Проблема воды стала очень актуальной темой во всем мире, особенно в трансграничных речных районах. Например, Эфиопия, Судан и Египет десятилетиями спорят о плотине эпохи Возрождения на Ниле. В Южной и Восточной Азии ведутся споры вокруг истоков рек Брахмапутра и Меконг, которые берут свое начало в Тибете. Такие конфликты возникают не из-за нехватки воды, а из-за отсутствия механизмов совместного и справедливого управления ею.
Центральная Азия - один из самых уязвимых регионов с точки зрения «водной политики». Здесь две основные реки - Сырдарья и Амударья - обслуживают миллионы жителей пяти стран: Казахстана, Узбекистана, Кыргызстана, Таджикистана и Туркменистана. Ресурсы этих рек формируются в горах Тянь-Шаня и Памира (Кыргызстан, Таджикистан), но основными потребителями воды является сельское хозяйство Узбекистана, Казахстана и Туркменистана. Таким образом, некоторые страны контролируют источники, а другие зависят от потока.
С распадом Советского Союза в 1991 году централизованная водохозяйственная система была упразднена. Страны, что выше (Кыргызстан и Таджикистан), начали строить гидроэлектростанции, чтобы обеспечить себя энергией, особенно зимой. Но это нарушает водоснабжение нижних стран в течение вегетационного периода, когда полив полей особенно важен. В свою очередь, страны, расположенные ниже, и которым требуется вода летом, не всегда готовы в зимние месяцы обеспечить топливом и финансировать страны, расположенные выше. Как следствие, ежегодно возникают споры, особенно в засушливый период.
Казахстан находится в относительно уязвимом положении. Воды на территорию нашей страны поступают из семи трансграничных рек: Сырдарьи, Или, Шу, Таласа, Иртыша и Урала. При этом значительная часть сточных вод образуется за пределами страны: в Китае, Кыргызстане и Узбекистане. Это делает Казахстан зависимым от решений соседей, особенно в условиях изменения климата и увеличения водопотребления в регионе.
Особую тревогу вызывает ситуация с Китаем, который активно осваивает водные ресурсы в бассейнах рек Или и Иртыш. Построенные там водохранилища и каналы могут уменьшить сток в крупнейшее озеро на юго-востоке Казахстана - Балхаш. В случае развития неблагоприятного сценария регион может столкнуться с новой экологической катастрофой, похожей на высыхание Аральского моря.
Развитие экологически устойчивой инфраструктуры
Один из самых печальных примеров экологической катастрофы, связанной с водными ресурсами, - осушение Аральского моря. Это не только символ потери уникальной экосистемы, но и наглядная демонстрация последствия нерационального использования водных ресурсов. В середине XX века Аральское море было четвертым по величине внутренним морем на планете, а его побережье являлось зоной активного рыболовства, устойчивого климата и экономического процветания. Однако в результате обширного перенаправления рек Амударьи и Сырдарьи на нужды орошаемого земледелия море начало быстро отступать. Сегодня большая часть его дна превратилась в Аралкум, соленую пустыню с очень низким уровнем биоразнообразия, пыльными бурями, серьезными последствиями для здоровья местного населения. По мнению экспертов, к 2040 году республика, особенно южные и центральные регионы, где давление на ресурсы превысило безопасный предел, может столкнуться с острой нехваткой воды. На фоне этих вызовов очевидна необходимость внедрения инновационных и экологически устойчивых решений в сфере водоснабжения. Именно здесь такие технологии, как графеновые мембраны, могут играть важную роль в опреснении и очистке воды. Они способны не только эффективно использовать альтернативные источники воды, такие, как пресная и загрязненная подземная вода, но и обеспечивать высококачественную фильтрацию с низкими энергозатратами и экономическими затратами. Более того, если эти технологии будут основаны на переработке местной биомассы, такой, как сельскохозяйственные отходы, это создаст дополнительную экологическую и социальную ценность, от утилизации отходов до создания рабочих мест в сельской местности.
Что такое графен и почему
он важен
Графен представляет собой двумерную структуру, состоящую из одного слоя атомов углерода, соединенных в виде гексагональной решетки. Благодаря уникальному сочетанию свойств высокой теплопроводности, пластичности и молекулярной селективности графен считается одним из самых перспективных материалов XXI века.
