Проблема утилизации пластиковых отходов сегодня у всех на слуху. Однако органические отходы также скапливаются на свалках в огромных количествах и становятся серьезной проблемой, которую нужно решать. А сколько остается неиспользованной органики в сельском хозяйстве, пищевой и легкой промышленности… Что делают ученые для того, чтобы превратить отбросы в сырье? О трех примерах их смелых идей расскажем сегодня в нашем материале.
Скорлупа спасает древесину
Всем, кто когда-либо сталкивался с использованием древесины в строительстве или быту, известно, как разбухает дерево при попадании на него воды или даже просто от повышенной влажности в помещении. В строительных и деревообрабатывающих производствах эту проблему решают с помощью обработки изделий из дерева или прессованной древесины фенолформальдегидными смолами. Это очень токсичный материал, выделяющий в окружающую атмосферу газ формальдегид, известный своим вредным воздействием на организм человека как в процессе производства, так и в условиях эксплуатации изделий, в составе которых присутствует. А если учесть, что в одном кубометре древесины, обработанной таким образом, содержится 6 кг формальдегида, становится понятно, что вопрос альтернативного сырья для обработки изделий из дерева стоит очень остро.
Ученые из Воронежского государственного лесотехнического университета имени Г.Ф. Морозова, Воронежского государственного университета и объединения ПАО «Уралхимпласт» разработали уникальную технологию стабилизации древесины с использованием скорлупы орехов кешью, решив тем самым сразу две насущные проблемы. Во-первых, новый метод гораздо более экологичен, чем те, которые применяются сейчас на деревообрабатывающих производствах, а во-вторых, он предполагает использование органических отходов — ореховой скорлупы — решая проблему их утилизации.
Кешью, или анакардиум западный, — вечнозеленое дерево высотой 10–12 метров, которое культивируется в тропиках. Ядра орехов кешью богаты витаминами и минеральными веществами. Они импортируются в Россию в основном из Индии и Вьетнама, и объемы этих закупок постоянно растут. В 2022 году РФ закупила 15,1 тыс. тонн кешью. При этом основная их часть доставляется в Россию в неочищенном виде. Но в отличие, допустим, от таких орехов как арахис, кешью поступает в продажу всегда без скорлупы. Причина этого в том, что скорлупа кешью содержит анакардиновую кислоту, способную при контакте с кожей, например, во время лущения орехов, вызывать раздражение вплоть до сильных ожогов.
Очищенные и расфасованные для розничной продажи орехи кешью производят по всей России: в Москве, Санкт-Петербурге, в Архангельской, Новосибирской, Иркутской, Самарской, Свердловской, Челябинской областях, в Алтайском крае, Бурятии. А отходы в виде скорлупы вывозят на мусорные полигоны…
Свойства анакардиновой кислоты и карданола, который из нее получают в процессе декарбоксилирования (прим. ред.: отщепление карбоксильной группы в виде CO2), ученых интересовали давно. Карданол-фенольные смолы были получены еще в 1920-х годах в США. Сегодня они применяются в автомобильной промышленности при изготовлении тормозов. Но там карданола требуется намного меньше, чем его можно получить из имеющихся объемов отходов.
Воронежские ученые решили протестировать карданол в качестве стабилизатора древесины, повышающего ее влагоустойчивость и прочность.
В ходе эксперимента были исследованы образцы древесины ольхи с исходной влажностью 12%, которые обрабатывали карданолом различной концентрации. Лучший результат получился при обработке 6–9% карданолом: водопоглощение у образцов пропитанной им древесины составило всего 17–19%, в то время как для натуральной древесины без обработки эта величина соответствовала 90%. При этом объемное разбухание снизилось на 40–70%. Таким образом, исследователям удалось доказать отличную эффективность вещества, добытого из скорлупы орехов кешью, в качестве стабилизатора древесины, защищающего материал от воздействия влаги. Кроме того, попутно была исследована прочность полученного материала при сжатии вдоль волокон. Оказалось, что по сравнению с продукцией, произведенной с использованием фенолформальдегидных смол, прочность древесины с карданолом увеличилась примерно на 30%.
Таком образом, новая технология обработки дерева повышает в конечном продукте:
- влагоустойчивость;
- прочность;
- экологичность.
