Ученые создали новую технологию уничтожения техногенных отходов

11:32, 23 марта 2022

Двухэтапная методика экологична и выгодна для реализации

ПХБ можно сжигать на любом мусоросжигательном заводе, утверждают исследователи. Фото: unsplash.com / Dimitry Anikin.

Ученые Уральского федерального университета и Уральского отделения РАН предложили новый способ ликвидации полихлорированных бифенилов. Это токсичные отходы производства, которые накапливаются в жировых тканях людей и животных, загрязняют окружающую среду. Новый двухэтапный подход экологически безопасен и может быть реализован на базе существующих предприятий по утилизации. Описание методики и результаты экспериментов опубликованы в журнале Chemical Papers. Разработку поддержал РФФИ (проект № 18-29-24126).

Полихлорированные бифенилы (ПХБ) — это хлорароматические соединения, относящиеся ко второму классу опасности (высокоопасные). Эти соединения способны накапливаться в организме человека, вызывая онкологию, аллергию и сильное отравление вплоть до летального исхода. Подсчитано, что в российских энергосистемах было задействовано около 10 тыс. трансформаторов и 500 тыс. конденсаторов, где в качестве диэлектрика использовались ПХБ.

Наиболее эффективным способом уничтожения ПХБ является сжигание, однако для успешной ликвидации веществ необходимо соблюдать правило «трех Т»: высокая турбулентность, нахождение вещества в зоне реакции в течение двух-трех секунд и температура в зоне сжигания выше 2000 °С. Высокая температура необходима для избежания образования диоксинов и фуранов — кумулятивных ядов, образующихся из ПХБ при высоких, но недостаточных для полного сгорания, температурах. Создание печей с учетом всех требований предполагает наличие отдельных конструкторских мероприятий и высокотехнологичных мощностей, поэтому уральские ученые разработали двухэтапную методику, облегчающую процесс ликвидации ПХБ. Технология выгодна тем, что не требует строительства специальных заводов с печами, способными поддерживать температуру не ниже 2000 °С. При использовании нового подхода потребуются более низкие температуры, поддержание которых возможно в существующих печах на заводах по утилизации отходов.

«Первым этапом является химическая функционализация — замена атомов хлора в исходных структурах ПХБ гидроксильной группой ОН. Именно хлор представляет опасность при сжигании, поэтому важно минимизировать его количество в составе вещества. Заменить все атомы хлора традиционными химическими методами, к сожалению, невозможно, но можно заменить несколько атомов на более нейтральные химические группы. Тогда при сгорании функционализированных ПХБ из ОН-групп будет образовываться только вода и безопасные для здоровья соединения», — говорит соавтор исследования, ведущий научный сотрудник лаборатории фторорганических соединений Института органического синтеза им. И. Я. Постовского УрО РАН Татьяна Горбунова.

Решающим этапом схемы уничтожения является термическое разрушение. После функционализации процесс сгорания новых производных полихлорбифенилов идет эффективнее и при более низких температурах. Ученые выяснили, что для сжигания химически переработанных ПХБ достаточно температуры в 600−700 °С. Конечными продуктами термической деструкции являются минеральные вещества: вода, углекислый газ, соляная кислота, не представляющие прямой опасности для человека. Диоксины и фураны в конечных продуктах не образуются.

«Результаты наших экспериментов говорят, что гидроксипроизводные полихлорбифенилов можно сжигать на любом мусоросжигательном заводе. Например, в 2015 году в Ярославле был запущен завод по утилизации опасных отходов, основные технологии там представлены как раз термическими методами. Но в печах завода уничтожают только твердые отходы, загрязненные ПХБ: промасленные расходные материалы и загрязненный грунт. Ликвидировать жидкие технические смеси запрещено законодательством, ввиду опасности образования кумулятивных ядов. Поэтому мы предлагаем решить эту задачу путем комплексного подхода и обезвредить исходные опасные вещества. Кооперация научного потенциала нашей группы и мощностей мусоросжигательных заводов может стать оптимальным решением проблемы ликвидации жидких запасов ПХБ», — поясняет старший научный сотрудник научной лаборатории перспективных функциональных неорганических материалов УрФУ Татьяна Куликова.

Ученые отмечают, предлагаемая схема уничтожения требует дальнейшей промышленной экологической экспертизы.

Справка

Полихлорированные бифенилы — группа органических соединений, включающая в себя 1–10 атомов хлора, соединенные с любым атомом углерода дифенила (органическое соединение, ароматический углеводород). ПХБ обладают высокими теплофизическими и электроизоляционными характеристиками, термостойкостью и огнестойкостью, хорошей растворимостью в жирах, маслах и органических растворителях. Это способствовало их широкому применению в качестве диэлектриков в трансформаторах и конденсаторах, гидравлических жидкостей, теплоносителей и хладагентов, смазочных масел, компонентов красок, лаков, клеевых составов и др.

ПХБ являются одними из самых распространенных антропогенных загрязнителей и относятся к стойким органическим загрязнителям (СОЗ) — классу высокоопасных химических средств, представляющих серьезную угрозу здоровью человека и окружающей среде. Отличительными чертами СОЗ являются устойчивость к деградации, острая и хроническая токсичность, трансграничный перенос на большие расстояния по воздуху, воде либо с мигрирующими видами.

В 2001 году после серии международных переговоров в рамках Межправительственного комитета при Программе ООН по окружающей среде была принята Стокгольмская конвенция. Она предусматривает сокращение или устранение выбросов в результате преднамеренного производства и использования СОЗ, а также сокращение или ликвидацию выбросов в результате их непреднамеренного производства. Российская Федерация подписала Стокгольмскую конвенцию в 2002 году, ратифицировала в 2011-м (Федеральный закон от 27.06.2011 г. № 164-ФЗ). Согласно Стокгольмской конвенции о стойких органических загрязнителях СОЗ, к 2028 году страны-участники соглашения должны ликвидировать на своих территориях все запасы ПХБ.