ГЕНЕРАТОР ПОТУЖНІСТЮ У МІЛЬЯРДИ РУБЛІВ

Нудний для непосвяченого інтер'єр наукової лабораторії насправді - комплекс складної апаратури для тонких фізико-хімічних досліджень. З них починається створення нових технологій, матеріалів і товарів - від пральних порошків до мікропроцесорів

Наука і життя // Ілюстрації

Проникність майбутньої мембрани і інші її властивості можна передбачити методами & quot; паперової хімії & quot; - за допомогою математичних моделей, побудованих і досліджених на комп'ютері.

Схема мембранного контактора для ефективного газоразделенія.

«Паперова хімія» дозволяє дуже добре передбачати властивості нових, ще не синтезованих полімерів.

Академік Микола Альфредович Плате демонструє одну з останніх розробок інституту - сенсорний газоаналізатор для вимірювання концентрації парів бензину в повітрі.

Сьогодні є близько двох десятків так званих пріоритетних технологій.

<

>

Наша країна на рідкість багата на корисні копалини, у нас є сировина практично для будь-якої галузі промисловості. Чому ж, незважаючи на це, ми живемо погано? Питання в тому, як природні багатства використовувати. Можна, наприклад, продавати нафту в сирому вигляді, а можна переробляти і вивозити набагато дорожчі продукти нафтохімії. Зате продаж сирої нафти майже не вимагає інтелектуальних зусиль і значних капітало- вкладень, особливо якщо родовище багате і залягає неглибоко. Зараз ми викачуємо нафту з знаменитого Самотлора на Західно-Сибірської низовини, але з кожним роком робити це стає все важче і важче. Запаси вичерпуються, доводиться бурити все глибше, йти все далі на північ, де тундра і важкий клімат, де працювати набагато складніше.

Однак жодна по-справжньому цивілізована країна тільки сировину не продає. Вона обов'язково комбінує, скажімо, експорт сирої нафти з продажем продуктів нафтохімічного синтезу, тому що ціна навіть поганенького бензину, скажімо 76-го, значно вище. А вклавши у виробництво свій інтелект і технічні ідеї, можна отримати дуже дорога сировина для виготовлення ліків, мастильні матеріали, полімери та інші продукти великий хімічної цінності.

Тому розумна країна, що володіє навіть дуже великими запасами нафти, уважно стежить за ринковими цінами. Возмем, наприклад, сучасні нафтохімічні комбінати в Саудівській Аравії або в Кувейті. Вони працюють, отримуючи з нафти дизельне паливо, бензин, мастильні матеріали, гас або ще більш досконалі продукти: етилен, пропілен, стирол, які потім можна перетворити в пластмаси. Варто сирої нафти трохи подешевшати, як вже через добу комп'ютерне управління заводом змінює, скажімо, співвідношення 60% сирої нафти і 40% продуктів переробки на 45% нафти і 55% більше дорогих і вигідних нафтопродуктів.

У нас, на жаль, вся нафтохімічна промисловість високого класу знаходиться в занепаді, дешевше і простіше вивозити сиру нафту. Підприємства з виробництва поліетилену або поліпропілену, створені для задоволення внутрішнього ринку, завантажені на 65-75%. У них немає стимулу розвивати і вдосконалювати технологію. Ось і залишаються незатребуваними розроблені Інститутом нафтохімічного синтезу та іншими організаціями нові каталізатори і передові технології переробки нафти і газу. Але ж вони не поступаються рівню Європи, США і Японії, а часом і перевершують його.

Ось і найпростіший відповідь на поставлене запитання: доки національний капітал буде будуватися тільки на вивезення сирої нафти, жити ми будемо погано.

Плівка замість реактора

Все, що дарує людині сучасна хімія, починається з фундаментальних досліджень. Інститут нафтохімічного синтезу, якому в цьому році виповнюється 65 років, залишається центром передової науки і створює технології XXI століття.

