Экология и природопользование

  • Инновационные способы подготовки, хранения, транспортировки питьевой воды и зеленые технологии электродиализа воды

На основе богатого опыта и исследовательских работ экспертов АО «НПП «Радий» были разработаны инновационный абсорбирующий материал, новые высокоэффективные технологии очистки грунтовых вод, установки и оборудование для подготовки воды.

Высокоэффективный сорбционный, фильтрующий и бактерицидный материал СКОВ (сорбент для комплексной очистки воды), разработанный в АО «НПП «Радий», является одним из многих продуктов диверсификации предприятия. Материал предназначен для обработки и очищения природных и техногенных вод от железа, цветных и тяжелых металлов, мышьяка, урана и других элементов и успешно протестирован на установках различных размеров. На основе СКОВ разработана технология очистки грунтовых вод, которая позволяет одновременно очищать воду от железа, марганца, цветных и тяжелых металлов, мышьяка и снижать показатели мутности и цветности воды. Разработанный сорбционный материал также обладает уникальными бактерицидными свойствами (патент 2433958), что позволяет снизить затраты на финишную обработку воды, а также осуществлять ее транспортировку на большие расстояния без затрат энергии на охлаждение. Вода, в том числе вода после опреснительных установок, обработанная СКОВ, в течение длительного времени не подвергается чрезмерному росту микроводорослей, а также самопроизвольному бактериальному загрязнению.

Технология производства сорбента основана на модификации природных серпентинитов — гидроксисиликатов магния.

Элементарные волокна серпентинита полые внутри: их внутренний диаметр равняется 13 нанометрам, внешний – 26 нанометрам.

Сорбент и технологии обработки и очистки воды на его основе запатентованы в России, Японии и европейских странах: RU 2316479, 2433958, JP 4834143, ЕР 2011767 В1 (DE, UK, FR, CH, LIE). 

Технология подготовки воды с использованием природных сорбирующих наноматериалов разрабатывается и испытывается на промышленном уровне, независимые тесты были проведены в разных странах. Водоподготовка осуществляется путем фильтрации через гранулированные природные материалы и может быть использовано в системе хозяйственно-бытового и питьевого водоснабжения, в том числе для производства питьевой воды высшей категории качества. Способ включает фильтрацию воды через слой гранулированного серпентинита с определенным размером гранул и предварительной обработкой слоя серпентинита щелочным раствором для преобразования в анионообменный материал. Способ обеспечивает повышение сорбционной активности серпентинита, расширяет ассортимент извлекаемых загрязняющих компонентов, гарантирует снабжение потребителя высокоочищенной водой, соответствие которой установленным требованиям достигается непосредственно в процессе очистки, без усреднения ее состава и необходимости иметь для этого запас очищенной воды, при увеличении продолжительности эксплуатации загрузки гранулированного материала.

Одной из уникальных технологий АО «НПП «Радий» по водоподготовке является способ бактерицидной обработки воды. Данное изобретение может быть использовано в системе хозяйственно-бытового и питьевого водоснабжения, для производства и хранения питьевой воды высшей категории качества, для подготовки воды для пищевой и фармацевтической промышленности. Для осуществления способа проводят контактирование исходной воды с сорбционным материалом на основе природного силикатного полиминерала, в качестве которого используют серпентинит. При этом способ включает синтез перекиси водорода на поверхности зерен сорбционного материала. Для этого исходную воду в процессе контактирования с этим сорбционным материалом аэрируют. Контактирование исходной воды с сорбционным материалом и ее аэрирование ведут в динамических условиях путем пропускания этой воды через колонну, содержащую серпентинит в виде гранул, в направлении сверху вниз, а воздуха – в противоположном направлении. Способ обеспечивает высокую бактерицидную эффективность при использовании недорогого природного силикатного полиминерала без осуществления дополнительных стадий обработки и без введения бактерицидных агентов, таких, например, как хлор. Кроме того, при использовании серпентинита, предварительно обработанного щелочным раствором для получения ионообменных свойств, одновременно обеспечивается очистка воды от загрязняющих химических компонентов.

Технологии очистки воды АО «НПП «Радий» на основе высокоэффективных природных сорбентов позволяют поддерживать свежесть воды без использования хлора, оказывают пользу здоровью благодаря минерализации воды, дают возможность очищать воду из сильно загрязненных источников по выгодной цене, снижая себестоимость процесса очистки воды на 40% по сравнению с традиционными методами переработки воды.

