Комплексные сорбционные композиты на основе природных и модифицированных фильтрационных сорбентов для решения вопросов обеспечения безопасности объектов техногенных загрязнений и ядерного наследия.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-77-10050

НазваниеКомплексные сорбционные композиты на основе природных и модифицированных фильтрационных сорбентов для решения вопросов обеспечения безопасности объектов техногенных загрязнений и ядерного наследия.

Руководитель Белоусов Петр Евгеньевич, Кандидат геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии Российской академии наук , г Москва

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-116 - Радиогеоэкология, геологическая изоляция ядерных материалов

Ключевые слова природные сорбенты, адсорбция, фильтрационные композиты, ядерное наследие, техногенные загрязнения, тяжелые металлы, органические загрязнители, радионуклиды, цеолит, глауконит, диатомит, вермикулит, уголь, торф, глины

Код ГРНТИ38.35.24

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В результате функционирования промышленного комплекса, а также ядерного топливного цикла в России ежегодно производятся миллионы тонн отходов различного типа опасности. Помимо высокорадиоактивных отходов, для захоронения которых используют бентонитовую глину за счет ее противофильтрационных свойств, на территории России существует большое количество техногенных свалок и отвалов, зараженных тяжелыми металлами и органическими поллютантами. Проблема многих объектов техногенных загрязнений и ядерного наследия - близость гидрографических сетей (речных систем) и необходимость применения не только гидроизоляционных барьеров, но и установки конструкций фильтрационных барьеров для эффективной сорбции отдельных элементов-загрязнителей. Подобные барьерные материалы могут использоваться как для засыпки загрязненных участков, так и в виде сменных фильтрационных блоков в системах слива сточных вод. Данный проект является логическим продолжением проекта РНФ 18-77-00015 "Инновационные сорбционные фильтрационные композиции для решения вопросов обеспечения безопасности объектов ядерного наследия" (руководитель Белоусов П.Е., 2019-2020). В результате его реализации были детально изучены свойства природных фильтрационных сорбентов, механизмы и величина сорбции радионуклидов, а также выявлены основные проблемы и переосмыслены принципы применения природных сорбентов. Было показано, что несмотря на высокую эффективность природных сорбентов и их модифицированных разностей, а также низкую стоимость, основным их недостатком являются низкие эксплуатационные свойства, а именно отсутствие стабильности, низкие показатели фильтрации и механической прочности. Настоящий проект рассчитан на создание многокомпонентного композита на основе природных и модифицированных сорбентов, обладающего высокими фильтрационным характеристиками, стабильностью и комплексной сорбцией. Использование комбинации различных по свойствам и механизмам сорбции сорбентов, позволит эффективно применять данные композиты для очистки вод, зараженных как тяжелыми металлами и радионуклидами, так и органическими поллютантами. Данные композиты будут сочетать в себе различные механизмы сорбции: ионный-обмен, комплексообразование, физическая адсорбция и механическая фильтрация частиц. На данный момент для очистки загрязненных вод используют различные методы очистки. Основными из них являются: химическая, механическая, физическая, физико-химическая и биологическая очистка. Все они показывают свою эффективность, в зависимости от типа поллютанта, однако, имеют ограничения и недостатки. К ним относятся большая избирательность сорбции, необходимость применения сразу нескольких типов сорбции, большой расход энергии и реагентов, дополнительное загрязнение стоков реагентами, сложность с утилизацией концентрированных стоков, получаемых в процессе очистки, чувствительность фильтров к изменению параметров стоков. Основным же недостатком является необходимость строительства очистительного комплекса, со своей инфраструктурой, дорогостоящим оборудованием и расходными компонентами. Более того, данные системы в основном подходят только для очистки контролируемых сточных вод и не приспособлены для грунтовых и поверхностных вод, а также в роли подстилающих и перекрывающих барьерных элементов на приповерхностных полигонах. По результатам исследований планируется разработать эффективный состав природных многокомпонентных сорбционных композитов, а также технологию получения пористых проницаемых гранул с высокой механической прочностью и стабильностью. Данные сорбционные композиты