Пока методика отработана только экспериментально, но авторы исследованияуверены, что блестящие результаты, продемонстрированные карданолом, заставят производителей продукции из дерева приступить к внедрению инновационной методики обработки исходного материала в самом ближайшем будущем.
Зерно, вода и медные ионы
Медь — металл, который на протяжении нескольких тысячелетий неразрывно связан с развитием человечества. Он и сегодня продолжает играть важнейшую роль в производстве и повседневной жизни, охватывая почти все ее сферы. Это один из ценнейших ресурсов и для человеческого организма, входящий в состав многих поливитаминных комплексов. Но вместе с тем отходы производства, содержащие медь, — серьезная угроза для окружающей среды. Ионы меди, попадающие в сточные воды, являются токсичными для людей, фауны и флоры. Загрязнение природных вод соединениями тяжелых металлов, а медь по одному из критериев, а именно плотности, относится к этому классу, является одной из распространенных проблем, связанных с риском возникновения экологического дисбаланса и нарушения здоровья человека.
Сегодня в сточные воды медь попадает в основном из гальванических цехов.
А технология гальванизации применяется практически на каждом машино- или приборостроительном производстве. Вносит свою немалую лепту в загрязнение сточных вод и горнодобывающая промышленность. При добыче медной руды соединения меди попадают в сточные воды, а при открытом способе добычи источниками загрязнения окружающей среды медью становятся и отработанные карьеры.
Справедливости ради надо сказать, что в нашей стране уровень предельно допустимой концентрации (ПДК) меди в воде составляет 1,0 мг/л, что в два раза ниже, чем в Евросоюзе и в рекомендациях ВОЗ. Тем актуальнее для России вопрос очистки сточных вод от медьсодержащих примесей.
Инновационную технологию решения этой проблемы предложили ученые из Казанского национального исследовательского технологического университета. Суть новой методики заключается в том, что для адсорбции ионов меди в воде разработчики использовали в качестве сорбента оболочки семян ячменя, пшеницы и овса, обработанные 1% раствором серной кислоты. Воздействие кислоты увеличивает пористость поверхности оболочек, что значительно повышает сорбционную способность материала — свободные поры заполняются загрязняющим веществом, в данном случае медью. При этом обработка оболочек зерна кислотой позволяет не только освободить активные сорбционные центры, но и за счет межмолекулярного взаимодействия удерживать катионы меди на поверхности сорбента.
Материал, используемый для производства такого очистителя, — оболочки сельскохозяйственно-значимых зерновых — в огромных количествах образуется в процессе обработки зерна шелушением и является отходом. Часть его идет на корм скоту, но огромные объемы шелухи все равно отправляются на свалки.
Интересно, что отработанный сорбент авторы технологии предлагают применять повторно после очистки соляной кислотой. Затем дважды использованный материал может быть утилизирован путем сжигания. А полученная в результате зола является отходом 4 класса опасности и может вывозиться на обычные полигоны ТБО. Таким образом, новый метод обработки сточных вод демонстрирует высокую эффективность очистки, экономичность за счет использования бросового сырья и экологичность всего цикла.
Для сравнения: сегодня для очистки сточных вод от ионов меди используются такие методы, как реагентный и ионный обмен. При реагентном в сток вводится новое химическое вещество, что увеличивает объем осадков, а ионнообменный способ предполагает использование специальных смол, которые быстро загрязняются ионами меди. Эти способы являются более затратными и не столь безопасными, как технология, предложенная учеными из Казани.
Один из авторов методики профессор кафедры инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета Светлана Степанова рассказала: «На элеваторах Республики Татарстан накапливается шелуха зерновых культур, она лежит на территориях этих предприятий и никак не утилизируется. Отходы ухудшают экологическое состояние территорий, занимают полезные площади. Мы узнали о такой проблеме и подумали, что часто в качестве сорбента применяется солома зерновых культур, а почему бы не использовать и шелуху.
Конечно же, высокие концентрации меди нашим методом не очищаются, но для доочистки воды перед сбросом в водоемы его вполне можно применять. Мы проводили испытания в Нижнекамске — это был пилотный, лабораторный проект. Установили, кстати, что кроме меди наш сорбент очищает воду и от нефтепродуктов. На гальванических предприятиях опробовали метод. Они могут и готовы применять нашу технологию.
