Электрофлотация в борьбе за чистую воду и наше здоровье

Мы решили рассказать об этой технологии с подачи друга нашей редакции ведущего инженера ВГТУ, заведующего лабораторией кафедры гидравлики, водоснабжения и водоотведения Леонида Черных. Выпускник МВТУ он с недавних пор, в том числе с помощью своих друзей однокашников по МВТУ, активно занимается пропагандой и продвижением современных методов очистки воды. Потому что вода основа жизни и здоровья планеты и человека. А са м Леонид Сергеевич очень высоко оценивает электрофлотацонный метод очистки сточных вод . В Минске на Эковыставке2025, Леонид Черных лично демонстрировал лабораторную электрофлотационную установку, универсальную бактерицидную кружку. И произвёл настоящий фурор, когда очистил в ней воду из лужи и тут же выпил на глазах у изумлённой публики.

Флотация (франц. flottation от flotter плавать на поверхности воды), как один из методов обогащения полезных ископаемых была востребована бурным развитием цветной металлургии в середине 19-го века. Когда стало ясно, что переработка основной массы руд цветных металлов (меди, свинца, цинка, никеля, молибдена, ртути и др)., золота и других полезных ископаемых возможна только после предварительного их обогащения. И до сих пор ведущим методом обогащения является именно флотационный процесс. Этот метод обогащения полезных ископаемых, основан на всплывании измельченных частей полезного ископаемого, тогда как пустая порода осаждается на дне обогатительного устройства. Сам метод развивался методом проб и ошибок. Впервые способ разделения минералов, основанный на различиях в поведении минералов и пустой породы при соприкосновении с маслами запатентовал в 1860 г. англичанин Уилльям Хэйнс. Затем догадались использовать в этом процессе пузырьки воздуха. И для их образования, что только не делали. Измельчённая руда перемешивалась с маслом, затем добавлялась вода и вся масса кипятилась. Чтобы получить пузырьки руду помещали и в горячий раствор серной кислоты. Получали большие количества газа и с помощью кислоты, мыла и щёлочи. Наконец догадались просто интенсивно перемешивать руду, а затем начали нагнетать воздух в ванны с рудой и таким образом метод флотации приобрёл современные черты.

Позже флотацию стали применять при очистке сточных вод. В этом случае флотация — это метод удаления твёрдых взвесей и органики из сточных вод путём группировки частиц на границе фаз газа и жидкости. В случае напорной флотации растворённый газ, подаваемый в ёмкость со стоками выделяется в виде мелких пузырьков, которые прилипают к частицам загрязнений. Частицы с прилипшими пузырьками всплывают на поверхность, образуя пенный слой, который затем удаляется. Очищенная вода или сливается из нижней части аппарата.

Что касается электрофлотации. Это та же флотация, при которой образование газовых пузырьков производится путём электролитического разложения воды с выделением на аноде пузырьков кислорода, а на катоде водорода. Приоритет в изобретении электрофлотации принадлежит также британцам. В 1904 году технолог Фрэнсис Элмор запатентовал электрофлотацию как один из первых процессов в области флотационного обогащения руд для активации масляной флотации. Изобретение по-видимому родилось из того факта, что вначале своей карьеры братья Элмор вместе с отцом занимались электролитической (электролиз) очисткой меди и производством медных труб. Первый коммерчески применимый процесс флотации, был изобретён Фрэнсисом Элмором, запатентован в 1898 году и внедрён в производство его братом Александром. Впоследствии братья разработали усовершенствованный процесс (вакуумный процесс Элмора), который широко использовался при обогащении низкосортных руд в течение 20-го века.

Электрофлотация как самостоятельный метод не рассматривался Элморами. И фактически до конца 60-х годов 20-го века этот . способ не использовался при флотации минералов и в других целях.

Любопытно, что в 1943 году в Советском Союзе в «Металлургиздате» вышла в свет в переводе с английского монография «Принципы флотации» австралийского учёного Иана У. Уорка , представляющая результаты многолетних работ его научной школы на химическом факультете Мельбурнского университета. В монографии Уорк, перечисляя способы аэрации пишет: «Братья Элмор для выделения растворенных газов, вместо кипячения, уменьшали давление над пульпой. Второе их предложение — выделять газы электролизом — не было испытано». Скорее всего это значит, что Фрэнсис запатентовал элекрофлотацию как теоретическую возможность, не испытав этот метод на практике.

