Наша страна на редкость богата полезными ископаемыми, у нас есть сырье практически для любой отрасли промышленности. Почему же, несмотря на это, мы живем плохо? Вопрос в том, как природные богатства использовать. Можно, например, продавать нефть в сыром виде, а можно перерабатывать и вывозить гораздо более дорогие продукты нефтехимии. Зато продажа сырой нефти почти не требует интеллектуальных усилий и значительных капитало-вложений, особенно если месторождение богатое и залегает неглубоко. Сейчас мы выкачиваем нефть из знаменитого Самотлора на Западно-Сибирской низменности, но с каждым годом делать это становится все труднее и труднее. Запасы истощаются, приходится бурить все глубже, идти все дальше на север, где тундра и тяжелый климат, где работать намного сложнее.
Однако ни одна по-настоящему цивилизованная страна только сырье не продает. Она обязательно комбинирует, скажем, экспорт сырой нефти с продажей продуктов нефтехимического синтеза, потому что цена даже плохонького бензина, скажем 76-го, значительно выше. А вложив в производство свой интеллект и технические идеи, можно получить очень дорогое сырье для изготовления лекарств, смазочные материалы, полимеры и прочие продукты большой химической ценности.
Поэтому умная страна, обладающая даже очень большими запасами нефти, внимательно следит за рыночными ценами. Возмем, к примеру, современные нефтехимические комбинаты в Саудовской Аравии или в Кувейте. Они работают, получая из нефти дизельное топливо, бензин, смазочные материалы, керосин или еще более совершенные продукты: этилен, пропилен, стирол, которые потом можно превратить в пластмассы. Стоит сырой нефти немного подешеветь, как уже через сутки компьютерное управление заводом меняет, скажем, соотношение 60% сырой нефти и 40% продуктов переработки на 45% нефти и 55% более дорогих и выгодных нефтепродуктов.
У нас, к сожалению, вся нефтехимическая промышленность высокого класса находится в упадке, дешевле и проще вывозить сырую нефть. Предприятия по производству полиэтилена или полипропилена, созданные для удовлетворения внутреннего рынка, загружены на 65-75%. У них нет стимула развивать и совершенствовать технологию. Вот и остаются невостребованными разработанные Институтом нефтехимического синтеза и другими организациями новые катализаторы и передовые технологии переработки нефти и газа. А ведь они не уступают уровню Европы, США и Японии, а порой и превосходят его.
Вот и простейший ответ на поставленный вопрос: покуда национальный капитал будет строиться только на вывозе сырой нефти, жить мы будем плохо.
Пленка вместо реактора
Все, что дарит человеку современная химия, начинается с фундаментальных исследований. Институт нефтехимического синтеза, которому в этом году исполняется 65 лет, остается центром передовой науки и создает технологии XXI века.
Основателями нашего института были академик Иван Михайлович Губкин - знаменитый геолог, нефтеразведчик, и не менее знаменитый химик-органик, академик Николай Дмитриевич Зелинский. Созданный в 1934 году как Институт нефти, он потом стал называться Институтом горючих ископаемых и лишь с 1959 года получил сегодняшнее наименование.
Институт занимается процессами химической переработки нефти. Любой химический процесс заканчивается выделением продуктов реакции путем выпаривания, дистилляции, кристаллизации и других процессов, требующих гигантских затрат энергии. Но есть и другой путь решения этих задач - так называемая мембранная технология.
Мембраны представляют собой полимерные пленки, тончайшие сетки из металла или керамики. Химическая обработка позволяет им на молекулярном уровне очень эффективно, с несопоставимо меньшей затратой энергии, разделять потоки вещества. Мембраны нашли применение в биотехнологии, атомной энергетике, при получении белковых препаратов, в системах жизнеобеспечения.
В Институте создан центр мембранных исследований из восьми лабораторий. В нем есть химики-органики, специалисты по катализу, технологи, кремнийорганики, полимерщики, физхимики. Имеется и учебно-научный центр по программе "Интеграция", где вместе с преподавате лями МИФИ готовят специалистов. В этом центре удалось сделать несколько красивых разработок.
Одна из них - мембранный биореактор, другая - мембранный контактор для быстрого и эффективного отделения водорода, метана или этилена от углекислого газа.
Энергетика и химическая промышленность будущего станут базироваться на возобновляемом сырье. Один из его источников - отходы животноводства и прочая органика, которые гниют, выделяя метан и углекислый газ. Мембранный модуль их легко разделяет, и уже есть несколько хозяйств, где наши биореакторы работают, снабжая фермы почти даровым горючим.