Графен важен, потому что он сочетает в себе уникальные свойства, которые ранее не проявлял ни один материал. Он необычайно прочен - в сотни раз крепче стали, но практически невесом и прозрачен. Графен является отличным проводником электричества и тепла, что делает его идеальным для использования в электронике, батареях, гибких дисплеях и датчиках. Его однослойная структура атомов позволяет создавать ультратонкие и сверхчувствительные устройства. Графен также обладает удивительной способностью фильтровать воду: он может удерживать соли и загрязняющие вещества, позволяя проходить только молекулам воды, открывая перспективы опреснения и очистки сточных вод. Особую ценность представляет то, что графен можно получить из биомассы, такой, как рисовая шелуха, древесина или пищевые отходы. Это придает ему не только высокую эффективность, но и экологическую устойчивость. Все это делает графен материалом будущего, способным радикально изменить технологию, сделать ее чище, умнее и эффективнее.
Мое исследование направлено на разработку инновационной технологии опреснения морской и пресной воды с использованием графена, полученного из рисовой шелухи, побочного продукта сельскохозяйственной промышленности.
В чём суть метода
Сегодня графен из биомассы является экологически чистым и доступным сырьем. Если раньше его производство казалось дорогостоящим и энергоемким процессом, то в последние годы были разработаны более устойчивые методы, позволяющие синтезировать этот материал из углеродсодержащих отходов, таких, как опилки, рисовая шелуха, кукурузные хлопья, кофейная гуща и даже пищевые отходы. Такой подход не только снижает себестоимость продукции, но и решает проблему утилизации сельскохозяйственных и бытовых отходов.
Процесс получения графена из биомассы включает термическое разложение сырья при высоких температурах без кислорода (пиролиз), последующую химическую или термическую активацию для увеличения площади поверхности, а затем отслаивание полученного углеродного материала на тонкие листы графена. В результате получается функциональный материал с высокой удельной площадью поверхности и пористостью, способный эффективно взаимодействовать с водными растворами.
Преимуществом этого метода является не только утилизация органических отходов и низкая цена, но и отсутствие токсичных побочных продуктов, а также возможность местного производства в регионах, богатых биомассой, например, в сельскохозяйственных регионах Казахстана.
Полученные таким образом графеновые мембраны используются в различных форматах: от структур оксида графена с высокой гидрофильностью и регулируемой проницаемостью до восстановленного оксида графена с улучшенными механическими свойствами и ламинарных наноструктур, способных контролировать прохождение воды на нанометровом уровне. Такие мембраны высокоселективны и могут удалять до 99 процентов соли из воды, обеспечивая производительность в два-пять раз выше, чем у традиционных полимерных аналогов. Кроме того, они экономят до 30 процентов энергии благодаря низкому давлению, необходимому для фильтрации, а также обладают антибактериальными свойствами, которые снижают уровень биоудаления и продлевают срок службы систем очистки воды.
Мои исследования подтверждают, что переработка сельскохозяйственных отходов в высокотехнологичные материалы может стать не только методом утилизации, но и полноценным средством экологической трансформации. Используя то, что раньше считалось бесполезным - рисовую шелуху, отходы сельскохозяйственных культур и другую биомассу - мы получаем уникальную возможность производить наноматериалы следующего поколения, которые могут эффективно решить одну из самых насущных глобальных проблем - нехватку пресной воды. Такие материалы, в частности, графеновые мембраны, демонстрируют отличные характеристики в системах фильтрации и опреснения, уступая место устойчивым и недорогим технологиям очистки воды.
Для Казахстана эта концепция имеет особое значение. С одной стороны, страна обладает богатым сельскохозяйственным потенциалом и ежегодно производит тонны биомассы, которую можно эффективно перерабатывать. С другой стороны, в условиях изменения климата, уменьшения ледникового стока и увеличения давления на системы управления водными ресурсами очень важно искать местные, доступные и экологически чистые решения.
Использование графеновых материалов из сельскохозяйственных отходов не только значительно снижает давление на водные ресурсы, особенно в южных регионах и агломерациях с высокой плотностью населения, но и позволяет создавать собственные технологические решения по очистке воды, не зависящие от дорогостоящего импорта. Это дает Казахстану уникальную возможность выступать в качестве экспортера «зеленых» IT-решений, сочетающих в себе принципы закрытой экономики, экологической ответственности и цифровой эффективности.
Таким образом, научные разработки в области нанотехнологий на основе местного сырья могут стать основой устойчивого роста, стимулирующего не только экологические, но и экономические преобразования - от создания новых производств до развития экспортного потенциала страны на мировом рынке «зеленых» технологий.
Макпал СЕЙТЖАНОВА,
PhD, и. о. доцента, farabi.university,
фото Юрия КИМА