Засновниками нашого інституту були академік Іван Михайлович Губкін - знаменитий геолог, нефтеразведчік, і не менш знаменитий хімік-органік, академік Микола Дмитрович Зелінський. Створений в 1934 році як Інститут нафти, він потім став називатися Інститутом горючих копалин і лише з 1959 року отримав сьогоднішнє найменування.

Інститут займається процесами хімічної переробки нафти. Будь-хімічний процес закінчується виділенням продуктів реакції шляхом випарювання, дистиляції, кристалізації та інших процесів, що вимагають гігантських витрат енергії. Але є й інший шлях вирішення цих завдань - так звана мембранна технологія.

Мембрани являють собою полімерні плівки, найтонші сітки з металу або кераміки. Хімічна обробка дозволяє їм на молекулярному рівні дуже ефективно, з незрівнянно меншою витратою енергії, розділяти потоки речовини. Мембрани знайшли застосування в біотехнології, атомній енергетиці, при отриманні білкових препаратів, в системах життєзабезпечення.

В Інституті створено центр мембранних досліджень з восьми лабораторій. У ньому є хіміки-органіки, фахівці з каталізу, технологи, кремнійорганікі, полімерники, фізхімікі. Є і навчально-науковий центр за програмою "Інтеграція", де разом з преподавате лями МІФІ готують фахівців. У цьому центрі вдалося зробити кілька красивих розробок.

Одна з них - мембранний біореактор, інша - мембранний контактор для швидкого і ефективного відділення водню, метану або етилену від вуглекислого газу.

Енергетика і хімічна промисловість майбутнього стануть базуватися на поновлюваному сировина. Один з його джерел - відходи тваринництва та інша органіка, які гниють, виділяючи метан і вуглекислий газ. Мембранний модуль їх легко розділяє, і вже є кілька господарств, де наші біореактори працюють, забезпечуючи ферми майже дармовим пальним.

Цінні органічні продукти, скажімо, спирти - етанол, бутанол та інші, отримують за допомогою різних мікроорганізмів. Однак кінцевий продукт біохімічної реакції дуже швидко пригнічує їх активність. Поєднання "класичного" біотехнологічного методу з мембранним модулем дозволяє і виділяти, і концентрувати спирти набагато ефективніше.

Однак полімери для мембран і самі мембрани треба вміти синтезувати, попередньо чітко уявивши собі, що потрібно отримати. Щоб створити мембрану, доведеться вкласти чималі кошти, тому що потрібно провести дослідження, закупити матеріали і прилади. Але сьогодні її властивості вдається передбачити, просто намалювавши хімічну формулу відповідного полімеру.

Виявилося, наприклад, що у склоподібних полімерів різної будови проникність по кисню визначається груповим внеском певних структурних одиниць - "будівельних блоків". А знаючи це, можна підрахувати проникність як уже вивчених, так і ще не синтезованих матеріалів.

Для розрахунків нам вдалося скласти хорошу комп'ютерну програму, і тепер, збираючись будувати певний полімер, ми займаємося "паперової хімією". Я беру аркуш паперу, малюю формулу і кажу: "Який гарний полімер, він повинен принести успіх". Раніше довелося б витратити близько чотирьох місяців, щоб шляхом синтезу в дванадцять ступенів цей полімер зробити і перевірити свій прогноз. А тепер за 20-25 хвилин вдається програти всю ситуацію на комп'ютері і отримати відповідь: "Проникність мембрани буде така-то, а її селективність по парі кисень-азот - така-то". І відразу стає зрозуміло, чи варта шкурка вичинки.

Ці методи отримали світове визнання, за подробицями до нас зверталися і американці, і німці, і японці. Відповідь була одна: все має свою ціну; ми готові взаємодіяти, але не за гроші.

