Учёные КазНУ предлагают очищать высокосернистый уголь с помощью микроорганизмов

    Учёные Казахского национального университета имени аль-Фараби предложили использовать местные микроорганизмы для удаления серы из казахстанского угля. Такой подход описан в заявке на прикладной научный проект, посвящённый созданию и оптимизации микробного консорциума. Исследование нацелено на получение топлива с меньшим содержанием серы и оценку возможности сократить связанные с ней выбросы при сжигании угля.

    Проект носит название «Проектирование и оптимизация микробного консорциума для эффективной биодесульфуризации казахстанских высокосернистых углей». В заявке его реализация рассчитана на январь 2024 — декабрь 2026 года, то есть на 36 месяцев. Работа относится к направлению экологии, охраны окружающей среды и рационального природопользования, а её научную основу составляет микробиология.

   Актуальность работы связана с экологическими последствиями использования высокосернистого топлива. При сжигании угля серосодержащие соединения превращаются в оксиды серы, в том числе диоксид серы. Эти выбросы загрязняют атмосферу и участвуют в образовании кислотных дождей. Авторы рассматривают удаление серы до сжигания как способ уменьшить такую нагрузку. При этом содержание и формы серы различаются в зависимости от происхождения и свойств угля.

   В программе исследования предусмотрены образцы карагандинского, кияктинского, егинсайского, кушмуринского, приозерновского и шоптыкольского угля. Они представляют месторождения Карагандинской, Улытауской, Костанайской и Павлодарской областей. Сопоставление образцов должно помочь определить, как различия в составе и структуре сырья влияют на эффективность биологической очистки. Для каждого вида угля предполагается оценить общее содержание серы и соотношение её отдельных форм.

   Сера в угле присутствует в составе органических соединений, сульфидов и сульфатов. Отдельное внимание уделено пириту, одному из серосодержащих минералов. Разные формы серы требуют изучения соответствующих механизмов удаления. Поэтому проект объединяет геохимическую характеристику угля с исследованием микроорганизмов, способных преобразовывать содержащиеся в нём сернистые соединения. Такой анализ необходим для подбора подходящих культур и условий обработки.

    Основная идея заключается в использовании микроорганизмов, выделенных непосредственно из угленосной среды. Авторы предполагают, что местные штаммы лучше приспособлены к её условиям и могут оказаться перспективными для биодесульфуризации, то есть биологического удаления серы. Планируется выделить культуры, установить их принадлежность и изучить морфологические, физиологические и функциональные свойства. Для идентификации бактерий предусмотрено секвенирование гена 16S рРНК.

    На этапе отбора исследователи намерены оценить активность штаммов в средах с различными источниками серы. Затем отобранные культуры предполагается использовать в лабораторных опытах с угольными образцами. После обработки уголь будет отделяться от питательной среды, промываться и повторно анализироваться. Сравнение исходного и обработанного материала позволит определить изменения содержания серы, химического состава и структуры угля.

    Для характеристики сырья в проекте предусмотрены определение влажности, зольности, содержания летучих веществ и теплотворной способности. Изучение структуры и химических связей предполагает применение инфракрасной и рамановской спектроскопии, рентгенографических методов и микроскопии. Отдельно запланирован анализ побочных продуктов обработки и биосурфактантов — поверхностно-активных веществ, которые могут образовываться при жизнедеятельности бактерий и участвовать во взаимодействии с частицами угля.

    Оптимизация процесса включает подбор температуры, кислотности среды, продолжительности обработки, количества бактериальной культуры и размера угольных частиц. В заявке также рассматриваются предварительная обработка сырья и способы стимулирования биохимических процессов. Задача этого этапа состоит в выборе условий, при которых микробная очистка будет наиболее эффективной для исследуемых образцов.

    После лабораторных опытов предусмотрены испытания в биореакторе с перемешиванием объёмом пять литров. Описанная схема предполагает использование одного килограмма угля и 2,5 литра бактериального раствора. Такие эксперименты необходимы для оценки работы системы при увеличении количества обрабатываемого материала. В проекте отдельно поставлена задача изучить биологические и инженерные условия масштабирования процесса.

    Свойства полученного топлива планируется оценивать по характеристикам горения, зольности и выбросам диоксида серы. Для этого предусмотрены термогравиметрический анализ и его сочетание с масс-спектрометрией. Экономическая часть исследования включает расчёт инвестиционных и эксплуатационных затрат и сопоставление биодесульфуризации с другими технологиями. Эти данные должны помочь оценить практическую применимость предлагаемого подхода.

    Основной площадкой лабораторной работы в заявке обозначена международная научная лаборатория прикладной микробиологии «ҚАЗАҚ-НЕМІС-ҚЫТАЙ» Института проблем экологии КазНУ. Для анализа и характеристики угля предусмотрено участие Института химии угля и технологии в Астане. Международная часть программы включает сотрудничество с Аахенским университетом прикладных наук в Германии и Шэньсийским университетом науки и технологий в Китае.

    К ожидаемым результатам отнесены лабораторные и технологические регламенты биообессеривания, описание процесса и рекомендации по получению угля с пониженным содержанием серы. Проект предусматривает переход от выбора технологической концепции к экспериментальной разработке. Предлагаемая работа должна определить возможности местных микроорганизмов и условия их применения. Экологический эффект и экономическая целесообразность подхода обозначены как предмет экспериментальной проверки.