УФ‑активированный электрохимический процесс для глубокой минерализации шахтной воды и извлечения ресурсов

Преобразование грязной шахтной воды в полезные ресурсы

Угольная добыча оставляет после себя огромные объёмы солёной, загрязнённой воды. Традиционно такие стоки рассматриваются как дорогое бремя: их трудно очищать, дорого утилизировать, и они становятся упущенной возможностью в регионах с дефицитом воды. В этом исследовании показано, как ультрафиолетовое излучение и электричество могут работать вместе не только для удаления трудноустранимых загрязнений из высокосолёной шахтной воды, но и для преобразования оставшихся компонентов в ценные химикаты и пригодную для повторного использования воду, что указывает на более чистую добычу и более циркулярное использование ресурсов.

Почему солёную шахтную воду так трудно очистить

На каждую тонну добытого угля может приходиться почти две тонны шахтной воды. После частичной обработки с помощью мембран остаётся концентрированный рассол, насыщенный сложными органическими молекулами, солями и другими примесями. Эти органические вещества поступают из растворённых в недрах материалов, смазочных материалов и резиновых частиц оборудования. Они химически стабильны, гидрофобны и плохо разлагаются, поэтому стандартные продвинутые методы окисления, такие как озон или обычная электрохимия, с трудом справляются с их полным разрушением. Существующие методы кристаллизации могут вернуть воду и соль, но в основном дают малоценный сульфат натрия и сильно зависят от добавления химикатов, что ограничивает их экономическую привлекательность.

Использование света и электричества в тандеме

Исследователи разработали «УФ‑активированный ассистированный электрохимический процесс» (UAEP), который сочетает ультрафиолетовое освещение с точно настроенной электрохимической ячейкой. Шахтная вода протекает между металлическим анодом и палладий‑покрытым катодом при одновременном облучении УФ‑светом. Многие упрямые органические молекулы в шахтной воде содержат фоточувствительные кольцевые структуры и особые функциональные группы, поглощающие УФ‑энергию. При возбуждении светом эти молекулы становятся более реакционноспособными и легче атакуются краткоживущими радикалами — высокореактивными формами кислорода и водорода — которые генерируются на электродах. В испытаниях на реальной высокосолёной шахтной воде UAEP удалял около 90% общего органического углерода и почти 60% общего азота, явно превосходя озон, фентоновский метод и несколько распространённых электрохимических схем.

Отслеживание молекул в процессе их распада

Чтобы детально увидеть, что происходит с тысячами различных органических соединений во время обработки, команда использовала продвинутые методы, такие как флуоресцентная картография и ультра‑высокораспространённая масс‑спектрометрия. Эти методы показали, что УФ‑свет и электрохимия воздействуют на разные части молекулярного «ассортиментa». УФ‑излучение склонно расщеплять более крупные, насыщенные кольцами молекулы и разрушать связи с серой и хлором, превращая их в меньшие фрагменты и менее токсичные формы. Электрохимическая составляющая, напротив, способствует превращению многих органических веществ в более сильно окислённые структуры, похожие на карбоновые кислоты, по пути к диоксиду углерода и простым ионам. В сочетании в UAEP система охватывает гораздо более широкий набор исходных соединений и направляет их по более глубоким путям распада, чем каждая из методик по‑отдельности.

Радикальный танец, ведущий к более чистым результатам

Эксперименты с репрезентативным загрязнителем капролактамом пролили свет на базовую химию процесса. Сам по себе УФ‑свет едва влиял на эту молекулу при реалистичных концентрациях, а электрохимия в одиночку с трудом доводила дело до конца. В объединённом UAEP же капролактам был практически полностью удалён вместе с большей частью его углерода и азота. Тесты с селективным блокированием разных реактивных видов показали, что центральными участниками являются атомарный водород и гидроксильные радикалы. Ультрафиолетовое излучение сдвигает баланс радикалов, уменьшая образование хлорированных окислителей, которые могут приводить к нежелательным побочным продуктам, и одновременно повышая долю желательных гидроксильных радикалов. По сути процесс выстраивает динамичную сеть окислительных и мягко восстанавливающих реакций, которые совместно дробят и минерализуют даже стойкие органические вещества.

Замыкание цикла с получением ценных продуктов

Очистка органики — лишь часть истории. После обработки UAEP очищенная солёная вода подаётся на электродиализ, который разделяет и концентрирует оставшиеся соли без проблем засорения благодаря предварительному удалению веществ, вызывающих образование отложений. Этот концентрированный рассол затем поступает в блок электродиализа с биполярной мембраной, который разделяет соль на кислые и щелочные потоки и одновременно производит пресную воду. В долгосрочных испытаниях продолжительностью более 1000 часов система стабильно обеспечивала высокое удаление органических и азотных загрязнителей, практически чистый гидроксид натрия, пригодный для повторного использования, промышленно полезную кислоту и чистую воду, годную для рециркуляции. Вместо того чтобы превращаться в загрязнённые отходы и малоценную соль, шахтная вода становится источником как чистой воды, так и ценных химикатов.

Что это значит для горной добычи и дефицита воды

Для неспециалистов ключевая мысль такова: стойкая солёная шахтная вода не обязательно должна оставаться дорогостоящим экологическим бременем. Умелое сочетание ультрафиолетового света с электрохимией, а затем — с современными мембранными методами показывает путь к разрушению сложных молекул загрязнений и превращению оставшихся солей в полезные продукты. При дальнейшем оптимизировании длины волны света и электрических условий такие системы могли бы помочь угледобывающим регионам экономить воду, снижать расходы на очистку и извлекать химикаты, приближая горные предприятия к реальной концепции «нулевого сброса жидкостей» с ощутимой экономической выгодой.

Цитирование: Liu, X., Chai, Y., Gu, Y. et al. UV-activated assisted electrochemical process for mine water deep mineralization and resource recovery. Nat Commun 17, 3369 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70043-9

Ключевые слова: очистка шахтной воды, УФ электрохимические процессы, сточноe вода с высокой солёностью, извлечение ресурсов, электродиализ с биполярной мембраной