Если предприятия заинтересуются и найдут средства на установки, то смогут в течение года реализовать внедрение нашей технологии. В идеале надо, чтобы рядом с предприятием, которому необходима очистка сточных вод, было бы расположено зерноперерабатывающее, чтобы меньше было затрат на логистику, и очистка была дешевле. По проведенным расчетам себестоимость нашего сорбента примерно в два раза ниже, чем у тех, что уже применяются с использованием других растительных отходов».
И вешенка на торте
Промышленное грибоводство начало активно развиваться в России в конце ХХ века. А к 2020 году у нас в стране выращивали уже десятки тысяч тонн грибов ежегодно, из которых примерно 30% составляют вешенки. Эти грибы в искусственных условиях успешно культивируются на любой питательной среде. Так, в качестве субстрата (прим. ред.: специально сформированная питательная среда для выращивания растений) могут применяться древесные опилки, стружка, стебли кукурузы, солома злаковых культур и т. д. Отработанный субстрат, на котором выращиваются вешенки, раньше частично использовался как компост, частично как корм в свиноводстве, но немалая часть его как неликвидный отход отправлялась на мусорные полигоны.
Ученые из Нижегородского государственного агротехнологического университета имени Л. Я. Флорентьева решили изучить уникальные свойства данного субстрата как регулятора роста растений.
Исследователи проверили, как влияет введение экстракта субстрата вешенки на прорастание семян гороха. Отработанный соломенный субстрат подсушивался в жаровом шкафу, затем заливался водой. Процесс экстрагирования занимал 6 часов, далее раствор подвергался фильтрации. В дальнейшем в эксперименте использовался полученный жидкий экстракт в различной концентрации (10% и 100%), а для семян контрольной группы применяли обычную воду. Одну часть семян проращивали на гидропонных средах, вторую высадили в почву. По итогам эксперимента особенно интересный результат получился на семенах, выращиваемых в почве и получавших подкорм из 100% экстракта субстрата вешенки. По сравнению с контрольной группой, на начальных этапах развития семян гороха их рост замедлялся, но затем, при высадке в почву, наблюдался ускоренный рост, усиленное корнеобразование, увеличение концентрации фотосинтетических пигментов. Проведенные исследования подтвердили: введение 100%-ного экстракта субстрата вешенки в почву с проростками гороха способствует ускоренному росту и развитию растения.
Таким образом для весьма распространенного отхода растениеводства – отработанного субстрата вешенки – был найден еще один весьма перспективный способ использования.
Результаты исследований и перспективы внедрения прокомментировал один из его соавторов работы, старший преподаватель Нижегородского государственного агротехнологического университета имени Л. Я. Флорентьева Сергей Тарасов: «Мы считаем, что важную роль в составе экстракта субстрата вешенки играют элиситоры (прим. ред.: несвойственные для растения молекулы, часто связанные с вредителями, патогенами). Их химическую природу еще предстоит изучить. Кроме того, по нашим данным, экстракт содержит гуминовые вещества, простые и сложные сахара, аминокислоты, минеральные вещества, которые также могут оказывать регуляторное действие на растения. Известно, что в России ежегодно производится около 6–6,5 тыс. тонн вешенки, а для получения 1 кг грибов требуется примерно 3,5–5 кг субстрата. Некоторую часть массы субстрата вбирает в себя гриб. В итоге примерное количество отходов, полученных от выращивания вешенки в России, около 18–20 тыс. тонн в год.
Горох — это один из наших модельных растений, он относится к бобовым, которые являются наиболее важными культурными растениями для человека. В наших работах также изучается пшеница — важнейшее злаковое растение. А исследование влияния экстракта на эти 2 растения вызывает интерес ввиду их эволюционной отдаленности. Бобовые — это наиболее развитые представители двудольных, а злаки — однодольных растений. Изучение влияния регуляторного препарата на растения разных систематических групп позволяет лучше понять механизмы его действия и оценить перспективы его дальнейшего применения.
В настоящее время научная работа продолжается в направлениях:
- изучение механизмов действия экстракта на клетки растений;
- определение противофитопатогенной активности (прим. ред.: способность бороться с болезнями растений) экстракта;
- выявление активных компонентов экстракта (элиситоры и другие вещества); проведение полевых испытаний;
- разработка технологий его эффективного применения в растениеводстве.
В 2025 году работа поддержана Министерством науки и высшего образования».
Автор текста Наталья Сидорова
Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.
Изображение на обложке: Freepik