Выход в свет во время войны в 1943 году монографии учёного из Мельбурна удивительно совпал со знаменательным событием в истории науки и техники. В апреле 1943 г. в Свердловске сотрудники эвакуированного из Москвы Всесоюзного электротехнического института (ВЭИ) , супруги Борис Романович и Наталья Иоасафовна Лазаренко получили авторское свидетельство на изобретение электроэрозионного способа обработки металлов. Изобретение метода обработки материалов вне зависимости от их твёрдости, прочности и хрупкости явилось началом принципиально новой эпохи в тысячелетней истории технологии.

Электроэрозионная обработка основана на вырывании частиц материала с поверхности импульсом электрического разряда. Между электродами, погруженными в рабочую жидкость возникает электрический разряд, энергии которого оказывается достаточно, чтобы разогреть, расплавить и испарить небольшое количество металла . Поскольку электрический пробой, как правило, происходит по кратчайшему пути, то прежде всего разрушаются наиболее близко расположенные участки электродов. Таким образом, при приближении одного электрода заданной формы (инструмента) к другому (заготовке) поверхность последнего примет форму поверхности первого.

Сразу же после открытия метод Лазаренко нашёл практическое применение на одном из оборонных заводов в городе Свердловске, который выпускал легендарные “Катюши”. Со знаменитыми установками реактивной артиллерии «Катюшами» вначале их применения на фронте была маленькая проблема. Снаряды не всегда достигали цели, падали с большим разбросом. Для стабилизации полёта в торце снаряда надо было просверлить четыре отверстия, диаметром миллиметр и глубиной 400 миллиметров. Проблему решили четыре вольфрамовых штыря. Между ними и заготовкой снаряда создавался разряд и процесс пошёл. Начался массовый выпуск снарядов для «Катюш». За изобретение электроискрового (электроэрозионного) способа обработки металлов Борис Лазаренко вместе с женой был удостоен Сталинской премии 1946 года.

В июне 1943 года на учёном совете ВЭИ он защитил кандидатскую диссертацию по теме «Инверсия электрической эрозии металлов и методы борьбы с разрушением контактов», а в июне 1948 года защитил докторскую по теме «Электроискровой способ обработки металлов».

С 1948 по 1961 год Лазаренко директор Центральной научно-исследовательской лаборатории электрической обработки материалов. А в 1961-м в соответствии с постановлением правительства ряд институтов технического профиля АН СССР был передан в профильные министерства. Лабораторию Лазаренко перевели именно в то министерство, которое он резко критиковал за недостаточное внимание к его методу.

В этой ситуации Борис Лазаренко, уроженец Москвы, выпускник МГУ, делает трудный выбор. При содействии вице-президента АН СССР А.В.Топчиева Лазаренко остается в системе АН, но переезжает на работу в Молдавию.

В 1961 г. Бориса Лазаренко избирают действительным членом Академии наук МССР, и он становится директором Института энергетики и автоматики, который после ряда реорганизаций в 1964 г. был преобразован в Институт прикладной физики (ИПФ). ИПФ стал работать по двум крупным научным направлениям, которые условно можно назвать «физическое», состоящее из восьми лабораторий, и «техническое» в составе шести (в дальнейшем – восьми) лабораторий При ИПФ был создан Опытный завод с конструкторским бюро , в 1965 г. начал выходить научный и производственно-технический журнал «Электронная обработка материалов» (ЭОМ), основанный Б.Р. Лазаренко (первый и бессменный главный редактор, вплоть до своей кончины 26.08.1979 г.)

Интересные исследования в институте развивались, в том числе в лаборатории электрической флотации веществ. Изобретение электрофлотации как установка для очистки сточных вод было разработано и запатентовано в 1986 году, при этом академик Борис Лазаренко и его коллеги из лаборатории электрической флотации веществ Института прикладной физики в Кишинёве стали ключевыми фигурами в этом процессе. Хотя само название электрофлотация связано с научными разработками в области физико-химических методов очистки воды, которые активно развивались в СССР, именно в 1986 году была создана конкретная электрофлотационная установка.