Использование инновационного способа электродиализного опреснения воды (Патент РФ №2770078 Способ электродиализного опреснения воды), разработанного АО «НПП «Радий», позволяет исключить шунтирующее влияние промывки приэлектродных камер с соответствующим снижением непроизводительных энергозатрат и одновременно повысить эффективность промывки. Кроме того, с помощью данного изобретения могут быть предотвращены потери сульфат-ионов из промывочного раствора и проникновение в него хлорид-ионов на аноде. Опреснение морской воды требует меньше энергетических затрат, данная технология используется совместно с традиционной технологией обратного осмоса, повышая эффективность последней на 50%.

  • Экологически безопасная система интенсивного земледелия на основе масштабного применения органоминерального комплекса АКМ, направленная на восстановление плодородия истощенных и кислых почв

Ученые нашего предприятия разработали безотходную экологически чистую агрокомпозицию АКМ для восстановления плодородия почвы.

АКМ (анионит-катионит-мелиорант) – собирательное название класса агрокомпозиций, представляющих собой искусственный чернозем и мелиорант. Речь идёт о специальным образом приготовленных смесях природных материалов, размолотых до определённого грансостава и взятых в определённых соотношениях со специально подобранной структурой смесей. Созданные базовые композитные составы могут быть использованы как искусственный почвенный субстрат для интенсивного растениеводства и как кондиционер для открытых грунтов, они идеально подходят для восстановления больших площадей истощенных и деградированных почв.  

Включает три базовых компонента: мелко гранулированные серпентинит (Патент РФ №2750665, 2021), глину и бурый уголь в сравнимых друг с другом количествах, подбираемых точно в зависимости от характеристик грунтов. 

Серпентинит обладает ультраосновными свойствами, является анионом с анионообменной ёмкостью (Компонент А).
— он нейтрализует кислотные свойства бурого угля. Регулируя его соотношение с углём, можно обеспечивать любое оптимальное значение pH для разных грунтов.
— способствует удержанию полезных компонентов: фосфатов, нитратов и сульфатов, препятствуя их вымыванию из почвы
— обладает способностью к намагничиванию, что позволяет легко воспроизводить современные технологические приёмы магнитной обработки семян, для повышения их всхожести.

Глина является катионом и, обладая умеренной катионообменной ёмкостью (компонент К),
— позволяет удерживать полезные питательные элементы катионного характера, в частности, аммоний и калий, забирая их из почвенных вод.
-удерживает влагу в почве.

Бурый уголь содержит в связанном состоянии гуминовые вещества, являющиеся основой для гумуса, который обеспечивает жизнедеятельность азотфиксирующих и других микроорганизмов (компонент М).
— является источником органических веществ.
— обладая малым удельным весом, обеспечивает разрыхлённую структуру и небольшую плотность искусственной почвы.
— апробирован как почвенный мелиорант.

Почва при внесении в него АКМ модифицируется и постепенно переходит в дисперсную коллоидную смесь минеральных (алюмосиликатных) и органических (гуминовых) соединений. При этом большая часть коллоидов почвы будет заряжена отрицательно и на их поверхности в адсорбированном (поглощенном) состоянии появятся катионы. Другая часть коллоидов почвы станет положительно заряженными, поэтому на них в поглощенном адсорбированном состоянии будут находиться анионы. 

Корневое питание растений реализуется за счет обмена катионов и анионов, находящиеся в почве в поглощенном состоянии на ионы, адсорбированные на поверхности клеток корня. Так осуществляется поступление катионов, содержащихся в АКМ в обмен на образовавшиеся в корнях в результате фотосинтеза протоны и анионов в обмен на угольную кислоту или анионы органических кислот. 

Свойства АКМ способствуют активации веществ, которые необходимы растению и быстро переводят их в качественные органические соединения.

Основной показатель плодородия почвы – содержание гумуса – важнейшей составной части органического вещества почвы. На протяжении продолжительного периода хозяйственного использования почв под возделывание сельскохозяйственных культур, из верхних слоев пашни использовано в среднем от 30 до 50% почвенных запасов гумуса. 

При сегодняшней ситуации в земледелии большая часть урожая формируется за счет мобилизации почвенного плодородия без компенсации выносимых с урожаем элементов питания; а как следствие, постоянный отрицательный баланс питательных веществ истощает почву, разрушает гумус.

 Обеднение почв органическим веществом значительно усилило процессы миграции основных питательных элементов в нижележащие горизонты, особенно на легких по механическому составу почвах – песчаных, супесчаных, а также почвенных зонах с промывным водным режимом. Значительно расширились территории, где активно развиваются эрозионные процессы. Именно гумус является основным источником питательных веществ, так как в его состав входит почти весь азот почвы – 98-99%; около 60% фосфора и серы, а также значительная часть других питательных элементов. 