Ценные органические продукты, скажем, спирты - этанол, бутанол и другие, получают с помощью различных микроорганизмов. Однако конечный продукт биохимической реакции очень быстро подавляет их активность. Сочетание "классического" биотехнологического метода с мембранным модулем позволяет и выделять, и концентрировать спирты гораздо эффективнее.
Однако полимеры для мембран и сами мембраны надо уметь синтезировать, предварительно четко представив себе, что нужно получить. Чтобы создать мембрану, придется вложить немалые средства, потому что нужно провести исследования, закупить материалы и приборы. Но сегодня ее свойства удается предсказать, просто нарисовав химическую формулу соответствующего полимера.
Оказалось, например, что у стеклообразных полимеров различного строения проницаемость по кислороду определяется групповым вкладом определенных структурных единиц - "строительных блоков". А зная это, можно подсчитать проницаемость как уже изученных, так и еще не синтезированных материалов.
Для расчетов нам удалось составить хорошую компьютерную программу, и теперь, собираясь строить определенный полимер, мы занимаемся "бумажной химией". Я беру лист бумаги, рисую формулу и говорю: "Какой красивый полимер, он должен принести успех". Раньше пришлось бы потратить месяца четыре, чтобы путем синтеза в двенадцать ступеней этот полимер сделать и проверить свой прогноз. А теперь за 20-25 минут удается проиграть всю ситуацию на компьютере и получить ответ: "Проницаемость мембраны будет такая-то, а ее селективность по паре кислород-азот - такая-то". И сразу становится понятно, стоит ли овчинка выделки.
Эти методы получили мировое признание, за подробностями к нам обращались и американцы, и немцы, и японцы. Ответ был один: все имеет свою цену; мы готовы взаимодействовать, но не за гроши.
И здесь возникает одна серьезная проблема - потеря квалифицированных кадров, "утечка мозгов", да и просто информации, чему мы порой сами способствуем. Из-за неприлично скудной зарплаты многие чуть ли не за 500 долларов готовы отдать свою работу кому угодно. Мы объясняем, что их знания и опыт стоят не 500, а 500 тысяч долларов, и они не должны работать за гроши. Поступать нужно по-другому: институт имеет достаточно хорошую репутацию, поэтому мы заключаем договор на справедливую сумму и выполняем заказ. Не было еще случая, чтобы, взявшись за такое дело, мы не смогли бы во много раз повысить зарплату участникам работ. Кстати, американцы понимают сразу: если цена приличная, значит, здесь что-то есть.
Мембрана чувствует запах
Полимерные пленки - это не только упаковка для продуктов и материал для парников. Полимеры служат чувствительными датчиками (сенсорами), способными находить в воздухе сверхмалые концентрации газов и паров.
Еще одной разработкой института стал чувствительный полимерный сенсор - тоненькая полупроницаемая мембрана (полимерная пленка), нанесенная на пьезокристалл. Под воздействием приложенного напряжения пьезокристалл колеблется с определенной частотой, которая зависит от его массы. Если мембрана сорбирует на себе определенное вещество, масса кристалла увеличивается и частота его колебаний изменяется. С помощью электроники изменение частоты легко зарегистрировать. Так удалось построить сенсоры на аммиак - весьма ядовитый газ, который широко применяется на производстве в качестве одного из основных охлаждающих агентов. Теперь, чтобы на большом заводе выявить даже небольшую утечку аммиака, не нужно ходить по территории и брать пробы воздуха. Достаточно в цехах установить мембранные сенсоры и вывести от них провода на пульт дежурного.
Есть и еще одно опасное, очень ядовитое вещество - ракетное топливо диметилгидразин. Топливо это довольно быстро портится, и его приходится уничтожать, принимая очень серьезные меры предосторожности. Сенсорные датчики, созданные институтом вместе с Институтом геохимии и аналитической химии РАН, здесь просто незаменимы.
Совсем недавно мы сделали сенсор и на пары бензина. Утечка бензина не только вредна с точки зрения экологии и экономики, она просто опасна: пары бензина с воздухом образуют взрывчатую смесь. Значит, их концентрацию нужно непрерывно измерять, причем не только на нефтехимических предприятиях, но и на городских бензоколонках. Эти приборы институт разработал совместно с Военной академией радиационной, химической и биологической защиты.