Её принцип работы простой. Вода разлагается на кислород и водород, идёт выделение газовых мелких пузырьков диаметром в 10 микрон. Это означает, что частички, которые крупнее 10 микрон, точно зацепятся этими газами и извлекутся. Получается своего рода газовое сито. Правда есть частички гидрофильные, то есть смачиваемые, и не гидрофильные. Но в принципе в результате возникает мелкое газовое сито, которое очищает воду.

Первые работы по электрофлотации опубликовал учёный из Кишинёва Борис Михайлович Матов. По нашим сведения именно на него работала целая лаборатория. А Матов просто

озвучил результаты. Ему дали защитить докторскую диссертацию. Когда электрофлотацию попробовали лабораторно использовать для осветления сока обнаружился, интересный эффект. Да, все взвеси поднимались наверх. Но самое интересное, после этого, сок две недели не бродил, то есть происходило обеззараживание. Метод позволяет и извлекать мусорную взвесь и обеззараживать её. Два в одном.

Атмосфера научного творчества, работа над воистину прорывными технологиями привлекала в Кишинёв к Борису Романенко учёных и специалистов со всей страны.

Но через 10 лет после смерти великого учёного обстановка в республике становилась всё тревожнее. Седьмого ноября 1989 года агрессивно настроенные националисты сорвали демонстрацию в Кишинёве, а затем, вооружившись кусками арматуры и камнями, покалечили пару сотен стражей порядка и сожгли здание республиканской милиции. Вскоре обнаглевшие активисты Народного фронта Молдавии на свои акции стали приносить плакаты «Чемодан — Вокзал — Россия», «Русских за Днестр, евреев в Днестр». На этом фоне Верховный Совет МССР провозгласил молдавский официальным языком в «политической, экономической, социальной и культурной сферах», а русский язык — языком межнационального общения. Был принят закон о возврате молдавскому языку латинской графики. В 1992 году политическое противостояние переросло в вооружённое, началась Приднестровская война...

Эти события, впрочем, как и все последующие события в масштабе не только республики, а всей страны не только сильно задержали наше научно-техническое развитие. Научная школа Бориса Романенко фактически перестала существовать. Правда кое-где его бывшие ученики сумели сохранить себя для науки. Но потеряно много времени. Собственно, тот же элетрофлотационный метод очистки сточных вод вызвал живой интерес у специалистов и учёных только в начале двухтысячных.

На сегодня в научном мире уже сложилось мнение, что электрофлотация уже показала себя как самое перспективное решение для современных систем водоочистки. Вот одна из самых свежих публикаций на эту тему в журнале «Научный лидер» №16, за апрель, 2025 года. Издание перечисляет аж 11 преимуществ электрофлотации. Они следующие:

1. Короткое время очистки и высокая эффективность. Одним из важнейших преимуществ электрофлотации является её скорость. Время обработки составляет всего 5–10 минут, в то время как традиционные методы, такие как отстаивание, могут занимать часы. При этом степень очистки достигает 95–99%, что делает метод эффективным даже при работе с сильно загрязнёнными стоками. Это особенно актуально для предприятий, где требуется высокая производительность при ограниченном времени.

2. Способность удалять различные по размеру и форме загрязнения. Электрофлотация позволяет извлекать примеси с широким диапазоном размеров — от 10 до 100 микрометров. Это значит, что метод может эффективно справляться с различными видами загрязнителей, как крупными (например, взвешенные частицы), так и мелкодисперсными, включая эмульгированные масла и коллоидные соединения. Такая универсальность делает метод пригодным для использования в самых разных условиях.

3. Низкое потребление электроэнергии. Несмотря на то, что в процессе используется электричество, затраты энергии относительно невелики — от 0.1 до 0.3 кВт·ч на кубический метр воды. Это делает электрофлотацию экономически выгодной, особенно в сравнении с методами, где требуется подогрев воды или использование большого количества реагентов .

