Российские ученые определят загрязнение атмосферы в режиме онлайн
Исследования в области экологии являются одними из трех приоритетных направлений научной и образовательной деятельности Южно-Уральского государственного университета наряду с цифровой индустрией и материаловедением. Реализация экологических проектов вуза направлена на формирование благоприятной экосреды Челябинска и области. Успешный опыт ученых ЮУрГУ может быть использован и другими российскими регионами со сложной экологической обстановкой.
Чем мы дышим?
Загрязнение атмосферы - одна из наиболее острых проблем человечества. По данным Всемирной организации здравоохранения, 9 из 10 человек в мире дышат загрязненным воздухом. При этом пока нет эффективного инструмента, который позволил бы в режиме реального времени оценить вклад каждого источника загрязняющих выбросов, будь то автотранспорт или промышленное предприятие, в экологическое состояние городской воздушной среды.
Проблему призван решить "Экомонитор" - междисциплинарный проект Института естественных и точных наук Южно-Уральского государственного университета. Конечный его продукт - компьютерная программа, которая реализует математическую модель, созданную на основе оригинальных разработок ученых с учетом современного мирового опыта.
- Необходимо знать, какова концентрация каждого вещества на той или иной территории, безопасно ли там находиться. А если в определенной части города расположено несколько промышленных предприятий, то необходимо учитывать вклад каждого в загрязнение воздуха. Поэтому мы разрабатываем математическую модель и программное обеспечение для системы экологического мониторинга", - говорит руководитель проекта доцент кафедры прикладной математики и программирования ЮУрГУ Дмитрий Дрозин.
Он рассказал, как работает система: на экране компьютера или другого устройства в режиме реального времени пользователь увидит информацию о том, какова концентрация того или иного вещества на определенном участке мониторинга. Программа не только соберет данные о содержании загрязняющих веществ в некой конкретной точке, но и рассчитает его изменение на ближайшее время.
По мнению разработчиков, система экологического мониторинга позволит не только получить подробную карту загрязненности воздуха на территории любого города, но и может эффективно использоваться при нормировании выбросов загрязняющих веществ. В ближайшем будущем ученые продемонстрируют пилотную версию программы и проведут ее испытание.
Растения очистят воду
Не менее интересным является еще один проект ученых Южно-Уральского государственного университета - интегрированная система экоочистки сточных вод агропромышленных предприятий, которые весьма ощутимо воздействуют на окружающую среду. Сельское хозяйство и предприятия пищевой промышленности создают значительное количество органических отходов, подвергающихся быстрому разложению с выделением токсичных соединений. Очистка сточных вод этих комплексов требует специальных подходов. Ученые Южно-Уральского госуниверситета предложили для этого создать гидроботанические площадки и использовать гибридные технологии на основе гидродинамической кавитации и фотокатализа.
- Для снижения вредного воздействия на природу агропромышленные комплексы должны иметь современные системы биологической очистки сточных вод, чтобы организовать замкнутый цикл водопользования. Уникальность разработанного нами проекта заключается в интегрированном подходе: мы предлагаем универсальную модульную схему, которая применима на любом агропромышленном предприятии, - рассказывает один из авторов проекта Ирина Потороко, доктор технических наук, профессор, завкафедрой "Пищевые и биотехнологии" Высшей медико-биологической школы ЮУрГУ.
Первый этап предполагает обработку сточных вод с помощью гидродинамической кавитации. Это позволит разрушить сложные соединения органических остатков и выделить из них тяжелые металлы. После такой обработки становится более эффективным второй этап, который осуществляется на гидроботанических площадках. Здесь из сточных вод удаляются органические вещества, тяжелые металлы, взвеси. Интересно, что эту работу осуществляют… растения-макрофиты.
