия. Таким образом, в стоке остаются лишь сульфат аммония и вредный гидроксид лития, который в свою очередь мы также нейтрализуем, но уже с помощью углекислого аммония. Это реагент, преобразующий литий в безопасное вещество (карбонат лития), в результате чего он также выпадает в полезный осадок, – объясняет Ольга Ручкинова, заведующая кафедрой «Теплогазоснабжение, вентиляция и водоснабжение, водоотведение» ПНИПУ, доктор технических наук.
Получаемый в итоге продукт оказался многофункциональным. Ученые предлагают два варианта реализации обезвреженного лития: его можно извлечь в сухом виде для применения в разных отраслях промышленности – для покрытия камер сгорания ракетных двигателей, получения фарфора, эмали, глазури, грунтовки для алюминия, листовой стали и так далее. Если же оставить его в безопасной форме в очищенной воде вместе с сульфатом аммония, то получается готовое эффективное аммиачно-литиевое удобрение для сельского хозяйства, которое улучшает минеральное питание растений.
От имеющихся аналогов новая технология отличается тем, что позволяет очистить шахтную воду сразу как от тяжелых, так и от легких металлов, переведя их из 2-го класса опасности в форму 4-5, то есть в безвредную. Кроме того, предлагаемый способ упростил процесс обезвреживания вредных составляющих, и при этом дал возможность выделить ценные материалы.
Подбор точного количества реагента ученые проводили экспериментально на примере обработки кислой шахтной воды из Кизеловского угольного бассейна. Для этого добавляли разный объем 10%-ного раствора аммиака на 1 литр воды – от 4 мл до 24 мл.
– При недостаточном количестве реагента (4–8 мл) металлы уходили в осадок лишь частично и медленно (за 15 минут). При 15–20 мл результат достигался полностью всего за 2 минуты. После 30–40 минут отстаивания вода становилась прозрачной, и лабораторный анализ подтверждал, что в ней остаются только сульфат аммония и гидроксид лития. Для дальнейшей очистки оптимальным оказалось добавление 0,35 литра раствора углекислого аммония, – поделилась Ольга Ручкинова.
В итоге всё это доказывает, что новая технология позволяет очистить воду сразу от всех опасных компонентов и превратить их в полезные товарные продукты – металлосодержащий концентрат, карбонат лития или жидкое удобрение. Процесс прост, не требует дорогостоящих реагентов или сложного оборудования. Его можно адаптировать как для стационарных очистных сооружений, так и для обработки воды непосредственно в каналах шахтного самоизлива.
Разработка ученых Пермского Политеха – это значительный шаг в решении одной из острых проблем горнодобывающих регионов. Она предлагает переработать токсичные отходы с пользой для экономики и сельского хозяйства, одновременно восстанавливая поврежденные экосистемы. Внедрение этого метода позволит дать новую жизнь заброшенным шахтам, превратив их из источников опасности в ресурсные центры.
