Автор: 
Учёные Южного федерального университета (ЮФУ) представили исследование по очистке сточных вод от токсичных красителей с помощью биомассы пшеничной соломы. Для получения результата вместо дорогостоящих испытаний использовались математические методы статистики и анализ данных нейронной сетью. У смоделированного по итогам работы адсорбента высокие показатели эффективности — 96% загрязнения были удалены, более того, этот материал экономичен и удобен в использовании. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.
Промышленность во всём мире использует множество веществ, токсичных для окружающей среды и человека, часть которых попадает в сточные воды. К таким веществам относятся красители, распространённые повсеместно: в производстве текстиля, резины, пластика, бумаги и косметики. Только на текстильную промышленность в год приходится больше 637 млн кубометров сброшенных в воду отходов.
Многие красители представляют опасность при попадании в воздух, почву и воду, так как содержащиеся в них химические соединения и взвешенные твёрдые частицы смешиваются и образуют токсичные вещества. В ЮФУ за образец, от которого очищали пробу воды, взяли метиленовый синий — самый распространённый в текстильной промышленности краситель. В большой концентрации вещество опасно: попадая в организм человека оно может вызвать отравление, спутанность сознания и некроз тканей, а оказавшись в воде ограничивает движение кислорода и не позволяет проникать в неё солнечному свету.
За годы исследований проблемы очистки сточных вод учёным удалось разработать несколько способов удаления опасных примесей: химическая и физическая фильтрация, а также биологическая сорбция. Сорбентами называют все вещества, поглощающие в себя загрязнения. Они делятся на абсорбенты, которые становятся одним целым с загрязняющим веществом, и адсорбенты — на них сторонние элементы только оседают. Биологическая адсорбция при помощи впитывания токсичных веществ грибами, бактериями, водорослями и другой органикой — один из самых часто используемых методов очистки. Он позволяет охватить широкий спектр загрязнений от слабых до концентраций повышенного уровня.
Целью опубликованного исследования стала разработка дешёвого, но эффективного сорбента, доступного для широкого круга потребителей. На данный момент самым популярным материалом является активированный уголь, но при всей эффективности у него есть минусы. Из-за сложного процесса подготовки его долго и дорого производить, более того, использованный уголь требует специальной утилизации. Выбранная в качестве адсорбента биомасса пшеничной соломы практически не имеет ценности и не нуждается в сложной переработке. После использования она остаётся биоразлагаемой и безопасной для окружающей среды, а показатели очистки воды с её помощью не уступают показателям воды, очищенной активированным углём. Использование такого сорбента позволит большему числу предприятий эффективно очищать сточные воды.
В ходе исследования применялись современные технологии, которые позволили сократить расходы на проведение реальных испытаний и опытов, основанных на показателях термодинамики, кинетики и изотерм сорбции. Вместо этого для получения результатов учёные совместили две компьютерные технологии: методологию поверхности отклика (Response Surface Methodology, RSM) и нейронную сеть. Нейросеть позволяет на основе введённых в систему данных: температуры воды, времени воздействия сорбента, концентрации и химического состава красителя; получить оценку качества очистки. Она самостоятельно отрабатывает все варианты и условия, предсказывая свойства сорбента в широком масштабе, охватить который с помощью физических испытаний было бы сложно.
Статистическая методология поверхности отклика обрабатывает и структурирует полученную нейронной сетью информацию, выводя её в виде уравнений или трёхмерных моделей. Также она позволяет оптимизировать процесс изучения сгенерированных моделей и повышает их надёжность. RSM отфильтровывает оптимальные варианты входящих и исходящих данных, чтобы найти случаи, в которых при минимальных затратах достигается максимальная отдача.
По мнению исследователей использование методологии поверхности отклика и нейронной сети экономит время и ресурсы учёных, предлагая для исследования только удачные комбинации факторов и данных вместо всех возможных. Такие технологии удобны и активно используются в изучении свойств сорбентов. По итогам работы учёные обнаружили модели потенциальных адсорбентов на основе биомассы соломы пшеницы, которые при простоте производства и использования дают высокий результат очистки. До 96% красителя из загрязнённой воды оседает в волокнах биосорбента, делая её практически свободной от токсичного вещества. На базе исследования ЮФУ появилась возможность создать новый тип сорбента, превосходящего современные аналоги по эффективности и экономичности для текстильной промышленности и других предприятий, где возникает необходимость очистки сточных вод.