Керамические легкие
Чтобы выделить один какой-то газ из смеси, не нужно проводить сложные химические реакции - достаточно пропустить газовую смесь сквозь мембранный фильтр.
Под руководством академика Владимира Михайловича Грязнова в институте были созданы уникальные мембранные фильтры на основе керамики и сплавов палладия. Они освобождают водород от примесей углекислого газа, окиси углерода, метана, доводя его до чистоты 99,999%. Так появляется возможность использовать промышленные газы, отходы производства, до половины объема которых составляет водород. Экологически чистый водород находит применение в парфюмерной и пищевой промышленности для синтеза ароматических веществ и превращения жидких растительных масел в твердые жиры типа маргарина.
Кремнийорганические полимерные мембраны, рожденные также в нашем институте, пропускают кислород в четыре раза быстрее азота. Прокачав воздух через их каскад в мембранном оксигенаторе, можно 20-процентную концентрацию кислорода в воздухе довести до 25 - 40 процентов. В аптеках продают подушки, наполненные кислородом из баллона. Но чистым кислородом дышать нельзя, и его выпускают понемногу, смешивая с воздухом в неизвестной пропорции. А оксигенатор сразу дает требуемую его концентрацию. Если же мембрану подвергнуть определенной химической обработке, ее селективность можно увеличить в два раза.
Бронежилет из твердой жидкости
Обнаружено огромное семейство веществ, занимающих промежуточное положение между трехмерно упорядоченными твердыми телами (кристаллами) и аморфными веществами (переохлажденными, стеклообразными, очень вязкими жидкостями).
Чрезвычайно интересен и очень перспективен класс так называемых мезофазных полимеров. Они и не кристаллы, и не полностью аморфные тела, а обладают некой промежуточной степенью упорядоченности. До сих пор считали, что в природе есть только либо кристаллы со строгой симметрией, либо аморфные тела с молекулярным хаосом. Выяснилось, однако, что подобную - мезофазную - структуру имеют очень многие полимеры, в которых порядок постепенно, ступеньками меняется под влиянием нагрева или сжатия. И после каждой ступеньки возникает совсем другая структура, от кристалла до жидкости, с огромным количеством разного рода фаз.
Во всем мире полицейских снабжают бронежилетами и щитами из этих мезофазных полимеров, которые по прочности не уступают стали, но в пять раз легче: бронежилет из них весит килограмма полтора. Тросы для лифтов и причальные канаты из этих же полимеров не стареют и способны выдерживать гигантские нагрузки.
Мезофазные полимеры можно использовать для записи и считывания информации: они сочетают свойства жидких кристаллов (из которых сегодня делают индикаторы калькуляторов и часов) и одновременно образуют прочную пленку.
Химический реактор из дизеля
После небольшой переделки двигатель внутреннего сгорания - дизель - начинает работать как химический реактор, превращая природный газ в жидкое топливо.
Вернемся к вопросам, связанным с нефтью и газом. Сегодня уже приходится думать: куда двинется энергетика в XXI веке, когда будет исчерпан Самотлор, истощатся другие месторождения? Выше уже говорилось, что главный вывод из этого печального факта очевиден - Россия должна поберечь свои запасы, должна перестать просто продавать нефть и начать делать нефтехимические продукты и вывозить их.
Но есть и другое решение проблемы. Россия стоит на первом месте в мире по запасам природного газа, тут у нее нет конкурентов. Топливным газом мы снабжаем почти всю Европу. Но газ можно не сжигать, а химическим путем превращать в жидкое горючее и другие ценные продукты. Для этих целей Институт нефтехимического синтеза вместе с Институтом высоких температур РАН, Нижегородским акционерным обществом "Русские моторы" и Нижегородской компанией "Сибур" создал абсолютно новую и очень интересную конструкцию: химический реактор сжатия - ХРС. Реактор представляет собой знакомый всем дизельный двигатель с небольшой технической доработкой. Природный метан в реакторе превращается в смесь окиси углерода с водородом - так называемый синтез-газ, из которого получают метанол и моторное топливо.
