Технологии, придуманные для транспортных энергетических установок АПЛ, оказались востребованными не только в атомной отрасли и военном комплексе. Одна из таких разработок помогает решить проблему дефицита питьевой воды.
Вопрос о качестве питьевой воды, которая течёт из кранов в наших квартирах, периодически возникает у каждого. Уже сейчас мы ощущаем на себе проблему дефицита чистой воды, которая, как считают эксперты, в перспективе будет дороже, чем главные богатства России – нефть и газ. В настоящее время доступа к чистой качественной воде не имеют около полумиллиарда жителей планеты. А тут ещё, как назло, чуть ли не повсеместное ухудшение экологии и загрязнение водных ресурсов. Причём с годами проблема будет только обостряться.
ПИТЬ ИЛИ НЕ ПИТЬ
Как написано в недавнем докладе ООН, в ближайшее десятилетие число территорий с дефицитом питьевой воды увеличится более чем в два раза. Россия находится в первой десятке мира по запасам пресной воды (22 %). Однако при этом проблема некачественной питьевой воды остаётся в нашей стране головной болью для многих и многих жителей (долгое время кипели страсти вокруг скандально известной программы «Чистая вода» Виктора Петрика). По данным экспертов, 90 % сброса сточных вод в России не очищается до нужного уровня, причём примерно 60 % этого объёма – результат деятельности предприятий ЖКХ. А между тем, по данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), 80 % всех болезней вызвано именно некачественной питьевой водой.
Из-за проблемы ломают копья политики, учёные и лжеучёные разных мастей зарабатывают или теряют репутацию. А атомщики уже давно всё придумали. Ведь Минсредмаш, а затем и Росатом на протяжении десятилетий копил знания и разработки, направленные на получение высокочистых веществ. Это касалось как конструкционных и топливных материалов, так и теплоносителей. Например, вода для бассейна выдержки требует специальной подготовки, да и в трубы первого контура реактора из крана воду не нальёшь – давление в несколько сотен атмосфер и температура порядка 350 °С «предъявляют» особые требования. Из-за некачественной воды возникает коррозия конструкционных материалов, идёт накопление трития, а то и радиоактивных элементов (при деформации твэлов).
Революционные технологии водоподготовки возникли именно в атомной науке, и это было продиктовано самой спецификой отрасли. Строго говоря, технологии специальной подготовки воды (в частности, технологий очистки, о которых пойдёт речь ниже) появились из разработок, использовавшихся на атомных подводных лодках. Походы (погружения) длились порой по несколько месяцев, а для этого нужно было обеспечить судно не только автономным источником энергии (к слову, именно в ГНЦ РФ-ФЭИ когда-то были заложены основы для разработки атомных реакторов подводных лодок «Альфа», занесённых в Книгу рекордов Гиннеса за небывалую скорость 75 км/ч), но и ещё более необходимыми водой и воздухом. Технологии водоподготовки опираются на опыт поддержания качества и очистки жидкометаллических (эксплуатируются на АПЛ) и водных теплоносителей ядерных реакторов. Иначе говоря, это конверсионные разработки. Но законы физики одинаковы везде – и в реакторе подлодки, и на производстве водки.
НАНОМЕМБРАНЫ
С помощью разработок обнинских физиков почти любую, в том числе и радиоактивную, воду можно очистить практически до состояния пригодной для питья. Это называется «технология производства нового поколения наноструктурных мембран для использования в фильтрах для очистки жидкостей». Технология в некотором роде повторяет процессы, происходящие в природе. Отличие лишь в том, что перенесено всё в «наномир».
В плазмотроне генерируется плазма из частиц металлов, их оксидов и нитридов в различных сочетаниях. Поток плазмы направляется на пористую подложку, на которой и формируется (как бы напыляется) густая сетка – мембрана толщиной от 7 до 12 мкм. Получается этакая микросварка частиц. Мембрана очень похожа на структуру обратной стороны шляпки гриба – множество волокон, ворсинок и эластичных стеночек, которые вместе формируют нечто вроде губки для мытья посуды. Только ворсинки настолько малы, что образуют в этой мембране миллиарды щелей наноразмера, которые не пропускают частицы величиной больше 0,1 мкм. Кстати, наша кожа тоже аналог такой мембраны.
