Фотокаталитическая (безреагентная) очистка воды от стойких органических загрязнений

Руководитель группы,

декан химического факультета ЮУрГУ

Авдин Вячеслав Викторович

доктор химических наук, доцент

avdinvv[at]susu[dot]ru

 

Цель проекта – разработка и внедрение нового безреагентного безотходного метода фотокаталитической деструкции трудноокисляемых органических поллютантов в водной среде.

Проблемы:

  1. Наиболее опасными для окружающей среды являются синтетические органические вещества, так как природная микрофлора к ним не адаптирована. Их называют стойкие органические загрязнения (СОЗ). К СОЗ относятся гербициды и пестициды, цианиды, производные фенола, нефтепродукты и др. Все эти вещества накапливаются в окружающей среде в лучшем случае на специальных полигонах. Многие из них попадают в атмосферу, в почву и в природную воду. Все существующие способы очистки от таких веществ, применяемые на практике – сорбция, ионный обмен и мембранная очистка – имеют один существенный недостаток – в результате их применения очищается одна среда, но загрязняется другая, хоть и в концентрированном виде.

Фотокаталитическая очистка заключается в том, что органические вещества разлагаются на катализаторах под действием УФ облучения (искусственного ультрафиолета или солнечного света) полностью до углекислого газа и воды и других простых веществ. Такой же процесс происходит с органическими загрязнениями в природе, но без катализатора СОЗ разлагаются очень долго.

Почему фотокатализаторы не внедрены в широкую практику до сих пор?
  1. Во-первых, сами подобные материалы с высокой эффективностью появились не очень давно – в последние 10-15 лет. Во-вторых, высокую эффективность катализаторов обусловливает малый размер зёрен. Наиболее эффективный коммерческий катализатор – Evonik P25 (Германия) – имеет размер зёрен 50…70 нм. Такой катализатор после очистки очень сложно удалять из воды. Поэтому обработка больших количеств воды очень дорогая.
  2. В последние несколько лет предложен способ, предполагающий создания гранул инертного матеиала, заполненного наночастицами катализатора. Размер последних можно снизить до 5 нм, что обеспечит высокую активность материала. Размер гранул можно увеличить до 1,5…2 мм. Такие гранулы можно отделять от очищенной воды в обычном отстойнике. После использования фотокатализатор будет возвращён в голову очистки. Регенерации не требуется. Гранулы будут работать в воде вплоть до полного истирания.
  3. Необходимо разработать способ получения гранул, максимально насыщенных наночастицами катализатора, активность которых в наибольшей степени проявляется по отношению к органическим поллютантам

Возможности:

На Химическом факультете и в НОЦ «Нанотехнологии» существует вся необходимая инфраструктура для решения данных задач. Существует коллоборация с Университетом Овьедо (Испания), результатом работы которой стали 5 публикаций Топ-10 и 2 диссертации PhD, защищённые сотрудниками ЮУрГУ в Испании. В области получения новых фотокатализаторов опубликовано более 20 статей в журналах Топ-25 (по б.д. Scopus и Web of Science), в том числе 3 – в журналах, первых в своём рейтинге. Защищено 5 кандидатских и две докторских диссертации и 2 диссертации PhD (в Университете Овьедо).

Результат/ «продукт»

Результатом является методика получения композитного фотокатализатора на основе TiO2/SiO2, свойства которого модифицированы под полное удаление из технологической воды коксохимического производства фенола и его производных, а также пилотная технология очистки.

Потребители результата / «продукта»

Предприятия металлургического профиля – ПАО «ММК», ПАО «Мечел», ПАО «Северсталь», ПАО «НЛМК» и др. Реализация проекта позволит избавиться от фенола – одного из сильнейших токсикантов в списке СОЗ – в технологической воде коксохимического производства, что существенно снизит негативное воздействие на окружающую среду и население.