планируется использовать для очистки контролируемых сточных вод, поверхностных и грунтовых (технология "воронка и ворота"), а также как в виде фильтрационного подстилающего барьерного компонента для приповерхностных полигонов с отходами. Будет создана среднемасштабная макетная установка и проведена очистка загрязненных вод на реальных промышленных объектах. Преимуществом данных композитов является дешевизна и доступность сырья для их производства, высокая эффективность, простота эксплуатации, отсутствие необходимости в капитальных затратах на строительство промышленного очистительного комплекса, а также масштабируемость - возможность использования как мобильного, так и стационарного очистительного комплекса. В качестве исходных материалов для создания многокомпонентных композитов будут использованы природные сорбенты, обладающие высокой сорбирующей способностью к радиоактивным элементам, тяжелым металлам и органическим соединениям, а также их модифицированные разности: диатомит, цеолит (осадочный и вулканический), глауконит, вермикулит, торф, каменный и бурый уголь. По результатам предыдущих исследований было решено исключить из состава шунгит, поскольку он показал низкую сорбционную способность. Образцы природных сорбентов будут отобраны из наиболее качественных и перспективных месторождений РФ: Хотынецкое месторождение осадочного цеолита (Орловская обл.), Ягоднинское м-е вулканического цеолиита (Камчатский край), Инзенское м-е диатомита (Ульяновская обл.), Потанинское м-е вермикулита (Челябинская обл.), Каринское м-е глауконита (Челябинская обл.), м-я торфа верховых болот (Тверская обл.), Черногорское м-е каменного угля (респ. Хакасия), бурый уголь Павловского м-я (Приморский край). С целью проведения работ наиболее близких к реальным условиям, планируется провести эксперименты на загрязненных водах существующих промышленных объектов зараженных органическими поллютантами, тяжелыми металлами и радионуклидами: сточных водах полигона Саларьево (органические поллютанты и тяжелые металлы), загрязненных водах в районе промзоны металлургических и машиностроительных предприятий Подольска (тяжелые металлы и органика), жидких радиоактивных отходах радиохимического корпуса ИФХЭ РАН. Реализация данного проекта позволит получить как фундаментальные, так и прикладные данные о свойствах и возможностях применения природных и модифицированных сорбентов для обеспечения безопасности техногенных загрязнений и объектов ядерного наследия.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Природные сорбенты в своем естественном виде обладают высокой сорбционной активностью по отношению к ионам металлов, однако слабо взаимодействуют с анионами и органическими поллютантами. В связи с постоянным увеличением загрязнений данного типа в сточных водах их очистка является важной задачей. Модификация структуры минеральных и органических сорбентов позволила решить эту проблему, и значительно повысить селективность природных сорбентов по отношению к вредным веществам органического и анионного типа. Проведенные эксперименты по модификации природных сорбентов для улавливания анионов (на примере иодид-аниона) показали, что наилучшие результаты характерны для органомобентонита, органоглауконита, органовермикулита, а таккже для цеолита, модифицированного медью. Была разработана комбинированная технология очистки отходов гальванического производства и получения сорбентов смешанного типа на основе цеолита. Идея работы заключалась в использовании сорбентов на основе природного цеолита для комбинированного процесса, в котором сочетается очистка отходов гальванического производства от целевых катионов меди с последующей модификацией отработанного цеолита для получения сорбента для очистки сточных вод от иодид-анионов. Полученные результаты свидетельствуют об успешной очистке как отработанных растворов гальванического производства, так и о высокой сорбционной способности цеолитового сорбента по отношению к йоду. 2. Природные и модифицированные сорбенты могут применяться как в естественном виде, так и после грануляции. Дополнительная грануляция позволяет использовать комплексные, многокомпонентные смеси, улучшить механические и эксплуатационные свойства сорбентов и, в большинстве случаев, повысить их сорбционную активность. Были разработаны сорбционные гранулы на основе магнезиального вяжущего. Был предложен новый способ получения водостойких магнезиальных композиций – замена традиционных жидкостей затворения на водный раствор бикарбоната магния. В качестве сорбционной основы использовался цеолит и глауконит. Для получения пористых гранул в качестве порообразователя использовали водный раствор технической перекиси водорода. 