Отходы – в доходы

Беседа с Марком Вениаминовичем Цодиковым, заведующим лабораторией каталитических нанотехнологий Института нефтехимического синтеза РАН, доктором  химических наук, профессором.

– Марк Вениаминович, расскажите, чем занимается ваша лаборатория.

– Если говорить обо всех химических процессах, то статистика говорит, что более 95% – это каталитические процессы. Каталитические – это когда у вас происходит превращение химических соединений в присутствии некоего материала, который называется катализатором и на поверхности которого реакция существенно ускоряется. После открытия первых каталитических реакций это направление нашло огромное развитие. Безусловно, сейчас большая часть химической и нефтехимической промышленности базируется на каталитических процессах. Это процессы переработки нефти, получения топлив, энергоносителей, различных, и не только химических, но и ряда биологических соединений, – всё идёт с использованием катализаторов.

В свое время, когда стала развиваться техника структурного анализа, моим коллегам удалось увидеть, что малые частицы обладают несколько иными свойствами, чем массивные тела. Поэтому название нашей лаборатории – Каталитических нанотехнологий, и в ней мы занимаемся разработкой способов формирования гетерометаллических наноразмерных систем и изучением их каталитических свойств. 

В своё время я возглавлял группу в лаборатории чл.-корр. РАН Андрея Николаевича Башкирова. Тогда появились очень интересные результаты, были найдены новые подходы к направленному синтезу в области наноразмерных объектов. Поучило начало  исследование каталитических свойств таких систем.  В их присутствии были найдены новые реакции превращения возобновляемого сырья растительного происхождения. Было обнаружено, что при использовании такого сырья возможно получение ряда продуктов, по существу являющихся альтернативными продуктам, получаемым из нефтяного сырья. 

Так и была организована моя лаборатория. Это было в начале этого века около 20 лет назад. А вообще я, можно сказать, всю сознательную жизнь тружусь в этом институте.

– Какие интересные открытия ждали вас на этом поприще?

– Мы были одними из первых, кто обнаружил, что продукты, получаемые в процессах ферментации из растительной биомассы, могут превращаться в полезные соединения. В мире сейчас происходит активное развитие альтернативных подходов к получению важных энергоносителей, топливных компонентов и мономеров.

Мы понимаем, что однажды наступит предел по добыче нефтяного сырья, и с позиций экологии увеличение добычи нефти также  опасно. Это, например, тектонические изменения при таком большом количестве добываемой  нефти, а при ее переработке выделяется большое количество загрязняющих атмосферу токсичных соединений. Тем не менее, мы нуждаемся в энергоносителях, таких, как моторное и авиационное топливо, сырье для отопления северных районов страны, а также мономеров для получения большого ассортимента материалов. Поэтому идет постоянный поиск альтернативных источников. В настоящее время мы развиваем химию на базе возобновляемого сырья. Конечно, здесь не беспредельная возможность, но, тем не менее, это сырье может частично заменить нефтяное. Это, например, продукты ферментации, отходы деревообрабатывающей промышленности или отходы растительного происхождения после сбора урожая.  Возник вопрос: а можно на базе этого сырья, в своем составе имеющего очень много элементов, необходимых для создания энергоносителей, создать альтернативные источники энергии? Получая на их базе какие-то важные соединения, мы убиваем двух зайцев: выполняем энергетическую задачу и сохраняем экологию, потому что они обладают особой чистотой. Всем известно,  переработка нефти и получение важных продуктов нефтяного происхождения требуют развитие  большого числа обслуживающих процессов с целью очистки от выделяемых вредных и токсичных побочных продуктов. Это ведет к большим экономическим затратам и серьезному загрязнению окружающей среды.  Поэтому сегодня наше внимание приковано к этим работам. В нашей лаборатории, в частности, открыт ряд новых реакций с получением энергоносителей и топливных компонентов, которые успешно развиваются.

– Расскажите подробнее об этих реакциях.

– Когда мы испытывали различного рода синтетические катализаторы, обладающие особыми свойствами – малыми размерами, непростым составом и хорошими каталитическими свойствами – вдруг обнаружилось, что такие продукты, как этанол и бутанол в их присутствии могут превращаться, например, в высокомолекулярные спирты и углеводороды, которые являются основными компонентами топлив, а также исходными реагентами для основного органического синтеза мономеров и других важных соединений. Уже на базе этих продуктов можно развивать значительную область химии. Поэтому, обращая на это внимание, мы выбрали определенный сектор, касающийся  возобновляемой биомассы, например, продукты ферментации, масла, которые можно выделить из продуктов растительного происхождения. Ну, и, наконец, лигнин, который накапливается в отходах и не перерабатывается до сих пор. Между тем, его очень много. Только в нашей стране каждый год накапливается пятьдесят миллионов тонн в результате работы деревообрабатывающей и бумажно-целлюлозной промышленности.

– Как его можно использовать?

– Можно его сжигать в печах. Однако мы нашли, что его можно очень хорошо перерабатывать в компоненты топлив, водород и синтез-газ. Сейчас мы планируем на базе лигнина разработку новых подходов в получении высококачественных, может быть, даже и авиационных бензинов. Лигнин - очень устойчивая полимерная молекула, её трудно переработать в более легкие. Но, тем не менее, нами найдены подходы, которые опираются на свойства наноразмерных каталитических компонентов.