І тут виникає одна серйозна проблема - втрата кваліфікованих кадрів, "витік мізків", та й просто інформації, чому ми деколи самі сприяємо. Через непристойно мізерної зарплати багато мало не за 500 доларів готові віддати свою роботу кому завгодно. Ми пояснюємо, що їх знання та досвід коштують не 500, а 500 тисяч доларів, і вони не повинні працювати за копійки. Вступати потрібно по-іншому: інститут має досить хорошу репутацію, тому ми укладаємо договір на справедливу суму і виконуємо замовлення. Не було ще випадку, щоб, взявшись за таку справу, ми не змогли б у багато разів підвищити зарплату учасникам робіт. До речі, американці розуміють відразу: якщо ціна пристойна, значить, тут щось є.

Мембрана відчуває запах

Полімерні плівки - це не тільки упаковка для продуктів і матеріал для парників. Полімери служать чутливими датчиками (сенсорами), здатними знаходити в повітрі сверхмалі концентрації газів і парів.

Ще однією розробкою інституту став чутливий полімерний сенсор - тоненька напівпроникна мембрана (полімерна плівка), нанесена на п'єзокристал. Під впливом прикладеної напруги п'єзокристал коливається з певною частотою, яка залежить від його маси. Якщо мембрана сорбує на собі певну речовину, маса кристала збільшується і частота його коливань змінюється. За допомогою електроніки зміна частоти легко зареєструвати. Так вдалося побудувати сенсори на аміак - дуже отруйний газ, який широко застосовується на виробництві в якості одного з основних охолоджуючих агентів. Тепер, щоб на великому заводі виявити навіть невелику витік аміаку, не потрібно ходити по території і брати проби повітря. Досить в цехах встановити мембранні рецептори і вивести від них дроти на пульт чергового.

Є і ще одна небезпечна, дуже отруйна речовина - ракетне паливо диметилгидразин. Паливо це досить швидко псується, і його доводиться знищувати, приймаючи дуже серйозні запобіжні заходи. Сенсорні датчики, створені інститутом разом з Інститутом геохімії та аналітичної хімії РАН, тут просто незамінні.

Зовсім недавно ми зробили сенсор і на пари бензину. Витік бензину не тільки шкідлива з точки зору екології і економіки, вона просто небезпечна: пари бензину з повітрям утворюють вибухову суміш. Значить, їх концентрацію потрібно безперервно вимірювати, причому не тільки на нафтохімічних підприємствах, а й на міських бензоколонках. Ці прилади інститут розробив спільно з Військовою академією радіаційного, хімічного і біологічного захисту.

керамічні легкі

Щоб виділити один якийсь газ із суміші, не потрібно проводити складні хімічні реакції - досить пропустити газову суміш крізь мембранний фільтр.

Під керівництвом академіка Володимира Михайловича Грязнова в інституті були створені унікальні мембранні фільтри на основі кераміки та сплавів паладію. Вони звільняють водень від домішок вуглекислого газу, окису вуглецю, метану, доводячи його до чистоти 99,999%. Так з'являється можливість використовувати промислові гази, відходи виробництва, до половини обсягу яких становить водень. Екологічно чистий водень знаходить застосування в парфумерній та харчовій промисловості для синтезу ароматичних речовин і перетворення рідких рослинних масел в тверді жири типу маргарину.

Кремнійорганічні полімерні мембрани, народжені також в нашому інституті, пропускають кисень в чотири рази швидше азоту. Прокачавши повітря через їх каскад в мембранному оксигенатори, можна 20-процентну концентрацію кисню в повітрі довести до 25 - 40 відсотків. В аптеках продають подушки, наповнені киснем з балона. Але чистим киснем дихати не можна, і його випускають потроху, змішуючи з повітрям в невідомої пропорції. А оксигенатор відразу дає необхідну його концентрацію. Якщо ж мембрану піддати певній хімічній обробці, її селективність можна збільшити в два рази.

Бронежилет з твердої рідини

Виявлена ​​величезна сімейство речовин, що займають проміжне положення між трехмерно впорядкованими твердими тілами (кристалами) і аморфними речовинами (переохолодженими, стеклообразнимі, дуже в'язкими рідинами).