3. Проведенные эксперименты по десорбции и последовательному выщелачиванию свидетельствуют о минимальной мобильности адсорбированных металлов на гранулированных сорбентах. Регенерация гранул щелочным раствором позволила повторно использовать гранулированные сорбенты. 4. Помимо использования природных сорбентов в виде гранул, разработана технология создания сорбционных инъекционных смесей на минерально-полимерной основе для создания подземных проницаемых барьеров и созданы проницаемые маты на основе геотекстиля. Закачка сорбционных инъекций позволяет создавать защитный проницаемый слой между приповерхностными полигонами с отходами или загрязненными территориями и нижележащими грунтовыми водами. Использование фильтрационных матов с гранулированными сорбентами возможно в качестве как подстилающих, так и перекрывающих слоев при сооружении приповерхностных полигонов с отходами, а также при рекультивации загрязненных территорий. https://www.gazeta.ru/science/news/2024/12/11/24598658.shtml 5. Изучение воздействия агрессивных факторов (температура, разные pH) на структуру и свойства сорбционных композитов, позволило установить, что несмотря на сильные изменения в структуре природных минералов, их сорбционная активность не снижается. Обработка проводилась 10% и 10М раствором NaOH, HCl и NaCl. Можно сделать заключение, что агрессивные факторы в виде кислой и щелочной среды, а также повышенной температуры могут приводить к сильным изменениям в структуре природных минералов, но не снижают их сорбционные характеристики. Возрастает степень дефектности минералов, что в целом положительно сказывается на сорбции. Однако, изменение рН среды с кислой на щелочную, может приводить к критическим изменениям и ухудшению сорбционных характеристик природных сорбентов. 6. В ходе реализации проекта были изучены реальные образцы вод промышленных предприятий, проведены эксперименты по их очистке. В результате были изучены и очищены воды Жуковского водоканала. Работы по очистке модельных вод, с предварительным внесением индикаторных количеств радиоизотопов цезия, стронция и йода, проводились на базе лабораторий ИФХЭ РАН и РХТУ. 7. В рамках апробации мобильной фильтрационной установки с использованием природных и модифицированных сорбентов собственного производства были проведены работы по очистке сточных вод на предприятии по производству азотно-фосфорно-калийных удобрений. При реализации данного проекта была разработана мобильная фильтрационная установка, а также сорбционные композиты для очистки вод от промышленных загрязнений различного характера. Предварительно были подготовлены композиты из природного и модифицированного цеолита и опоки. В результате проведенных работ, было очищено порядка 2 кубометров сточных вод. Анализировалось содержание фтора, хлора, нитратов, нитритов, сульфатов и аммония. Полученные результаты свидетельствуют о том, что содержание всех поллютантов было значительно снижено. Наибольшая степень очистки наблюдалась для аммония. https://ruclay.com/tpost/p9m9b7prk1-raboti-po-ochistke-stochnih-vod-na-predp 8. Применение того или иного сорбента для очистки вод и создания фильтрационных барьеров безопасности при чрезвычайных ситуациях в первую очередь должно быть обусловлено с точки зрения логистики и степени освоения месторождений природных сорбентов. В связи с чем большую роль играет наличие актуальной базы данных с информацией о доступных сорбентах того или иного характера, добыча и поставка которых возможна в короткие сроки. Важную роль играет и всестороннее развитие минерально-сырьевой базы природных сорбентов на территории Российской Федерации. Были проведены полевые работы с отбором образцов на Ковдорском месторождении вермикулита (респ. Карелия) и Каменноярском месторождении опоки (Астраханская обл.). Было изучено геологическое строение месторождений, минеральный состав и свойства сырья. Отобранные образцы вермикулита послужили материалом для дальнейших работ по исследованию стабильности природных сорбентов по отношению к агрессивным факторам, а также получению модифицированных образцов вермикулита. Каменноярское месторождение опоки является одним из немногих месторождений силицитов, с высоким содержанием опал-кристобалитовой фазы, но при этом имеющее высокие прочностные характеристики гранул. Полученные гранулы не распадаются в воде и не образуют тонкодисперсную фазу. Материал, отобранный во время полевых работ, послужил основной для экспериментов по созданию модифицированного сорбента, а также для наработки полупромышленной партии гранул.

