"Зеленые" химические технологии для экологичного будущего

Модернизация производства и внедрение новых технологий способны радикально снизить нагрузку на природу. Например, китов нещадно истребляли несколько столетий ради жира, которым освещали улицы или смазывали механизмы, а после изобретения электричества и синтетических масел потребность в промысле отпала, и самые огромные животные благополучно восстанавливают свою численность. Благодаря "зеленой" химии сегодня многие "грязные" технологии могут очиститься и приносить гораздо больше пользы. О том, какие технологии будущего уже существуют и активно развиваются, порталу "Чистое будущее" рассказал и.о. ректора Российского химико-технологического университета (РХТУ) имени Д. И. Менделеева Илья Воротынцев. 

Рассуждая об экологичных технологиях будущего, можно отметить, что будущее в определенном смысле уже наступило: некоторые критически важные технологии уже существуют, развиваются и внедряются. Однако важно различать: можно внедрять более экологичные в использовании решения по сравнению с уже существующими аналогами, а можно делать принципиально новые "зеленые" технологии, которые позволят, например, серьезно снизить объемы промышленных выбросов. 

Прежде всего это мембранные технологии. Они отличаются энергоэффективностью, способствуют энергосбережению. Мембранные методы газоразделения часто сравнивают с ректификационными методами. Но для того чтобы производить разделение газов дистилляцией или ректификацией, зачастую необходимо сжижать газ, превращая его в жидкость, которая может быть потенциально опасной. В случае же сжижения азота, кислорода или, например, моносилана (основной источник кремния в различных полупроводниковых устройствах) возникает дополнительная потенциальная опасность нахождения большого количества сжиженного вещества в реакторе. Это потенциально очень опасно. А процессы с использованием мембран проводятся при температурах, близких к комнатной, и при относительно низком давлении, что позволяет сделать процесс энергосберегающим. Это стопроцентно экологичные технологии. В РХТУ им. Д. И. Менделеева есть единственная в России кафедра мембранных технологий, а скоро будет открыта лаборатория SMART полимерных материалов и технологий, где создаются новые мембранные материалы и устройства на их основе для широкого применения в промышленности и в быту. 

Второе – это катализ. Здесь мы, как говорил Леонардо да Винчи, биомимикрируем: берем у природы самые лучшие технологические идеи. Идеальный химический реактор, в котором протекает колоссальное количество химических реакций в единицу времени – это наше тело. Здесь основная роль отведена ферментативному катализу: например, именно так ферменты, которые есть у нас в организме, расщепляют алкоголь. Трансформация белков, углеводов и жиров для того, чтобы у нас была энергия – это суперэффективный ферментативный катализ, который человек пока не может моделировать и воспроизводить с той же эффективностью, как это устроено в природе. Один из примеров – это каталитическое превращение отходящих газов, которые, как правило, возникают при добыче нефти, а также попутных нефтяных газов или отходящих газов при переработке легких фракций в процессе подготовки природного газа и нефти. Это актуально и для России, и для Запада, и для Китая, и для всего мира. Решением может стать каталитическое превращение компонентов таких газовых сред в жидкие фракции, чтобы затем превратить их в бензин и в другие нефтяные фракции, но не дожигать факелами на нефтяных заводах. Это очень важная задача для экологии и химических технологий, и она пока не решена.

С точки зрения эффективности проведения реакций в химических технологиях, безусловно, важную роль в будущем будут играть микрореакторы. Что такое экологичность в этой части? Чем меньше отходов, тем более экологичный химический процесс мы можем заявлять, позиционировать и организовать. В химических микрореакторах выход химической реакции очень высокий, так как нет кинетических затруднений: в тонком канале счетное количество молекул с одной стороны встречается со счетным количеством молекул с другой стороны, и происходит реакция. Молекула А встречается с молекулой В с другого канала, и практически все они вступают в реакцию, потому что объем маленький. Эффективность и выход в таких химических реакторах будут очень высокими, и в целом количество выбросов от больших химических заводов, если мы их упакуем в микрореакторные блоки, будет сильно снижено. 

Следующая экологичная химическая технология будущего, которая сейчас активно развивается – это электролиз, химический процесс, который работает по принципу "нажми на кнопку". При нажатии кнопки идет электрический ток, начинается электрохимический процесс, и вы получаете различные вещества. Самый простой и хорошо отработанный электрохимический электролиз – это электролиз воды с получением водорода и кислорода, в первую очередь так называемый "голубой водород" – суперэкологичный процесс. Здесь главное понять, где взять дешевую и экологичную электроэнергию. Сегодня самая экологичная – атомная энергия, которая сейчас хорошо управляется и является безопасной, несмотря на предрассудки вокруг атомных технологий в целом. Так вот, электролиз в этой части является по сравнению с химическими процессами очень селективным. Электролизу подвергаются только те вещества и молекулы, которые должны ему подвергаться (а не все, как в химическом реакторе). Электрохимический синтез можно сравнить с химическим котелком: есть реагенты, исходные вещества и продукты, все "варится" вместе, и пока не доварится, мы не можем остановить процесс. Это очень неэкологично. В этом смысле электролиз – совсем другое дело: нажал кнопку – и электрохимическая реакция запустилась. Кнопку выключили – процесс остановился. По такому принципу мы получали такие опасные вещества, как моногерман (гидрид германия), гидрид фосфора – фосфин, который используется в качестве исходных веществ для микроэлектроники, а также для защиты растений (например, фунгициды для защиты зерна в элеваторах от вредителей). 

И еще одна экологичная химическая технология – на этот раз по объекту использования – это разлагаемые биополимеры. За ними, безусловно, будущее. Но здесь важно провести границу между биодеградируемыми полимерами и биоразлагаемыми. Если взять, например, полиэтилен, время разложения которого в земле, на свалке или в океане составляет тысячи лет, то если мы свяжем его какими-то биоразлагаемыми "мостиками", то получается, условно, что пакет из такого деградируемого полиэтилена быстро разложится на мелкие кусочки. Но эти мелкие кусочки тоже будут разлагаться тысячи лет. Поэтому мы должны здесь больше говорить о биоразлагаемых полимерах природного происхождения. Например, хитозан – основной строительный материал насекомых, крабовых. Или полилактид, добываемый из пшеницы, а также целлюлоза, которая добывается из древесины, льна, хлопка и промышленной конопли. Из таких материалов вполне можно делать пакеты для массового применения в нашем экологичном будущем.

Фото анонса: Depositphotos.com / stokkete
Иллюстрации: РХТУ имени Д.И. Менделеева

Еще больше полезной информации в нашем Telegram