Надзвичайно цікавий і дуже перспективний клас так званих мезофазних полімерів. Вони і не кристали, і не повністю аморфні тіла, а мають якоїсь проміжної ступенем впорядкованості. До сих пір вважали, що в природі є тільки або кристали з суворою симетрією, або аморфні тіла з молекулярним хаосом. З'ясувалося, однак, що подібну - мезофазних - структуру мають дуже багато полімери, в яких порядок поступово, сходинками змінюється під впливом нагріву або стиснення. І після кожної сходинки виникає зовсім інша структура, від кристала до рідини, з величезною кількістю різного роду фаз.

У всьому світі поліцейських забезпечують бронежилетами і щитами з цих мезофазних полімерів, які за міцністю не поступаються стали, але в п'ять разів легше: бронежилет з них важить кілограма півтора. Троси для ліфтів і причальні канати з цих же полімерів не старіють і здатні витримувати гігантські навантаження.

Мезофазних полімери можна використовувати для запису і зчитування інформації: вони поєднують властивості рідких кристалів (з яких сьогодні роблять індикатори калькуляторів і годин) і одночасно утворюють міцну плівку.

Хімічний реактор з дизеля

Після невеликої переробки двигун внутрішнього згоряння - дизель - починає працювати як хімічний реактор, перетворюючи природний газ в рідке паливо.

Повернемося до питань, пов'язаних з нафтою і газом. Сьогодні вже доводиться думати: куди рушить енергетика в XXI столітті, коли буде вичерпано Самотлор, виснажаться інші родовища? Вище вже говорилося, що головний висновок з цього сумного факту очевидний - Росія повинна поберегти свої запаси, повинна перестати просто продавати нафту і почати робити нафтохімічні продукти і вивозити їх.

Але є й інше рішення проблеми. Росія стоїть на першому місці в світі за запасами природного газу, тут у неї немає конкурентів. Паливним газом ми постачаємо майже всю Європу. Але газ можна не спалювати, а хімічним шляхом перетворювати в рідке пальне та інші цінні продукти. Для цих цілей Інститут нафтохімічного синтезу разом з Інститутом високих температур РАН, Нижегородський акціонерним товариством "Російські мотори" і Нижегородської компанією "Сибур" створив абсолютно нову і дуже цікаву конструкцію: хімічний реактор стиснення - ХРС. Реактор являє собою знайомий всім дизельний двигун з невеликою технічної доопрацюванням. Природний метан в реакторі перетворюється в суміш окису вуглецю з воднем - так званий синтез-газ, з якого отримують метанол і моторне паливо.

Уявімо собі абсолютно реальну ситуацію сьогоднішнього дня. Родовища природного газу в Росії знаходяться в основному на Півночі, і тисячокілометровий газопровід проходить через Ямал і Таймир, де середньорічна температура нижче нуля. Газ містить метан, який з водою (а він завжди вологий) утворює твердий кристаллогидрат. Це з'єднання замерзає вже при температурі плюс 4 градуси, і утворився "сніг" забиває газопровід. Щоб розчиняти пробки, щорічно літаками або під час короткої літньої навігації через північні моря і річки до траси трубопроводу завозять 200 тисяч тонн метанолу. І через кожні п'ятдесят кілометрів насосами його закачують в трубопровід. Температура замерзання гідратний-спиртових комплексів знижується на 20-25 градусів, і "сніг" тане. Споживачеві невелика домішка метанолу не заважає, тим більше що його теплотворна здатність навіть більше, ніж у природного газу.

На Ямалі кожна тонна метанолу обходиться в 500 доларів, в той час як його собівартість в три рази нижче - перевезення обходиться дорожче виробництва. Але тепер можна поставити кілька десятків модернізованих дизелів, підключити їх безпосередньо до трубопроводу і виробляти метанол на місці. Дизелю не потрібно крутитися вхолосту - нехай обертає генератор і виробляє електроенергію. З того ж метану можна робити рідке паливо для важких вантажівок, тракторів, кранів, яке зараз теж привозять на Північ, і теж за великі гроші.

Хімічний реактор стиснення - абсолютно оригінальна розробка, яка запатентована і в Росії, і за кордоном. Наші великі нафтові і газові компанії вже почали вести переговори з інститутом і пропонують співпрацю на твердій матеріальної основі.