А ещё в лаборатории развиваются такие направления, как, например, получение водорода на базе материалов растительного происхождения. Они тоже требуют меньше энергии, чем переработка устойчивого метана. Мы занимаемся получением высококачественных жидких топлив – бензиновых, керосиновых, а также индивидуальных мономеров для получения полимерных материалов. Уже четырнадцать человек из нашей лаборатории защитили диссертации по этим работам. В лаборатории также каждый год проходят преддипломную практику студенты из химических вузов.

– А что это такое – индивидуальное соединение?

– Например, когда вы берете растительные масла, там есть липидная часть, состоящая из сложных эфиров, содержащих парафиновые и олефиновые радикалы. Удается их переработать с селективностью по выделению парафинов и олефинов выше 95%. Это так называемая  реакция восстановительной дооксигенации. В эфире эти фрагменты связаны друг с другом через кислород, который при протекании процесса в виде воды удаляется, а они невредимыми остаются для других процессов. Таким образом, они являются типичными аналогами исходных продуктов нефтяного происхождения. Но, тем не менее, они высокоочищенные. А для того чтобы получить эти аналоги из нефти, требуется проведение очень многих процессов – гидроочистки с последующими ректификациями, каталитического крекинга, гидрокрекинга. А здесь у нас это все получается напрямую в одну стадию без выделения вредных побочных продуктов. Но это ни в коем случае не значит, что мы хотим заменить сырье нефтяного происхождения. Это является сопутствующим процессом, полезным для получения высокочистой и экологически приемлемой технологии. Нами также разработаны высокоэффективные подходы получения бутадиена, стирола и изопрена, являющихся важнейшими мономерами для получения полимерных материалов.

– Ваши разработки могут использоваться только как топливо?

– Нет, не только. Хотя топлива – в первую очередь. Это моторное, авиационное, дизельное топливо, топливо для районов Крайнего Севера. Но, получая непредельное соединение значительно более выгодным энергетическим путем на основе  продуктов биомассы, мы получаем мономеры, о которых я уже рассказывал выше. Это ненасыщенные углеводороды, которые в дальнейшем используются в полимеризации, и на их основе можно получать огромный ассортимент высокомолекулярных материалов. Сегодня мы окружены такими материалами. Вы можете получать, например, соединения для лекарственных препаратов и многие другие классы соединений.

– А для питания их можно использовать?

– Нет, об этом пока речи быть не может. Мы используем отходы, в том числе, продуктов питания, мы их перерабатываем, но перерабатываем для технических нужд. 

– Есть ли у вас какие-то идеи, которые вы хотели бы воплотить в ближайшее время?

– Идей у нас много, потому что мы используем разные подходы. Например, мы используем так называемые блочные пористые конструкции, которые называются конвертерами. Это материал, который на 50-60% состоит из открытых извилистых пор очень малого размера. Они модифицируются наноразмерными катализаторами, и в таких системах интенсифицируются каталитические процессы, потому что увеличивается вероятность контакта молекул-реагентов с каталитически активными центрами. Это мембранно-каталитические процессы, в ходе которых мы можем получать и важные мономеры, и одновременно выделять чистый водород.

Когда оценивается химическая реакция, то в первую очередь рассматриваются основополагающие законы природы – это законы термодинамики. У вас должно соблюдаться первое начало – сколько вы энергии и материи затратили, столько в сумме и получили. Второе начало гласит: а сколько вы можете теоретически получить желаемого продукта? Мы здесь стараемся приблизиться к максимальному количеству важных соединений, которые мы можем получить. Ассортимент очень широкий, объектов очень много, поэтому мы их и рассматриваем один за другим.

Другое направление – синтез различных наноразмерных материалов, которые могут быть использованы, например, для сенсорики. Это устройства для определения различных соединений на основе каталитических реакций. На основе подходов, которые мы разрабатываем, мы можем получать пленочные каталитические покрытия в виде высокодисперсных порошков, блоков, обладающие способностью поглощать видимую область света и, соответственно, обладающие фотокаталитическими свойствами.

Всем этим занимаются отдельные научные группы. Отдельная группа занимается превращением, например, различных биосубстратов в ценные продукты. Другая группа  изучает и разрабатывает научные подходы к  мембранно-каталитическим процессам для получения энергоносителей, таких, как водовод и синтез-газ. Еще одна группа – разрабатывает синтезы, направленные на формирование  катализаторов, и  изучением его структуры. Особое внимание уделяется группе теоретиков, которые разрабатывают теоретические подходы для возможности предсказывать свойства катализаторов. А поскольку исследования направлены на изучение малых частиц, то  структура таких частиц не очень просто определяется. Безусловно, мои сотрудники взаимодействуют с другими лабораториями нашего Института, других институтов РАН, а также с иностранными коллегами.

Наноразмерные частицы отличаются от массивных частиц очень сильно – это и структура, и электронные свойства отдельных атомов, входящих в состав малой частицы. Значит, нужна электронная микроскопия, рентгеновские и другие методы. Всё это у нас есть. Это огромная, широкая область физической химии, рядом с которой идёт наша каталитическая химия.