Представим себе абсолютно реальную ситуацию сегодняшнего дня. Месторождения природного газа в России находятся в основном на Севере, и тысячекилометровый газопровод проходит через Ямал и Таймыр, где среднегодовая температура ниже нуля. Газ содержит метан, который с водой (а он всегда влажен) образует твердый кристаллогидрат. Это соединение замерзает уже при температуре плюс 4 градуса, и образовавшийся "снег" забивает газопровод. Чтобы растворять пробки, ежегодно самолетами или во время короткой летней навигации через северные моря и реки к трассе трубопровода завозят 200 тысяч тонн метанола. И через каждые пятьдесят километров насосами его закачивают в трубопровод. Температура замерзания гидратно-спиртовых комплексов понижается на 20-25 градусов, и "снег" тает. Потребителю небольшая примесь метанола не мешает, тем более что его теплотворная способность даже больше, чем у природного газа.
На Ямале каждая тонна метанола обходится в 500 долларов, в то время как его себестоимость раза в три ниже - перевозка обходится дороже производства. Но теперь можно поставить несколько десятков модернизированных дизелей, подключить их непосредственно к трубопроводу и производить метанол на месте. Дизелю не нужно крутиться вхолостую - пусть вращает генератор и производит электроэнергию. Из того же метана можно делать жидкое топливо для тяжелых грузовиков, тракторов, кранов, которое сейчас тоже привозят на Север, и тоже за большие деньги.
Химический реактор сжатия - абсолютно оригинальная разработка, которая запатентована и в России, и за рубежом. Наши крупные нефтяные и газовые компании уже начали вести переговоры с институтом и предлагают сотрудничество на твердой материальной основе.
Возникает естественный вопрос: нельзя ли использовать и более мощные силовые установки в качестве химических реакторов?
Оказалось, что и это возможно. В Институте провели модификацию дизельного двигателя, позволяющую сжигать в нем вредные и опасные вещества. Сверхтоксичное соединение из арсенала химического оружия - нервно-паралитический газ "VX", например, сгорает в нем за одну микросекунду с эффективностью 99 и еще 6 девяток после запятой процентов. Оставшаяся концентрация газа существенно ниже предельно допустимой даже для этого супертоксичного вещества. Таким способом можно через несколько лет ликвидировать почти все 40 тысяч тонн отравляющих веществ, накопленных страной.
Предложенная технология может с успехом применяться и в "мирных целях". Каждое химическое производство имеет свои отходы - экологически вредные и опасные соединения. Экологические требования с каждым годом становятся все жестче, но наш дизель-реактор уничтожит все отходы на месте, да еще и станет производить электроэнергию.
К наиболее мощным энергетическим установкам относятся и ракетные двигатели. И
не только тяжелые носители типа "Протон", которые выводят в космос космические
аппараты. Существует
жидкостный реактивный двигатель с камерой
сгорания на полтора литра для маневрирования на
орбите. Он очень надежен, но включается только на
10-30 секунд. Несколько лет назад мы решили
использовать двигатель как химический реактор.
На него можно поставить охладительную
"рубашку", чтобы температура на стенках не
превышала 250 - 300 градусов, и заставить двигатель
работать не 30 секунд, а 8 тысяч часов непрерывно.
Температура в камере сгорания двигателя - 2,5-3
тысячи градусов, при которой самый
супертоксичный реагент будет мгновенно
уничтожен. Все эти разработки находятся в русле
самых передовых технологий.
Есть и еще одно весьма перспективное направление - так называемая холодная плазмохимия. В отличие от ядерной, где температуры достигают миллионов градусов, плазма здесь холодная - каких-нибудь 3000оС. Но при этой температуре с атомов типа аргона, кислорода, азота, неона уже слетают верхние электронные оболочки, образуются ионы и другие активные частицы. Плазмохимия - необычайно перспективный способ преобразования ненужных или малоценных веществ в дорогой продукт. Взять хотя бы получение ацетилена из того же природного газа вместо необычайно грязного, экологически вредного способа его производства из карбида кальция (который, кстати, сегодня мы покупаем за валюту в Финляндии). Плазму подпитывают метаном (СН4), от которого при высокой температуре отщепляется водород. Две молекулы метана тройной связью соединяются в молекулу ацетилена СН = СН, который широко используется для газовой сварки. Одновременно получается и водород - не менее ценный продукт.
Нефть помогает медикам
Полимеры, сделанные из продуктов переработки нефти, легли в основу новых методов лечения и помощи при шоковых состояниях.
Академик Сергей Семенович Наметкин, один из основателей нашего Института, когда-то написал: "Нефтехимия есть наука и искусство делать из углеводородов нефти и других ее компонентов продукты высшей химической ценности". Потрясающее определение. Оно призывает нас заниматься практически неограниченным кругом химических задач, если это приносит пользу.
