Цеолиты — минерал XXI века

Цеолиты (в переводе с греческого «кипящие» или «вскипающие камни») были открыты шведским исследователем Кронштедом почти 250 лет назад, и до начала 20-го столетия на эти минералы не обращалось сколько-нибудь серьезного внимания.

Первые испытания свойств природных цеолитов в России проводились в 1913 г. на опытном комбинированном фильтре станции Ейск Московско-Курской железной дороги с целью умягчения московской водопроводной воды и воды из артезианской скважины для котлов паровозов. Первое промышленное месторождение цеолитов было открыто в 1969 г. на территории Туркмении (Бадхызское направление). После этого стала создаваться сырьевая база нового вида полезного ископаемого — цеолитовых туфов, и началось их использование в разнообразных целях. В 90-х годах разрабатывалось несколько десятков цеолитовых месторождений в России и за рубежом.

По химической структуре цеолиты — это алюмосиликаты. Их скелетная структура содержит пустоты, занятые крупными ионами и молекулами воды, что приводит к ионному обмену и обратимой дегидратации. Кристаллическая решетка цеолитов сформирована тетраэдрами, в центре которых находятся атомы кремния и алюминия, а в вершинах — атомы кислорода. Суммарный отрицательный заряд атомов кислорода не скомпенсирован суммарным положительным зарядом атомов кремния и алюминия, поэтому кристаллическая решетка несет в себе избыточный отрицательный заряд. Это приводит к тому, что во внутренних полостях цеолитов содержится много катионов, в основном щелочных и щелочноземельных металлов, которые могут заменять друг друга. Таким образом, цеолиты обладают свойством ионообменника. В дегидратированной форме адсорбционная емкость одного грамма цеолита эквивалентна 800 м2. Примечательной особенностью цеолитов является наличие системы пустот и каналов в их структуре, которые могут составлять до 50% от общего объема цеолита, что обуславливает его ценность как сорбента. Входные отверстия из каналов в полости цеолитов, образованные кольцами из атомов кислорода, — наиболее узкие места каналов. Формой и размерами этих окон определяются величины ионов и молекул, которые могут проникнуть в полости, на чем основано применение цеолитов в качестве молекулярных сит. Цеолиты характеризуются высокой ионообменной селективностью к радиоактивным элементам, сорбционной способностью к тяжелым металлам, фенолу, аммонийному азоту и др.

В настоящее время область применения цеолитов очень широка.

Наиболее «древней» проблемой, которая решалась с помощью цеолитов, была очистка воды. Благодаря своим уникальным адсорбционным, ионообменным и каталитическим свойствам природные цеолиты гораздо успешнее, чем кварцевый песок, работают в фильтрах очистных сооружений и станций водоподготовки.

В журнале «Экология и промышленность» за 1996 г. опубликована статья доктора технических наук Р.А. Беляева, представляющего Амурский научный центр ДВО РАН. «На протяжении более пяти лет работы очистные сооружения с цеолитовой загрузкой (клиноптилолит) давали стабильное снижение в осветленной воде содержания хлоридов, сульфатов, меди, марганца, железа, остаточного алюминия, а также общей жесткости. Все эти показатели были значительно ниже ПДК.

С помощью цеолитовых фильтров можно очищать воду от меди, марганца, никеля, соединений железа в повышенных концентрациях. Цеолит как ионообменник катионного типа извлекает из воды тяжелые металлы, по сравнению с синтетическими смолами обладает повышенной избирательностью к ионам цезия и стронция. Эффективны цеолиты и в отношении органических соединений, например, концентрация наиболее распространенного в воде канцерогена бензапирена уменьшается в 260 раз».

В г. Мирном (Республика Саха, Якутия) замена загрузки действующих кварцевых фильтров очистных сооружений на цеолит позволила повысить производительность сооружений почти в два раза.

В Москве на Рублевской водопроводной станции с 1984 г. эксплуатировался производственный фильтр с клиноптилолитовой загрузкой производительностью 1000 м3/ч.

Доказаны несомненные преимущества цеолитовой загрузки скорых фильтров по сравнению с кварцевой на водоочистных сооружениях городов Коростель (Днепр), Петропавловск-Камчатский, Комсомольск-на-Амуре, Владивосток и др. Очень важно то, что цеолитовые фильтры выполняют барьерную роль при очистке воды от тяжелых металлов (меди, цинка, свинца, кобальта, никеля), радиоактивных изотопов (стронция, цезия, урана) и биогенных веществ (ионов аммония). Успешно применение цеолита также для обесфторивания, обезжелезивания, деманганации воды, очистки воды от микроорганизмов, в т.ч. кишечных вирусов.

