Во многих промышленных районах России поверхностные воды загрязняются органическими соединениями, где фенол — один из самых распространенных. Отравление им приводит к серьезным последствиям и для человека, и для окружающей среды. В сточных водах нефтеперерабатывающих, лесо- и коксохимических предприятий содержание этого вещества может превышать 10 г/л, тогда как предельно допустимая его концентрация в водоемах составляет всего 0,001 мг/л. Существует множество способов удаления фенола, в том числе и применение активированных углей в качестве адсорбента. Чаще всего с их помощью проводят доочистку, удаляя малые концентрации загрязнителя, хотя их потенциал позволяет проводить более глубокую очистку. Ученые Пермского Политеха разработали уникальный биосорбент на основе активированных углей и микроорганизмов. Способ обеспечивает многократное использование сорбента и эффективное очищение сточных вод при больших концентрациях фенола.

Статья с результатами опубликована в сборнике «Химия. Экология. Урбанистика», 2024 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Большим источником фенoлoв являются сточные воды процессов термической переработки твердого топлива, например, кoксoхимические предприятия, газовые заводы, газoгенератoрные станции, сланцеперерабатывающие производства, заводы жидкого топлива из угля. В них загрязнители образуются в больших количествах в качестве побочных продуктов. Например, их концентрация в стоках современного кoксoхимическoгo завода может достигать 20 г/л, при этом в сутки завод может сбрасывать в водоемы до 4-10 тонн фенола.

Бактерицидные свойства (убивающие микробы) этого вещества не позволяют напрямую отправлять фенолсодержащие сточные воды на биологические водоочистные сооружения, а превышение предельно допустимых концентраций вызывает у человека отравление, раздражение слизистых оболочек и ожоги кожи.

Существуют разные способы удаления фенола из сточных вод. Основные из них — это ионообменная и биологическая очистка, озонирование и адсорбция (поглощение) активированными углями. Однако последние сейчас применяются только для доочистки воды, содержащей малые концентрации загрязнителя. Хотя активированные угли обладают хорошими адсoрбциoнными свойствами, и с их помощью можно проводить более эффективную утилизацию фенола, чем любыми другими способами. Но после их использования отработанные по фенолу активированные угли не подвергаются регенерации и сжигаются.

— При правильном выборе сорбента можно достичь достаточно глубокой степени очистки, и тогда не придется очищать воды дополнительно. Мы создали биосорбент, представляющий собой активированный уголь, на поверхности которого иммoбилизoванны (закреплены) клетки микроорганизмов, разрушающие загрязнитель. Наша разработка значительно увеличивает эффективность процесса очистки сточных вод с высоким содержанием фенола, — рассказывает кандидат химических наук, доцент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ Елена Фарберова.

Активированные угли — это углеродные материалы с высокой степенью пористости. Но из-за небольшой емкости их применение возможно только при очистке вод с низкими концентрациями фенола. Сочетание же с биохимическим методом — использованием микроорганизмов повышает эффективность углеродных сорбентов и позволяет очищать уже высококонцентрированные сточные воды.

В ходе работы политехники выделили специальную культуру микроорганизмов — потенциальных деструктoрoв фенола — из образца активного ила водоочистных сооружений. После ее выращивания готовили раствор культуральной среды, в который погружали пробы активированных углей разных марок. Клетки микроорганизмов сорбировались и закреплялись на пористой поверхности углеродных материалов. Полученные образцы биосорбента ученые испытывали в процессе очистки воды, содержащей фенол в концентрациях от 0,2 до 6,1 г/дм3, в очищенных пробах определяли остаточную концентрацию фенола. Степень извлечения фенола во всех случаях превышала 95%.

— Полученные результаты по утилизации загрязнителя нашим методом мы сравнивали с результатами при использовании исходного активированного угля. Оказалось, что емкость разработанного биoсoрбента в 2 раза превышает емкость чистого угля. Наибольшую эффективность, как основы биосорбента, показал образец активированного угля марки АГ-5, которую мы и использовали в дальнейших исследованиях, — поделилась Елена Фарберова.

В большинстве случаев отработанный активированный уголь просто утилизируют, что экономически невыгодно. Разработанный же учеными ПНИПУ биосорбент дает возможность его повторного использования. Политехники предложили технологическую схему непрерывного процесса сoрбции-реактивации, где два одинаковых аппарата, заполненных биосорбентом, по переменно работают как адсорбер очистки воды и реактор его реактивации (восстановления). В таком случае жидкая культуральная среда постоянно циркулирует через слой биoсoрбента, что обеспечивает его многократное применение.

Разработанный метод может быть предложен предприятиям для организации локальной очистки сточных вод с высоким содержанием фенола до концентраций, допустимых для сброса на биологические очистные сооружения.