Виникає природне запитання: чи не можна використовувати і більш потужні силові установки в якості хімічних реакторів?

Виявило, что и це можливо. У Інстітуті провели модіфікацію дизельного двигуна, что дозволяє спалюваті в ньом шкідливі и небезпечні Речовини. Надтоксічність з'єднання з арсеналу хімічної оружия - нервово-паралітічній газ "VX", например, згорає в ньом за одну мікросекунду з ефектівністю 99 і ще 6 дев'яток после комі відсотків. Частина, что залиша концентрація газу істотно нижчих гранично допустімої даже для цього супертоксичним Речовини. Таким способом можна через кілька років ліквідувати майже всі 40 тисяч тонн отруйних речовин, накопичених країною.

Запропонована технологія може з успіхом застосовуватися і в "мирних цілях". Кожне хімічне виробництво має свої відходи - екологічно шкідливі і небезпечні сполуки. Екологічні вимоги з кожним роком стають дедалі жорсткішими, але наш дизель-реактор знищить всі відходи на місці, та ще й стане виробляти електроенергію.

До найбільш потужним енергетичним установкам відносяться і ракетні двигуни. І не тільки важкі носії типу "Протон", які виводять в космос космічні апарати. існує
рідинний реактивний двигун з камерою згоряння на півтора літра для маневрування на орбіті. Він дуже надійний, але включається тільки на 10-30 секунд. Кілька років тому ми вирішили використовувати двигун як хімічний реактор. На нього можна поставити охолоджувальну "сорочку", щоб температура на стінках не перевищувала 250 - 300 градусів, і змусити двигун працювати не 30 секунд, а 8 тисяч годин безперервно. Температура в камері згоряння двигуна - 2,5-3 тисячі градусів, при якій самий супертоксичним реагент буде миттєво знищений. Всі ці розробки знаходяться в руслі самих передових технологій.

Є і ще одна вельми перспективний напрям - так звана холодна плазмохімія. На відміну від ядерної, де температура досягає мільйонів градусів, плазма тут холодна - якихось 3000оС. Але при цій температурі з атомів типу аргону, кисню, азоту, неону вже злітають верхні електронні оболонки, утворюються іони і інші активні частинки. Плазмохимія - надзвичайно перспективний спосіб перетворення непотрібних або малоцінних речовин в дорогий продукт. Взяти хоча б отримання ацетилену з того ж природного газу замість надзвичайно брудного, екологічно шкідливого способу його виробництва з карбіду кальцію (який, до речі, сьогодні ми купуємо за валюту в Фінляндії). Плазму підживлюють метаном (СН4), від якого при високій температурі отщепляется водень. Дві молекули метану потрійним зв'язком з'єднуються в молекулу ацетилену СН = СН, який широко використовується для газового зварювання. Одночасно виходить і водень - не менше цінний продукт.

Нафта допомагає медикам

Полімери, зроблені з продуктів переробки нафти, лягли в основу нових методів лікування і допомоги при шокових станах.

Академік Сергій Семенович Наметкин, один із засновників нашого Інституту, колись написав: "Нафтохімія є наука і мистецтво робити з вуглеводнів нафти та інших її компонентів продукти вищої хімічної цінності". Приголомшливе визначення. Воно закликає нас займатися практично необмеженим колом хімічних задач, якщо це приносить користь.

Одна з кращих в Інституті - лабораторія хімії медико-біологічних полімерів. Роботи в галузі медицини привели до дуже цікавим речам. Ферменти, гормони, інгібітори, що пригнічують активність ферментів, антикоагулянти, які перешкоджають згортанню крові, та інші біологічно активні речовини вдалося перетворити в мономери, здатні до полімеризації. А раз так, то їх можна або надрукувати в полімерну сітку, або прищепити на тверду поверхню. При цьому вони зберігають свою біологічну активність.