4. Образование мелких газовых пузырьков с высокой адгезией. В ходе электролиза образуются пузырьки газа (кислорода и водорода), которые имеют очень малые размеры. Это позволяет им легко «прилипать» к частицам загрязнений, захватывая их и поднимая на поверхность. Благодаря этому повышается эффективность процесса коагуляции — объединения частиц в более крупные сгустки, которые легче удаляются из воды.

5. Возможность управления процессом через регулировку количества пузырьков. В установках электрофлотации возможно тонко настраивать интенсивность подачи электрического тока, что, в свою очередь, позволяет регулировать объём газовых пузырьков, образующихся на электродах. Такой контроль помогает адаптировать процесс под разные типы сточных вод и степени загрязнения, обеспечивая стабильную работу системы.

6. Воздействие электрического поля на свойства воды. Электрическое поле оказывает положительное влияние на физико-химические свойства очищаемой жидкости. Оно способствует коагуляции и ускоренному образованию хлопьев из загрязняющих веществ. Это происходит за счёт поляризации молекул, изменения зарядов частиц и активации реакции между компонентами воды, что усиливает очистительный эффект.

7. Отсутствие вторичного загрязнения. Если используются нерастворимые электроды (например, графитовые или титановые с покрытием), в воду не попадают дополнительные химические вещества. Это исключает появление вторичных загрязнений, что особенно важно при использовании очищенной воды для технических или даже питьевых нужд.

8. Дополнительная деструкция органики и обеззараживание. На электродах происходят окислительно-восстановительные реакции, в результате которых разрушаются растворённые органические вещества, включая трудноудаляемые соединения. Также в процессе выделяется активный кислород, который уничтожает микробы и патогенные микроорганизмы. Таким образом, электрофлотация выполняет не только механическую, но и частично биохимическую очистку и обеззараживание воды.

9. Компактность оборудования и высокая производительность. Флотационные установки по объёму в 10–20 раз меньше традиционных отстойников. При этом процесс осаждения загрязнений в электрофлотации происходит в 3–5 раз быстрее. Это позволяет экономить пространство и строить более компактные и мобильные очистные сооружения — особенно важно для предприятий, где площадь ограничена.

10. Получение пены с меньшей влажностью. Пенный слой, образующийся при электрофлотации, содержит меньше влаги — его влажность составляет около 90–95%. Для сравнения, осадки, получаемые в отстойниках, имеют влажность до 99,8%. Это облегчает их последующую утилизацию или переработку, снижая затраты на обезвоживание и транспортировку.

11. Одновременное извлечение твёрдых и эмульгированных загрязнений. Благодаря высокой адгезионной способности газовых пузырьков, электрофлотация может одновременно удалять как дисперсную фазу (твёрдые частицы), так и эмульсии (жидкие загрязнители, например, масла в воде). Это делает метод особенно удобным в тех случаях, когда в сточных водах присутствует смесь загрязнений различной природы.

Кстати о наличии обеззараживающего эффекта при электрофлотационном методе очистки сточных вод. В научно-практическом журнале «Экология производства» в №10 за октябрь 2010 году в статье «Анализ методов очистки сточных вод» говорится, что детальное исследование эффекта обеззараживания электрофлотационного метода было проведено в 2004 году . специалистами воронежской инновационной фирмы совместно с ФГУ «Центр Госсанэпиднадзора в Воронежской области». На чистых культурах было показано, что эффективно обеззараживается водная среда от сальмонелл, стафилококка, цист лямблий, грибков рода кандида, бактерий группы кишечной палочки. Обеззараживание было выполнено при электролизе водной фазы без внесения хлора и хлорсодержащих веществ в воду. Поэтому использование электрофлотационной технологии очистки сточных вод позволяет отказаться от применения хлораторных на предприятиях (в частности, на мясокомбинатах), где необходимо проводить обеззараживание сточных вод, что является неоспоримым преимуществом данного метода очистки сточных вод.

