Не только уголь и грецкий орех
Один из распространенных способов очистки воды — активированный уголь. Он отлично впитывает примеси, но стоит дорого и требует сложного производства. Ученые давно ищут альтернативу — дешевое и доступное сырье. И нашли его в орехах. Грецкие, кедровые, абрикосовые косточки — все это уже изучено. Вот маньчжурский орех оказался белым пятном.
«Мы изучили литературу и встретили, что большая часть растительного сырья уже используется в качестве сорбентов. Много исследований, например, по грецкому ореху, кедровому и другим. А вот по маньчжурскому мы не наткнулись ни в нашей литературе, ни в зарубежной», — рассказывает Даниил Воронин, студент 4 курса.
Так и родилась идея, которая стала основой дипломной работы студента: взять то, что никто не изучал, и проверить, годится ли скорлупа для очистки воды.
Никель, медь и другие неприятности
Материал, который создал молодой ученый, нацелен на ионы никеля и меди. Эти металлы используются на производствах. Например, никелем покрывают детали, чтобы они не ржавели. В процессе образуются сточные воды с частицами металла. Просто так вылить их в реку нельзя, нужно очищать.
«Это необходимо на производствах для того, чтобы вода была чище и ее можно было сбрасывать спокойно», — объясняет студент.
Для Алтайского края тема актуальная. В регионе есть предприятия, где используют никелирование. И чем дешевле будет очистка, тем лучше для всех.
Уникальность маньчжурского ореха
У каждого ореха своя структура. Для сорбента важна пористость — чем больше пор, тем больше грязи он может в себя втянуть. У маньчжурского ореха структура особая. Ученым ее еще предстоит изучить и усилить.
«Мы рассматриваем всю опцию и потом модифицируем, то есть увеличиваем внутренние поры либо активируем центры для того, чтобы сорбция шла лучше», — объясняет Даниил.
Модификация — это химическая или термическая обработка. Скорлупу обрабатывают реагентами или нагревают, чтобы поры стали больше. Время обработки разное. Где-то хватает двух часов, где-то требуется шесть, а иногда и все сутки. Зависит от метода.
Если не мудрить и использовать скорлупу в сыром виде, достаточно просто измельчить ее и просеять. Получится нативный (необработанный) сорбент. Он работает, но в несколько раз хуже, чем тот, который прошел модификацию.
«Достаточно просто измельчить, просеять и отобрать нужную фракцию», — говорит Даниил.
При этом для серьезной очистки нужна модификация. Это дольше и сложнее, зато результат сопоставим с тем, что дают традиционные активированные угли из березы или других пород дерева.
Поисковые исследования без аналогов
Владимир Сомин, заведующий кафедрой ЮНЕСКО «Инженерная экология», подтверждает: разработка уникальна. Подобных сорбентов из маньчжурского ореха никто не получал. Маньчжурский оставался незамеченным.
Ученые решили заполнить эту нишу и сделать сорбент, который станет хорошей альтернативой активированному углю.
Такая разработка нужна там, где воду нужно очистить очень тщательно. Речь идет о так называемой тонкой очистке, когда из воды удаляют мельчайшие загрязнения — растворенные ионы органических и минеральных примесей. Они очень маленькие, и обычные фильтры их не берут.
«Наш материал прежде всего рассчитан на водоочистку и водоподготовку, когда речь идет о достаточно тонкой очистке воды. Он ориентирован на поглощение очень маленьких загрязнений — ионов растворенных органических и минеральных примесей. А они очень небольшие», — говорит Владимир Сомин.
Такая очистка нужна либо на производствах, которые требуют очень чистую жидкость для своих технологических процессов, либо на предприятиях, которые сбрасывают ее в реки и озера. По закону, сливать грязную воду нельзя, ее нужно доводить до безопасного уровня.
Добыть скорлупу и не съесть ядро
Самая большая сложность — не химическая, а механическая. У маньчжурского ореха очень плотная структура. Ядро маленькое, маслянистое, и его трудно выковырять, не повредив скорлупу. Сейчас ученые делают это в полуавтоматическом режиме. Где-то помогают машины, где-то приходится работать руками.
«Главная задача — раскрыть орех и вытащить ядро из отверстия. Это нам приходится делать руками, потому что внешняя часть оболочки отделяется достаточно легко», — рассказывает Владимир Сомин.
Сначала снимают околоплодник — внешнюю зеленую оболочку. Затем орехи засыпают в дробильную установку. Они дробятся на крупные куски по несколько сантиметров.
Потом вручную выбирают крупные куски ядра, которые остались нераздробленными. Они съедобные, но для сорбента не нужны. Наоборот, масла, которые в них содержатся, мешают. Их нужно удалить.
После этого крупную фракцию скорлупы засыпают в другой измельчитель, и получаются гранулы нужного размера. Но даже после этого в материале остаются следы масел. Приходится дополнительно их отделять.
В идеале весь процесс должен быть полностью механизирован. Но пока это вопрос будущего.
Съедобное и полезное
Маньчжурский орех — родственник грецкого. Ядро у них похоже по составу, такое же съедобное и полезное. Правда, у него ядра совсем мало. Зато в нем много йода.
«Ядро такое же, как и у любого ореха. Йода очень много в них», — объясняет ученый.
Но для сорбента ядро не нужно. Необходима именно скорлупа. Та самая твердая часть, которую обычно выбрасывают.
Изучая скорлупу, выяснилась еще одна любопытная вещь. Из внешней зеленой оболочки ореха — околоплодника — можно получать краситель. Эта технология уже давно известна, ученые просто проверили, подходит ли для этого маньчжурский орех, который растет в Барнауле. Гипотезы подтвердились.
«Применение красителей достаточно понятно, потому что технология уже хорошо отработана. Мы просто удостоверились в том, что в тех орехах, которые растут у нас в городе и пригороде, действительно есть этот красящий компонент и в каком количестве», — говорит заведующий кафедры.
Правда, есть нюанс. Орехи собирали с земли, а не с веток. На них могла поселиться не очень полезная микрофлора. Поэтому для пищевых красителей нужна дополнительная обработка и проверка безопасности. Это уже задача специалистов пищевой химии.
Для покраски тканей или бумаги такой краситель подойдет. Цвет получается коричневато-кофейный, благородный и красивый.
«Мы проводили такие исследования. Окрашивание фиксируется, может быть, не такое интенсивное, но мы, правда, и красителя брали немного. Цвета получаются коричневато-кофейные. Такие благородные, красивые», — делится Владимир Сомин.
Краситель из маньчжурского ореха не растворяется в спирте, зато растворяется в воде. Это маленький химический парадокс. Многие природные красители хорошо растворяются в спирте или масле, а этот — нет. Ученые пробовали экстрагировать его спиртами, кетонами, органическими кислотами, но ничего не вышло. Зато в воде он растворяется отлично.
«В природе устроено так, что лучше всего растворяется то, что с ним чаще всего контактирует, это вода», — говорит ученый.
Так что краситель из маньчжурского ореха — водорастворимый. Это делает его удобным для покраски тканей и бумаги.
Сорбент пока существует в виде лабораторного образца. До промышленного производства далеко. Нужно решить проблему механического извлечения ядра, наладить массовую модификацию и найти заказчика. Но первый шаг сделан.