При своих микроскопических размерах конструкция мембраны почти «неубиваема»: не страшны ей ни давление, ни вибрация. А вот загрязниться, как и любой фильтр, может. Но этот вопрос решили радикально – просто поменяв направление тока воды при использовании фильтра.
Полезные свойства мембраны и всего фильтра комбинируются специально под требования очистки или условия фильтрации. Мембрана может быть многослойной, выполненной из разных материалов – каждый материал для борьбы с определённой группой загрязнений. От режимов формирования и состава мембраны зависит, например, будет ли осадок прилипать к её поверхности или, наоборот, будет легко отделяться. Есть варианты и с подложкой – материалом, на который будет «напыляться» мембрана – от его свойств также зависят свойства фильтра.
Специалисты ФЭИ, не дожидаясь промышленного пуска линии по производству мембран, решили делать образцы под использующиеся в различных системах очистки стандарты: создали базу данных, из которой можно выбрать требуемые параметры мембраны и подложки для конкретных задач, стоящих перед атомной и нефтеперабатывающей промышленностью, для нужд ЖКХ и производства напитков. Например, для центральных районов нашей страны характерно содержание в воде двухвалентного железа, которое делает воду непригодной для питья. Железо понижает гемоглобин, из-за чего падает уровень кислорода крови, в ней образуется «ржавчина», которая закупоривает сосуды. Чтобы этого не случилось, воду нужно окислять. В ФЭИ даже разработана специальная технология: в воду подаётся чистый кислород, образуется огромное количество микроскопических пузырьков размером менее 10 мк. Вода становится белой, как молоко. Кислород окисляет двухвалентное железо, которое потом легко удаляется из воды с помощью наномембран.
Совсем другое дело загрязнение радиационное. Исследователи из ФЭИ решили эту проблему с помощью специальных сорбентов (материалов, поглощающих примеси). Они недорого стоят (гораздо дешевле активированного угля или силикагеля), прекрасно справляются с радионуклидами и тяжёлыми металлами. Сейчас разрабатывается наносорбент, который сможет удалять низкую радиоактивность из воды, после чего вода снова может быть использована.
В МУТНЫХ ВОДАХ
Очевидно, что такие фильтры нужны всем. Так, переговоры об использовании фильтров ведутся с представителями Страны восходящего солнца. И не только для устранения последствий аварии на АЭС «Фукусима-1», но и для применения в сфере электронной промышленности. Есть интерес со стороны организаций ЖКХ и нефтедобывающих предприятий. В рамках перехода к новой технологической платформе в атомной отрасли ведутся опытно-конструкторские работы по созданию промышленной технологии очистки воды первого контура реакторов ВВЭР.
Потенциальный коммерческий успех фильтров связан не только с технологиями, но и с удачной организацией непрофильной деятельности научного центра, которая может принести доход. На базе ФЭИ был создан Обнинский центр науки и технологий, где встречаются учёные из 14 институтов ГНЦ. Это дочернее предприятие позволило искать и, главное, находить непрофильные заказы, за счёт которых ФЭИ оставался на плаву в тяжёлые для науки времена. Инвесторы снабдили учёных работой, помогли закупить оборудование. Отвлекли военных инженеров и химиков от их прямых задач, зато помогли, что называется, материально.
Многие разработки ФЭИ, в том числе и в области водоподготовки, обрели спрос на рынке. Кстати, ФЭИ не единственный занимается инновационными фильтрами – ФГУП «Центр Келдыша», например, тоже имеет разработки в сфере комплексных систем водоочистки. При поддержке Росатома в ФЭИ был уже создан цех по выпуску мембран для фильтров, и уже в мае начнётся промышленное коммерческое производство фильтров и систем для них.
КОММЕНТАРИЙ
Пётр Мартынов,
д. т. н., профессор, заместитель директора ГНЦ «ФЭИ» – директор Института инновационных технологий:
– Сама жизнь нас заставила заняться высокотемпературной фильтрацией и фильтрацией в агрессивных средах. Нашими фильтрами можно чистить жидкие радиоактивные отходы, воду первого контура на АЭС и получать питьевую воду высокого качества.
СПРАВКА
Температура плазмы – 3 – 4 тыс. °С
Толщина мембраны – 7 – 12 мкм
Размер отдельных сквозных пор – 0,1 мкм (для сравнения – размер кишечной палочки около 3 мкм)