Образование гумуса является частью пищевой цепи биосистемы АКМ-почва. Начинают пищевую цепь микроорганизмы и микробы, которые присутствуют в этой системе и могут переработать органические соединения, находящиеся в АКМ, эти организмы не имеют пищеварительных органов и питаются, всасывая растворенные под действием их ферментов вещества всем своим телом. Продукты их жизнедеятельности соединяются и превращаются в гуминовые и фульвовые кислоты. Последние вступают в реакцию с веществами неорганической природы и создают соли, которые и являются первичным гумусом. При этом разложение биомассы почвенными микробами приводит к потере углерода в виде CO₂ из почвы из-за микробного дыхания, в то время как другая часть исходного углерода сохраняется посредством образования гумуса — продукта, который часто придает почвам, богатым углеродом, характерный темный цвет.

В дополнение к естественному темному цвету бурого угля это усиливает поглощение инфракрасного излучения, обеспечивая возможность регулирования температурного баланса почвы, а наличие магнетита в составе серпентинита, находящегося в состоянии намагниченности, делает АКМ источником дополнительного воздействия на почву и растения физическим фактором — магнитным полем, повышая энергию прорастания семян.

Серпентенит позволяет пролонгированным образом превращать гуминовые кислоты, содержащиеся в буром угле, в усваиваемые растениями гуматы и способствует процессу устойчивого образования гумуса в почве.

Во влажных почвенных условиях компоненты АКМ при взаимодействии друг с другом создают синергетический эффект. Агрохимическая эффективность смеси намного превышает суммарную эффективность компонентов, взятых по отдельности. Полученные при экспериментальном использовании данные по агротехнической эффективности предлагаемой композиции позволяют сделать вывод о том, что наличие ультраосновного материала серпентинита без использования активных щелочей и кислот позволяет в присутствии корневой системы растений извлекать из бурого угля гуминовые вещества, а также углеродосодержащие компоненты, потребляемые растениями. Компоненты композиции, взаимодействуя друг с другом, обеспечивают разрыхленную структуру искусственной почвы, характерную для черноземов. Сочетание компонентов А, К и М обеспечивают высокую скорость аммонизации белков и разложения других компонентов. При этом композиция в предлагаемом составе позволяет абсорбировать выделяющиеся при аммонизации газы, в том числе, сероводород и аммиак, обеспечивая повышение накопления серы и азотных удобрений в искусственной почве, избавляя от запахов, сопутствующим процессам разложения пищевых отходов, и, наконец, избавляя от необходимости использования привозного аммиака как для бактерицидной обработки почв, так и для накопления питательных элементов.

Искусственный чернозем AKM обладает более интенсивным черным цветом по сравнению с природным черноземом. Это повышает коэффициент поглощения солнечной энергии, обеспечивая более благоприятный почвенный тепловой режим, в частности повышение температуры почвы на 1-2 градуса поздней осенью и ранней весной, что делает возможным выполнять более ранние посевы. AKM обладает большим потенциалом для озеленения пустынных территорий. На предприятии создан структурированный почвенный субстрат — конструктозем, предназначенный для выращивания растений в условиях закрытого или открытого грунта, преимущественно для освоения и озеленения пустынных территорий и повышения плодородия уже освоенных пустынных почв с меньшими объемами воды и питательных элементов для фертигации.

Применение АКМ будет иметь немаловажное значение для восстановления плодородия истощённых почв, в том числе и в чернозёмных регионах. А также для создания условий для сельскохозяйственного производства на пустынных и засушливых территориях. Свойства АКМ способствуют активации веществ, которые необходимы растению, и быстро приводят их, вещества, в качественные органические соединения, влияя, таким образом, на качество произрастающих культур. Ценность данного мелиоранта очевидна коллективу разработчиков и может стать достоянием Российского агрохозяйства.

  • Создание линейки продуктов питания с заранее заданными параметрами на основе механизма переноса макро и микроэлементов в биосистеме «АКМ-почва-растение-продукты питания»

Современные проблемы экологии нарастают при одновременном нарастании cпpoca на продовольствие для обеспечения населения. Это диктует необходимость вовлечения в сельскохозяйственный обиход новых экологически безопасных и экономически эффективных технологий. Будущее земледелия в стране, как и во всем мире, состоит в постепенном уменьшении применения химических удобрений и пестицидов за счет рационального сочетания различных видов природоподобных и «зеленых» технологий, включая технологии органического земледелия.

Необходимость и неизбежность перехода к новым технологиям в Российской федерации подтверждается федеральным законом № 280-фз «06 органической продукции и внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской федерации». Согласно этому закону с 1 января 2020 года вступило в силу новое нормативное регулирование для производства органической продукции и анонсировано появление в России специального «зеленого» бренда, под которым будет продаваться продовольствие с улучшенными экологическими характеристиками.