- У нас уже есть опыт очистки таким методом поверхностных сточных вод промышленных предприятий горнозаводской зоны. На гидроботанических площадках можно использовать рогоз, эйхорнию и другие растения. Макрофиты активно участвуют в очистке воды как от органических загрязнений (фенолы, нефть и нефтепродукты, хлорорганические соединения, гербициды, поверхностно-активные вещества), так и от тяжелых металлов. Например, ряска достаточно эффективно извлекает из воды соединения меди. Основная сложность состоит в подборе растений для конкретного объекта, - поясняет директор Архитектурно-строительного института ЮУрГУ Дмитрий Ульрих.
Как известно, ряд загрязнений удалить из воды очень сложно - это пестициды и продукты их метаболизма растениями, то есть все, что связано с вносимыми в почву удобрениями достаточно сложной структуры. Значительная доля таких веществ остается в воде даже после очистки и попадает в водоемы. Однако ученые ЮУрГУ нашли способ борьбы и с такими загрязнениями - они предложили использовать метод фотокатализа, при котором пестициды полностью разрушаются до углекислого газа, воды и других простых и безвредных веществ.
- При фотокатализе наноструктурированные частицы катализаторов находятся в инертной грануле. Такая гранула получается крупной и тяжелой, ее легко извлекать из очищенной воды и можно использовать повторно. А частицы за счет того, что они наноразмерные, обладают высокой каталитической активностью, - раскрывает суть метода Вячеслав Авдин, декан химического факультета Института естественных и точных наук ЮУрГУ.
Строить дома из отходов
Ученые ЮУрГУ также предлагают оригинальное решение проблемы утилизации промышленных отходов, применяя их в производстве строительных материалов, что решает сразу три задачи: экономии энергосырьевых ресурсов, утилизации отходов и улучшения экологической обстановки.
- В Челябинской области промышленные предприятия производят большое количество металлургических шлаков, которые, как правило, складируют в отвалы. Отвалы заводов занимают обширные полезные территории. Наши разработки позволяют использовать этот невостребованный материал и одновременно приносить пользу экологии, - говорит Александр Орлов, заведующий кафедрой "Строительные материалы и изделия" Архитектурно-строительного института ЮУрГУ.
Отходы, образованные при разработке месторождений полезных ископаемых, являются перспективным сырьем для производства широкого ассортимента высококачественных строительных материалов. Использование их в сфере строительства позволит не только снизить экологическую нагрузку на окружающую среду, создавать "зеленые" горнодобывающие предприятия, но и выпускать качественную, конкурентоспособную продукцию.
- Например, доменный гранулированный шлак Челябинского металлургического комбината мы предложили применять в производстве и сухих строительных смесей, и закладочных материалов - используемых для заполнения выработанных шахт, которые нельзя оставлять пустыми, - поясняет Александр Орлов.
Изделия на основе магнезиальных вяжущих материалов быстро набирают высокую прочность без тепловой обработки, обладают высокой технологичностью, стойкостью к действию нефтепродуктов, грибков и бактерий. Ученые ЮУрГУ разрабатывают ряд материалов широкого спектра применения, например светопропускающий бетон на основе магнезиального вяжущего порошка, который можно получать из доломитовых отходов огнеупорного производства. По мнению Орлова, такой материал сегодня используют в основном в качестве декоративного, отделочного, но в будущем он может быть весьма востребован для создания комфортной городской среды.
Другое важное научное направление - исследование способов использования техногенных отходов для защиты конструкций от огня. Ученые Южно-Уральского государственного университета смогли создать материалы, которые не требуют обжига. С экономической точки зрения это очень эффективно, так как значительно сокращает расход средств: строительство и содержание печей для обжига недешевы.
- Для создания новых материалов мы соединяем специальный затворитель и серпентин. По нашим расчетам, такой вариант имеет меньшую себестоимость, чем существующие на рынке огнезащитные материалы. В качестве затворителя можно применять техногенные отходы, что позволит снизить себестоимость конечного продукта и улучшить экологическую обстановку, - уверен Александр Орлов.
Уникальные проекты в области экологии, разработанные учеными ЮУрГУ, позволят эффективно бороться с загрязнением окружающей среды, что имеет огромное значение, учитывая промышленную специфику региона. Работа в этом приоритетном для одного из крупнейших российских вузов направлении будет продолжена и в дальнейшем.