На основі цих речовин можна придумати і створити цілий ряд біоспеціфіческого адсорбентів, тобто речовин, які поглинають і пов'язують тільки цілком певні біологічні речовини. Якщо врізалися в сітчасту структуру полімеру виявляється фермент, він буде захоплювати протікає повз нього інгібітор. Якщо надрукувати інгібітор, він зв'яже фермент. Альбуміном вдається "схопити" жирні кислоти, продукти перетравлення їжі, холестерином - гепарин, гепарином - холестерин. Всі ці адсорбенти мають активність на рівні 95-100 відсотків, тобто практично повністю пов'язують "своє" речовина.

При важких отруєннях та ряді захворювань виникає необхідність очистити кров від токсинів - провести так звану гемоперфузію. Кров з артерії прокачують через хроматографічну колонку (див. "Наука і життя" № 2,1998 р). Вона заповнена гелем, що містить дуже важливий компонент - інгібітор найсильніших протеолітичних ферментів, які розкушують молекули білка.

Ось конкретна ситуація: людина захворіла панкреатитом, запаленням підшлункової залози. Одне з побічних і дуже важких наслідків захворювання - викид в кровотік тисячократним концентрації протеолітичних ферментів. Вони починають "поїдати" білки, з яких побудована тканину. Осколки білків осідають в печінці, в нирках і блокують їх - настає кома. Щоб припинити отруєння, застосовують гемоперфузію, і ми отримали дозвіл на виробництво для неї гелю-інгібітора.

Інший приклад. Людини, яка отримала великий опік, рятують в перші три-чотири дні. І здавалося, найнебезпечніше позаду, організм уже пережив термічний шок, шкіру очистили, закрили плівкою, щоб не було випаровування, тому що обпалені люди страждають і навіть гинуть від зневоднення. Але на п'ятий день починається важке ускладнення. Довгий час не знали, через що воно виникає. А справа виявилася в тому, що клітини організму в двох - чотирьох сантиметрах від поверхні тіла теж отримали термічний удар, і на п'ятий день видали гігантський потік протеолітичних ферментів.

Людина потрапила в катастрофу або землетрус, на нього звалилася бетонна балка. Падала вона повільно і нічого йому не зламала, але людина 8 - 10 годин пролежав під вагою. Його витягли з-під завалу, кровотеч і переломів не виявлено і порахували, що потерпілий відбувся благополучно. Однак на четвертий-п'ятий день виникає та ж картина, що й при опіку, яка в цьому випадку називається "крешсіндром" (від англійського crush - роздавлювати). Клітини м'яких тканин пам'ятають, що на них кілька годин пролежав вантаж, придавив їх, і реагують таким же викидом ферментів. Рецепт порятунку один: фільтрація крові через колонку, гемоперфузія.

Навчившись працювати з ферментами і білками, ми вирішили спробувати перейти на живі клітини, посадивши їх на якусь поверхню, тобто иммобилизовать їх. Чи зможуть вони тоді продовжити свою корисну роботу? Виявилося, що, якщо хімічно зачепитися за зовнішню стінку дріжджовий або бактеріальної клітини, вона збереже здатність і до розмноження, і до продукування потрібного речовини.

Ми іммобілізували клітини якоїсь бактерії, що виробляє фермент люциферази, який світиться і тому може бути легко виявлено. Якщо цю бактерію посадити на поверхню, скажімо, поліетилену, і на її фермент подіють домішки, що знаходяться в повітрі або в воді, світіння ослабне, причому ефект у пов'язаних клітин виявився набагато сильніше, ніж у вільних. Можна просто виставити шматочок плівочки на повітря, виміряти інтенсивність люмінесценції і отримати її залежність від концентрації домішки. Цей "живий" біохімічний датчик зручний тим, що його можна легко промити, відновити, і він знову буде інформувати нас про те, що відбувається в навколишньому середовищі.

Підводячи підсумки, хочеться сказати про головне: незважаючи на загальний занепад науки в країні, Інститут нафтохімічного синтезу працює, ентузіазму і нових ідей поки вистачає. Засмучує одне - коштів на їх реалізацію недостатньо.