И ещё об одном преимуществе метода. Очистка горячих стоков с последующим возвратом горячей воды в оборот не только энергетически выгодна, но и уменьшает тепловое загрязнение окру­жающей среды. Это горячие стоки, образующиеся после пропарки цистерн, варки целлюлозы в бумагодельных машинах и т.п. Кроме того, все предприятия теплоснабжения (котельные, ТЭЦ), работающие на природном газе, в качестве резервного топлива используют мазут. Режим работы этих предприятий подразделяется на летний и зимний. В зимний период темпера­тура мазутосодержащих стоков составляет более 60°С. Для их очистки обычными методами (в частности, напорной флотацией) необходимо существенно понизить температуру стоков. в масштабах страны тепловые потери, связанные с охлаждением горячих стоков, огромны и проблема очистки горячих стоков имеет отнюдь не единичный и не частный характер.

Проведённые испытания электрофлотационного метода очистки горячих стоков от нефтепродуктов (мазута) на Воронежской ТЭЦ-2 показали, что при 85°С остаточная концентрация нефтепродуктов с использованием имеющихся на ТЭЦ-2 коагулянтов составила 0,05 мг/л при исходной концентрации 40 мг/л.

После чего трудно не согласиться с выводами, которые делают авторы статьи. Локальная очистка производ­ственных стоков должна стать обязательным условием, без которого недопустима эксплуатация любого производства. Выбор метода и технологии очистки сточных вод должен осуществляться с учётом энегрозатрат и эксплуатационных расходов на реализацию этого процесса. А методы очистки не могут бездумно переноситься с одного производства на другое, необходимы предварительные испытания хотя бы на лабораторном уровне реальных стоков, а не заявленных бумажным образом.

Актуальность заявленных предложений трудность переоценить, не только потому по данным Всемирного экономического форума, дефицит качественной питьевой воды входит в пятёрку главных глобальных рисков. Для воронежцев чистая вода не только комфортная среда обитания, но и здоровье. По данным экологов главный наш водоём не становится чище. Воронежское водохранилище, созданное в 1972 году, остаётся критически важным источником водоснабжения для 1,3 млн жителей региона, однако его экосистема за полвека эксплуатации претерпела значительные негативные изменения. В 2025 году город обеспечивается питьевой водой из двух источников: поверхностный – Воронежское водохранилище (75 % потребности); подземный – артезианские скважины Левобережного водозабора (25 %).

По данным Воронежского ЦГМС-ВНИГМИ-МЦД за 2024 год качество воды водохранилища имело следующие показатели: нефтепродукты – превышение ПДК в 2,4 раза, железо общее - превышение в 2,3 раза, марганец - превышение в 1,8 раза, нитрит-ионы – превышение в 3,1 раза, общее микробное число - превышение в 56 раз.

Основные источники загрязнения в 2025 году:

ОАО «Воронежсинтезкаучук» – 210 тыс. м³/сут нефте-, фенол- и солесодержащих стоков;

-ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 – 120 тыс. м³/сут теплых вод с повышенной минерализацией;

Коммунальные очистные сооружения г. Воронежа – 350 тыс. м³/сут (по данным «Водоканала» в 2024 году лишь 78 % стоков соответствуют нормативу);

Диффузное загрязнение с сельскохозяйственных полей бассейна р. Усманка и Ивница – нитраты, фосфаты, пестициды.

При этом ежегодно в Воронежскую водную систему поступает ≈ 680 млн м³ сточных вод.

Всё это не проходит даром для нас с вами, а с серьёзными последствиями для здоровья. По данным Роспотребнадзора по Воронежской области, в 2024 году: заболеваемость эндокринными нарушениями выросла на 12 % по сравнению с 2019 г.; уровень онкологических заболеваний ЖКТ выше среднероссийского на 8 %; каждая третья проба питьевой воды из централизованного водопровода не соответствует санитарно-химическим нормам (ГН 1.2.3685-21)..

(Подробно см. https://ecoportal.su/public/region/view/2124.html)

Таким образом, эффективная очистка сточных вод – это проблема не столько техническая и экономическая. Это проблема морально-нравственная . От того как и в какие сроки она будет решаться зависит здоровье наше и наших детей и внуков.