Отработанный промышленный катализатор можно использовать в качестве сорбента для удаления фосфатов из воды. К такому выводу пришли исследователи из Британского университета в Египте и Суэцкого университета. Результаты работы опубликованы 3 сентября в журнале Scientific Reports.
Авторы — Фатма Хашем, Абер Шоаиб, Валаа Омар и Май Рушди — исследовали низкотемпературный конверсионный катализатор, применявшийся на предприятии по производству аммиака египетской компании Abu Zaabal Fertilizers. Такие материалы обычно выводят из эксплуатации через три-пять лет из-за спекания, отложения углерода и загрязнения соединениями серы.
Перед экспериментами катализатор промыли деионизированной водой, высушили, измельчили, просеяли до размера частиц менее 75 мкм и в течение двух часов активировали при температуре 400°C. Таким образом, речь идёт не о непосредственном использовании промышленного отхода, а о предварительно обработанном материале.
Полученный сорбент состоял преимущественно из оксида меди — 49%, оксида цинка — 32,2% и оксида алюминия — 13,9%. Площадь его поверхности составляла 247 м² на грамм. Авторы связывают поглощение фосфатов с их закреплением на поверхности оксидов металлов и образованием фосфата алюминия.
Испытания проводили в колбах со 100 мл синтетического раствора фосфата при температуре 25°C и pH 8. Все опыты повторяли трижды. Исследователи изменяли концентрацию фосфатов, количество сорбента, продолжительность контакта и скорость перемешивания.
Расчётная эффективность при подобранных авторами условиях составила 92,95%: время контакта — 1,64 часа, концентрация фосфатов — 9,58 мг/л, доза сорбента — 5 г/л, скорость перемешивания — 278 оборотов в минуту. При проверочном эксперименте фактическое удаление фосфатов достигло 91,8%.
Для восстановления сорбента использовали 0,1-молярный раствор гидроксида натрия. В аннотации статьи указано, что после 15 циклов материал сохранил более 75% первоначальной сорбционной способности. Однако в основном тексте приведены другие значения: ёмкость снизилась с 0,121 до 0,082 мг/г, то есть на 32,2%, а эффективность удаления фосфатов после 15-го цикла составила 58,6%. После дополнительной термической активации она повышалась до 62,1%.
Испытания на вымывание меди, цинка и алюминия проводили при pH от 3 до 11, температуре 45 °C и продолжительности контакта 24 часа. По данным авторов, концентрации металлов оставались ниже использованных ими нормативных значений ВОЗ и Агентства по охране окружающей среды США.
Предварительный экономический расчёт выполнен для условной установки производительностью 1 тыс. м³ воды в сутки. Исследователи приняли стоимость самого отработанного катализатора равной нулю, а также учли измельчение, термическую обработку, реагенты, электроэнергию, трудовые затраты, утилизацию и амортизацию оборудования. Полученная стоимость составила $0,52 за кубометр воды.
Этот показатель не подтверждён эксплуатацией действующей установки. Расчёт основан на египетских ценах 2024 года, предполагаемой работе сорбента в течение 15 циклов и использовании модельного раствора. Авторы указывают, что оценку необходимо проверить на пилотной установке с реальными сточными водами, состав которых может влиять на расход реагентов, загрязнение поверхности и срок службы материала.
В публикации также остаётся количественное расхождение между заявленной максимальной сорбционной ёмкостью — 0,174 мг/г — и процентом удаления фосфатов. При дозировке 5 г/л такая ёмкость соответствует поглощению около 0,87 мг фосфатов из литра воды, тогда как удаление 92,95% при исходной концентрации 9,58 мг/л предполагает извлечение примерно 8,9 мг/л. В статье эти показатели количественно не согласованы.