Очистка сельскохозяйственных и промышленных стоков и выбросов в атмосферу — одна из важнейших сфер применения цеолитов во всем мире. Например, в г. Траки (США, штат Калифорния) с 1978 г. работает очистная установка (40 т природного цеолитового туфа, содержащего до 70% минерала клиноптилолита), очищающая 270 м3/ч сточных вод, содержащих аммоний, кальций, натрий, магний, калий. При проектировании установки этому способу очистки было отдано предпочтение перед биологической системой в связи с высоким стандартом чистоты и низкой температурой сточных вод. Такие же и более крупные системы очистки построены в других местах США.

Особенно вредным в сточных водах является аммонийный азот, превышение пределов концентрации которого равносильно присутствию яда, губительного для всего живого, в т.ч. и для рыб. Для сохранения рыбных богатств Япония расходует от 2400 до 4800 т цеолитов (стоимостью от $100 до $200 за тонну) в год для его разбрасывания в прибрежных зонах океана, где идет нерест рыбы. Так, в океан ежегодно «выбрасывается» $0,5 млн, и это вполне оправдано.

Начиная с 60-х годов применение цеолитов для защиты окружающей среды в США приобрело широкие масштабы главным образом благодаря деятельности комиссии США по атомной энергии. Эта комиссия решила проблему концентрирования и выделения радиоактивных элементов из отработанных вод, образованных атомными установками. Таким образом, природные цеолиты используются в данном случае как коллекторы радиоактивных отходов.

Проблему обезвреживания наиболее значительных по объему радиоактивных отходов низкой и средней активности на базе клиноптилолита на промышленной основе решают в Великобритании, Франции, Италии. Технологиями с использованием местных цеолитов решила проблему жидких радиоактивных отходов Куба, где построен специальный завод с высоким уровнем автоматизации. Использование перемычек, пробок, заградителей и буферов из природных сорбентов предусмотрено практически во всех разрабатываемых проектах захоронения отходов в могильниках, скважинах, шахтах и т.д. Цеолиты являются важным компонентом многобарьерных систем изоляции.
С впечатляющим эффектом цеолиты использовались в работах по ликвидации крупных аварий на АЭС («ТриМайл Айленд», США, 1981 г., Чернобыль, 1986 г.).

Ситуация, возникшая после аварии на Чернобыльской АЭС, привела к чрезвычайно сложному, многокомпонент-ному загрязнению водных ресурсов Украины. В мировой практике не было ничего подобного не только по масштабам работ, но и по сложности количественного и качественного состава радионуклидов, взаимно мешающих друг другу при очистке.

В Институте коммунального хояйства им. А.В. Думанского НАН Украины была разработана технология клиноптилолитовой очистки воды от радионуклидов, внедренная на ряде водопроводов. Эта технология снижает уровень радиоактивной загрязненности воды до трех порядков, что позволило достичь уровня, разрешенного Минздравом СССР для постоянного употребления. На базе этой технологии были также разработаны и построены пункты специальной обработки техники, которые успешно выполняли свои задачи. При разработке дезактивирующих композиций по снижению вторичного переноса радионуклидов с обочин дорог, промышленной площадки, «рыжего леса» внимание ученых вновь было обращено на природные минералы, были разработаны составы для закрепления и очистки поверхностного слоя почв. Конакт с загрязненной почвой в течение 18 суток приводит с снижению активности последней до двух порядков. Композиция наносится на поверхность почвы в виде водной суспензии имеющейся сельскохозяйственной техникой, она хорошо применима как на песчаных участках, так и на грунте с растительностью.

Одной из наиболее актуальных проблем дезактивации стала проблема очистки транспорта, техники, помещений, металлических изделий, конструкций и т.д. Применениештатных растворов на пунктах санитарной обработки в 30-километровой зоне на основе СФ-2 и в сочетании с щавелевой кислотой для дезактивации автомобильной и автотракторной техники не дало ожидаемых результатов. Остаточный уровень загрязнений не снижался до уровня менее 1,5–4,5 мР/ч. Композиции на основе природных минералов позволили снизить уровень радиоактивности до 0,1–0,5 мР/ч.

Весьма актуальной стала проблема дезактивации кожи человека такими составами, которые были бы эффективны и не приводили бы к раздражению. Такие композиции также удалось подобрать, используя клиноптилолит в сочетании с глицерином и другими компонентами.

Двадцать процентов территории Российской Федерации — это территории,пострадавшие от Чернобыля, 120 городов, в которых выявлено более 2000 участков радиоактивного загрязнения, других пораженных территорий, зон экологического неблагополучия. Квалифицированное использование природных цеолитов, только разведанные запасы которых приближаются к 50 млрд т, позволит решить множество природоохранных, радиоэкологических и медико-биологических проблем.

Как бы ни была широка область применения природных цеолитов, в настоящее время сделаны лишь первые шаги в освоении уникального материала, подаренного человеку природой, глубокое познание физико-химических свойств которого открывает огромные возможности.