Компетенции ЮУрГУ в области экологии и ресурсосбережения
Одним из важнейших направлений развития университета является экология. Актуальность этого направления обусловлена, прежде всего, потребностями региона. Челябинск – город с населением 1,2 миллиона человек, в котором находится более десяти крупных промышленных предприятий, в основном металлургического профиля. В результате неправильного планирования многие из них оказались расположены недалеко от жилых кварталов. По массе загрязнений, выбрасываемых заводами и автотранспортом, Челябинск занимает 12-е место среди городов России.
Совокупность экологических проблем остро поставило вопрос о необходимости создания на базе Южно-Уральского государственного университета центра передового опыта для решения проблем окружающей среды. Научные сотрудники и работники факультетов объединили свои усилия в ряде экологических проектов.
За 30 лет вузом подготовлено свыше тысячи специалистов в области экологии, по проблемам экологии защищено более 20 кандидатских диссертаций, ежегодно публикуется более 10 научных статей в журналах уровня Топ-25, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science, выполняется три-четыре научных гранта и более 10 проектов по заказу предприятий. Благодаря всему перечисленному у ЮУрГУ имеется существенный образовательный и исследовательский задел в решении проблем экологии.
Чистый воздух
В этом направлении у исследователей ЮУрГУ уже имеется ряд наработок, в числе которых – проект «Экомонитор». Предполагается создание сети газовых датчиков, выявляющих присутствие в атмосфере, например, СО, СО2, H2S, SO2, а также датчиков температуры, давления, влажности, скорости и направления ветра. Разработана пилотная версия программы, которая, основываясь на данных, полученных из этой сети, рассчитывает распространение загрязнений по территории и позволяет не только определять концентрации загрязнений в любой точке, но и рассчитывать изменение этих концентраций в зависимости от погодных условий. Впоследствии программу «научат» учитывать рельеф местности. Партнерами университета по данному блоку являются ПАО «ММК», Уральское межрегиональное управление Росприроднадзора.
В ближайшем будущем рассматривается формирование систем мониторинга воздуха с применением сенсоров производства компании Emerson. Кроме того, в рамках этого направления планируется создание первой в России системы онлайн-мониторинга чистоты воздуха.
Чистая вода
Примером задела по данному блоку является проект «Фотокаталитическая (безреагентная) очистка воды от стойких органических загрязнений». Существующие способы очистки воды от стойких органических загрязнений очищают одну среду, но загрязняют другую. Фотокаталитическая очистка разлагает органические загрязнения до углекислого газа и воды. Существующие катализаторы не применяют в промышленности из-за малого размера зерен. Проблему решает композитный материал, состоящий из инертной гранулы, заполненной наночастицами фотокатализатора. Данные материалы эффективны в отношении стойких органических соединений, в том числе фенола, бенз(а)пирена, красителей, пестицидов, гербицидов.
Одна из перспективных разработок – проект «Сорбент», осуществляемый более 15 лет. Учеными ЮУрГУ разработан не имеющий аналогов в мире сорбционный материал, обладающий способностью к необратимому поглощению и удерживанию в своей структуре катионов тяжёлых металлов, в том числе радионуклидов. Металлы-загрязнители включаются в структуру сорбента с последующей минерализацией (процесс аналогичен природному образованию рудных минералов). Возврат тяжелых металлов в очищаемую среду невозможен без применения специальных технологий.
Разработанные сорбенты дешевы и легки в использовании, они отлично зарекомендовали себя в необратимой сорбции не только тяжелых металлов, но и радионуклидов. Проект получил высокую оценку регионального министерства экологии и областного Управления Росприроднадзора.
Совместно с ФГУП «НПО “Техномаш”» разрабатывается мобильная система экспресс-анализа воды. Основные требования к системам анализа – чувствительность и избирательность. Разрабатываемая технология основана на применении флуоресцентных квантовых точек, обеспечивающих низкие – до пикомоль – пределы определения, а высочайшая избирательность достигнута за счет применения антител. Одновременное использование различных флуоресцентных меток позволяет определять несколько поллютантов одновременно. Блок анализа весит не более двух килограммов и в настоящее время тестируется в Москве.
Сейчас для исследований в этом направлении создана международная коллаборация с Университетом Овьедо и Университетом Гента.
Переработка твёрдых отходов
В ЮУрГУ разработана и запатентована технология переработки шлаков медеплавильного производства, позволяющая получать высокопрочный материал, соответствующий лучшим твердосплавным образцам, а также пропанты – гранулированные сферические частицы, которые используются в нефтедобывающей промышленности для повышения эффективности отдачи скважин с применением технологии гидроразрыва пласта (ГРП).
Ранее упоминавшийся проект «Сорбент» с производством материалов для очистки природных поверхностных вод также использует отходы доменного, ферросплавного и сталелитейных производств.
Исследователями Высшей медико-биологической школы предложен проект по комплексной очистке промышленных вод, который включает: разработку гибридной системы переработки воды с использованием озонирования и биокатализа – например, гидродинамическую кавитацию с озонированием, а также фотокаталитический реактор с биокаталитическим процессом; оптимизацию критических параметров разложения микрополлютантов в поверхностных водах.
Технологии ресурсосбережения
Высокоэнтропийные материалы очень разнообразны и отличаются не столько специфическими свойствами, сколько структурой и особым подходом к подбору их состава. Этот подход позволяет получать совершенно новые материалы, свойства которых еще никогда и никто не изучал. При этом сама структура таких материалов позволяет, в частности, ожидать от них проявления заметного уровня каталитических свойств (наряду с высокими механическими характеристиками, устойчивостью к радиации и коррозионной стойкостью).
Материалы с таким составом и структурой могут найти применение в сфере охраны окружающей среды – можно выделить следующие направления их использования, в которых университет имеет компетенции: создание новых высокоэнтропийных электрохимических катализаторов, позволяющих разработать высокоэффективные топливные элементы; создание новых высокоэнтропийных катализаторов разрушения органических загрязнителей в ходе AOP процессов; создание новых высокоэнтропийных катализаторов для дожигания топлива; создание новых высокоэнтропийных термоэлектрических материалов для устройств, позволяющих использовать низкотемпературное тепло, выделяющееся и теряемое в ходе работы технических систем.
Технология нанесения многофункциональных покрытий на поверхности деталей узлов машин и агрегатов повышает экологичность производства в части ресурсосбережения, что является основным показателем высокотехнологичных производств.
Использование новых методов и оборудования не только повышает качество изготавливаемых изделий, но и позволяет значительно снизить объем выбросов вредных веществ в атмосферу, а также количество химических и твердых отходов производства.
ЮУрГУ имеет компетенции в области новых технологий нанесения покрытий методами лазерной наплавки и газотермического напыления (детонационное напыление), которые заменяют устаревшие и экологически вредные технологии (в частности, гальванические).
Перечисленные методы позволяют получать покрытия с высокими физико-механическими и химическими свойствами (в том числе упрочняющие, жаропрочные, коррозионно-стойкие), градиентные, многослойные, практически из любых материалов (например, высокоэнтропийных сплавов, суперсплавов, керамики, различных композитов).
Сфера применения данных технологий довольно обширна: машиностроение, нефтяная и газовая промышленность, энергетика, металлургия, авиация. К конкурентным преимуществам можно отнести: лучшие прочностные и износостойкостные характеристики, чем у продукции конкурентов; более низкую стоимость нанесения покрытий в сравнении с классическими технологиями; экологически безвредный процесс нанесения.