AO «HПП «Радий», как предприятие оборонного профиля, реализующее в соответствии с Перечнем поручений Президента РФ от 21.11.2018 работы по диверсификации ОПК и производству продукции гражданского и двойного назначения, наработала значительный опыт, связанный с созданием новых экологически чистых агрокомплексов.

Особо следует отметить работы, выполненные на предприятии по созданию экологически чистых искусственных черноземов из природных компонентов под общей маркой AKM (анионит-катионит-мелиорант), содержащей более 70 микроэлементов и других полезных веществ и обладающей максимальной эффективность. 

Речь идет о специальным образом приготовленных смесях природных материалов: бурого угля, серпентинита и глины, размолотых до определенного грансостава и взятых в определенных соотношениях со специально подобранной структурой смесей. Созданные базовые композитные составы могут быть использованы как искусственный почвенный субстрат для интенсивного растениеводства и как кондиционер для открытых грунтов, они идеально подходят для восстановления больших площадей истощенных и деградированных почв. Разработан состав, в котором для повышения его эффективности, в него добавляют в небольших количествах жидкий аммиак или его водный раствор. Для повышения эффективности композита за счет повышения в нем концентрации питательных элементов, не прибегая к химическим материалам, в частности, фосфора и азота предложены составы с костной мукой, отходами рыбной отрасли, сбалансированные по составу и структуре почвенные составы на основе базового композита и органических пищевых отходов. При этом одновременно решается весьма важная экологическая проблема утилизации указанных отходов.

Учеными АО «НПП «Радий» разработано инновационное экологически чистое изобретение – агротехническая композиция с магнитными свойствами, позволяющая обеспечить возможность сохранения в почве питательных элементов при одновременном исключении использования отравляющих почву компонентов с получением показателей агротехнической эффективности, характерных для черноземов, а также создание магнитного поля, способного воздействовать как на питательные компоненты почвы, так и на семена растения и на само растение в период вегетации.

Агротехническая композиция содержит размолотый бурый уголь и размолотый ультраосновный (щелочной) материал – природный серпентинит в определенном соотношении с размолотым бурым углем и дополнительно природную глину в определенном соотношении с размолотым бурым углем.  При этом входящий в состав указанного размолотого природного серпентинита магнетит имеет намагниченность не менее 80% от уровня насыщения, полученную в результате воздействия магнитным полем на размолотый природный серпентинит или агротехническую композицию в целом.

Использование предполагаемой композиции в качестве искусственной почвы или кондиционера для почвы было исследовано экспериментально. Полученные результаты подтверждают ожидаемые свойства агротехнической композиции. При необходимости для повышения эффективности АКМ в него добавляют в небольших количествах жидкий аммиак, фосфор и азот или не прибегая к химическим материалам — составы с костной мукой, отходами рыбной и пищевой промышленности. Благодаря своему составу, искусственный чернозем на базе АКМ оказывает физическое воздействие на корневую систему, так темный цвет бурого угля, входящего в состав АКМ усиливает поглощение инфракрасного излучения, а магнетит в составе серпентинита делает АКМ источником магнитного поля, активируя тем самым дополнительные возможности комплекса по доставке микронутриентов в конечный продукт биосистемы «АКМ-почва-растение-продукты питания». 

Благодаря растворяющей способности корневых выделений, включающих угольную кислоту, органические кислоты и аминокислоты, происходит воздействие на твердую фазу почвы, переводящее необходимые питательные вещества и микроэлементы в доступную форму. Так, фосфор и сера усваиваются в виде анионов фосфорной и серной кислот – H2PO4 SO42- калий, кальций, магний, натрий, железо – в виде катионов K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, а микроэлементы – в виде соответствующих анионов или катионов. Это создает предпосылки для создания линейки растительных продуктов питания и кормов животных с регулируемыми свойствами, способных обеспечить сбалансированный набор полезных добавок для оптимального усвоения. Получаемые агротехнические композиции создают возможность напрямую регулировать содержание тех или иных полезных веществ и микроэлементов в растительной пище в биосистеме «АКМ-почва-растение-продукты питания», замыкая тем самым круговой цикл перемещения этих элементов в природе.

Выполненные исследования показали устойчивую корреляцию в показателях содержания микронутриентов в корнях, стебле, листьях и плодах растений и концентрации соответствующих исходных ингредиентов в применяемом комплексе АКМ, что может упростить процесс проектирования экологически чистых продуктов питания массового потребления с заранее заданным микроэлементным составом и вкусовыми свойствами.