Одна из лучших в Институте - лаборатория химии медико-биологических полимеров. Работы в области медицины привели к очень любопытным вещам. Ферменты, гормоны, ингибиторы, угнетающие активность ферментов, антикоагулянты, препятствующие свертыванию крови, и прочие биологически активные вещества удалось превратить в мономеры, способные к полимеризации. А раз так, то их можно либо впечатать в полимерную сетку, либо привить на твердую поверхность. При этом они сохраняют свою биологическую активность.
На основе этих веществ можно придумать и создать целый ряд биоспецифических адсорбентов, то есть веществ, которые поглощают и связывают только вполне определенные биологические вещества. Если впечатанным в сетчатую структуру полимера оказывается фермент, он будет захватывать протекающий мимо него ингибитор. Если впечатать ингибитор, он свяжет фермент. Альбумином удается "схватить" жирные кислоты, продукты переваривания пищи, холестерином - гепарин, гепарином - холестерин. Все эти адсорбенты имеют активность на уровне 95-100 процентов, то есть практически полностью связывают "свое" вещество.
При тяжелых отравлениях и ряде заболеваний возникает необходимость очистить кровь от токсинов - провести так называемую гемоперфузию. Кровь из артерии прокачивают через хроматографическую колонку (см. "Наука и жизнь" № 2,1998 г.). Она заполнена гелем, содержащим очень важный компонент - ингибитор сильнейших протеолитических ферментов, которые раскусывают молекулы белка.
Вот конкретная ситуация: человек заболел панкреатитом, воспалением поджелудочной железы. Одно из побочных и очень тяжелых последствий заболевания - выброс в кровоток тысячекратной концентрации протеолитических ферментов. Они начинают "поедать" белки, из которых построена ткань. Осколки белков оседают в печени, в почках и блокируют их - наступает кома. Чтобы прекратить отравление, применяют гемоперфузию, и мы получили разрешение на производство для нее геля-ингибитора.
Другой пример. Человека, получившего обширный ожог, спасают в первые три-четыре дня. И казалось, самое опасное позади, организм уже пережил термический шок, кожу очистили, закрыли пленочкой, чтобы не было испарения, потому что обожженные люди страдают и даже гибнут от обезвоживания. Но на пятый день начинается тяжелейшее осложнение. Долгое время не знали, из-за чего оно возникает. А дело оказалось в том, что клетки организма в двух - четырех сантиметрах от поверхности тела тоже получили термический удар, и на пятый день выдали гигантский поток протеолитических ферментов.
Человек попал в катастрофу или землетрясение, на него свалилась бетонная балка. Падала она медленно и ничего ему не сломала, но человек 8 - 10 часов пролежал под тяжестью. Его вытащили из-под завала, кровотечений и переломов не обнаружили и посчитали, что пострадавший отделался благополучно. Однако на четвертый-пятый день возникает та же картина, что и при ожоге, которая в этом случае называется "крэшсиндром" (от английского crush - раздавливать). Клетки мягких тканей помнят, что на них несколько часов пролежал груз, придавил их, и реагируют таким же выбросом ферментов. Рецепт спасения один: фильтрация крови через колонку, гемоперфузия.
Научившись работать с ферментами и белками, мы решили попробовать перейти на живые клетки, посадив их на некую поверхность, то есть иммобилизовать их. Смогут ли они тогда продолжить свою полезную работу? Оказалось, что, если химически зацепиться за внешнюю стенку дрожжевой или бактериальной клетки, она сохранит способность и к размножению, и к продуцированию нужного вещества.
Мы иммобилизовали клетки некой бактерии, производящей фермент люциферазу, который светится и поэтому может быть легко обнаружен. Если эту бактерию посадить на поверхность, скажем, полиэтилена, и на ее фермент подействуют примеси, находящиеся в воздухе или в воде, свечение ослабнет, причем эффект у связанных клеток оказался гораздо сильнее, чем у свободных. Можно просто выставить кусочек пленочки на воздух, измерить интенсивность люминесценции и получить ее зависимость от концентрации примеси. Этот "живой" биохимический датчик удобен тем, что его можно легко промыть, восстановить, и он снова будет информировать нас о том, что происходит в окружающей среде.
Подводя итоги, хочется сказать о главном: несмотря на общий упадок науки в стране, Институт нефтехимического синтеза работает, энтузиазма и новых идей пока хватает. Печалит одно - средств на их реализацию недостаточно.