Публикации

1. Орлова Т.В., Изосимова Ю.Г., Кутугин В.А., Толпешта И.И., Белоусов П.Е. Сорбция ионов свинца гранулированным сорбентом на основе глин в модельном эксперименте Материалы международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2025» (год публикации - 2025)

2. Журавлев А.А., Ефимов Е.Д., Белоусов П.Е. Влияние техногенных факторов на стабильности и сорбционные свойства природных сорбентов Материалы XI Международной научной конференции «Молодые – Наукам о Земле», Москва, т.2, с.16-19 (год публикации - 2024)

3. Белоусов П.Е., Румянцева А.О., Кайлачаков П.Э. Вулканогенные месторождения бентонита и цеолита Дальнего Востока Материалы XXVIII ежегодной научной конференции, посвященной Дню вулканолога "Вулканизм и связанные с ним процессы", г. Петропавловск-Камчатский, с. 248-250 (год публикации - 2025)

4. Румянцева А.О., Белоусов П.Е. Условия образования вулканогенных цеолитов месторождения Хонгуруу (республика Саха) Материалы XXVIII ежегодной научной конференции, посвященной Дню вулканолога "Вулканизм и связанные с ним процессы", г. Петропавловск-Камчатский, с. 115-118 (год публикации - 2025)

5. Журавлев А.А., Румянцева А.О., Ефимов Е.Д., Белоусов П.Е. Разработка сорбционных инъекционных композитов на полимерно-минеральной основе для создания проницаемых барьеров Материалы XVII Международной научно-практической конференции «Новые идеи в науках о Земле», г.Москва (год публикации - 2025)

6. Румянцева А.О., Кайлачаков П.Э., Белоусов П.Е. Влияние структурно-текстурных особенностей на сорбционные свойства цеолитов месторождения Хонгуруу (респ. Саха) Материалы XXVIII Международного молодёжного научного симпозиума имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр», Томск, Т. 1, С. 95-96. (год публикации - 2024)

7. Белоусов П.Е. Особенности условий образования и локализации месторождений природных сорбентов Материалы XXVIII Международного молодёжного научного симпозиума имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр», Томск, Т. 1, С. 56-57. (год публикации - 2024)

8. Белоусов П.Е. Изосимова Ю.Г., Тюпина Е.А., Козлов П.П., Покидько Б.В., Толпешта И.И. Влияние кислотной обработки на структуру и сорбционные свойства природных цеолитов Годичное собрание Российского Минералогического Общества «Минералогические исследования в интересах развития минерально-сырьевого комплекса России и создания современных технологий», Апатиты, с.239-240 (год публикации - 2024)

9. Белоусов П.Е., Горбунова Е.М, Ким К.Б., Нифталиев С.И. Крупская В.В., Рудмин М.А., Королева Т.А., Румянцева А.О. Magnetic and hydrophobic sorbent based on glauconite for the removal of oil slick from the water surface International Journal of Environmental Science and Technology, 1-12 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1007/s13762-024-05876-2

10. Румянцева А.О., Кайлачаков П.Э., Белоусов П.Е. Геологическое строение, минеральный состав и условия образования месторождения цеолитов Хонгуруу (респ. Саха) Материалы международной научной конференции молодых ученых «Молодые – наукам о Земле», МГРИ, т.5, с. 189-192. (год публикации - 2024)

11. Румянцева А.О., Белоусов П.Е. Особенности минерального состава и сорбционных свойств цеолитов месторождения Хонгуруу (респ. Якутия) Годичное собрание Российского Минералогического Общества «Минералогические исследования в интересах развития минерально-сырьевого комплекса России и создания современных технологий», Апатиты, с. 208-210 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.37614/978.5.91137.521.8.101

12. Белоусов П.Е., Тюпина Е.А., Козлов П.П., Изосимова Ю.Г., Толпешта И.И., Королева Т.А., Покидько Б.В., Крупская В.В., Румянцева А.О. Radioiodide Sorption on Natural and Acid-Treated Zeolite Minerals, 15, 494, 1-15 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.3390/min15050494

13. Белоусов П.Е., Крупская В.В., Румянцева А.О., Королева Т.А., Закусин С.В. Плеофациальные условия образования месторождений бентонитовых глин на территории Российской Федерации Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов (год публикации - 2025)

Возможность практического использования результатов
Результаты выполнения проекта могут быть использованы при создании комплексных сорбционных композитов на основе природных и модифицированных для обеспечения безопасности объектов техногенных загрязнений и ядерного наследия, а так же при создании фильтрационных буфером безопасности.