Описание проекта

  1. Анализ литературы по вопросам управления селективностью фотокатализаторов.
  2. Синтез фотокатализаторов на основе TiO2/SiO2, имеющих высокую активность и селективность по отношению к фенолу и цианидам.
  3. Отработка процесса фотодеструкции фенола и цианидов на модельной воде и реальной технологической воде ПАО «ММК».
  4. Изучение кинетики фотодеструкции и кинетики осаждения гранул катализатора.
  5. Разработка математической модели процессов очистки воды и извлечения зёрен катализатора.
  6. Теоретическое и экспериментальное нахождение оптимальных рабочих характеристик гранул.
  7. Публикация статей в изданиях Топ-25 по б.д. Scopus и Web of Science.
  8. Защита ВКР бакалавров и магистров.
  9. Расчёт, разработка конструкции и изготовление пилотной водоочистной установки по требованиям ПАО «ММК».
  10. Внедрение разработанной технологии на ПАО «ММК».
  11. Разработка методики модификации поверхности фотокатализаторов для придания им требуемых свойств (каталитической активности, селективности по отношению к определённым загрязнениям и пр.).
  12. Патентование результатов.
  13. Разработка линейки катализаторов, свойства которых подогнаны под конкретные производства.
  14. Привлечение других индустриальных партнёров.
  15. Создание высокотехнологичного предприятия по производству катализаторов.

Стоимость проекта

Инвесторы (в т.ч. федеральные областные программы, гранты и т.п.):

Необходимый объем финансирования проекта, млн. руб.

2019

2020

2025

ПАО «ММК»

 

 

 

 

РНФ (планируется)

 

 

 

 

Сроки реализации проекта

01.09.2019 – 30.06.2022

Ключевые вехи проекта

Получение фотокатализатора, обеспечивающего безреагентное удаление из воды фенола и его производных

01.09.2019 – 30.06.2020

Теоретическое и экспериментальное исследование и оптимизация процессов фотодеструкции фенола и его производных в модельной и реальной воде цеха КХП ПАО «ММК»

08.01.2020 – 30.12.2020

Создание пилотной установки и отработка параметров её работы

10.01.2021 – 30.06.2021

Развитие теоретических представлений и их экспериментальное обоснование по модифицированию свойств катализаторов на основе металлоксидов.

30.06.2021 – 30.06.2022

Продвижение разработок на российском и мировом рынке. Создание высокотехнологичного производства по синтезу катализаторов.

30.06.2022 – …

Целевые индикаторы проекта

Показатель

Ед. измерения

Значение целевого индикатора

2019

2020

2025

количество патентов на изобретения по областям, определяемым приоритетами научно-технологического развития Российской Федерации, зарегистрированных в Российской Федерации и (или) имеющих правовую охрану за рубежом

шт

0

0

3

5

объем выполненных работ и услуг, завершившихся изготовлением, предварительными и приемочными испытаниями опытного образца (опытной партии)

шт

0

0

1

4

количество разработанных и переданных для внедрения в производство в организациях, действующих в реальном секторе экономики, конкурентоспособных технологий и высокотехнологичной продукции

шт

0

0

1

4

доля новой и усовершенствованной высокотехнологичной продукции в общем объеме отгруженной продукции

 

 

 

 

 

количество статей в областях, определяемых приоритетами научно - технологического развития Российской Федерации, в научных изданиях, индексируемых в международных базах данных «Scopus» и (или) Web of Science (для федеральных государственных образовательных организаций высшего образования и научных организаций)

шт

1

2

3

10

доля исследователей в возрасте до 39 лет в общей численности исследователей (процентов)

%

35

35

35

35

доля работников организаций, участвующих в создании центра, прошедших обучение по дополнительным профессиональным программам в соответствии с направлениями деятельности центра

%

0

10

15

20

количество иногородних обучающихся по образовательным программам высшего образования, прибывших из субъектов Российской Федерации, не участвующих в создании центра, а также иностранных обучающихся

чел.

5

7

10

15

количество новых высокотехнологических рабочих мест

шт

0

0

3

20

Ключевые партнеры проекта

Наименование участника проекта

Ключевая роль в проекте

Университет Овьедо

Совместные исследования и публикации

Количество подписанных соглашений с ключевыми индустриальными партнерами (протоколов о намерении)

  1. Подписан договор о намерениях с ПАО «ММК»

Координация научного проекта с мероприятиями национальных проектов и государственных программ

Национальный проект «Экология»

Оценка уровеня проекта на текущий момент исследования по показателям «исследование», «инновации», «производство», «рынок»

Шкала 10 баллов (0 – минимум, 10 – максимум)

Показатели:

исследование - 10

инновации - 10

производство - 2

рынок - 2

You are reporting a typo in the following text:
Simply click the "Send typo report" button to complete the report. You can also include a comment.