Технические решения и разработки, направленные на защиту окружающей среды

Сегодняшний выпуск радиожурнала посвящён новым техническим решениям и разработкам, направленным на защиту окружающей среды. Одна из самых серьёзных проблем, волнующих экологов, связана с образованием оксидов серы при сжигании органических энергоносителей – будь то нефть, газ или уголь. В развитых странах лидером среди загрязняющих атмосферу промышленных газов является диоксид серы, или сернистый газ. Мало того, что он весьма токсичен сам по себе, – он ещё и хорошо растворяется в воде с образованием сернистой кислоты, что, во-первых, приводит к так называемым кислотным дождям, а во-вторых, вызывает интенсивную коррозию оборудования, в котором происходит сжигание топлива. Поэтому многие научные институты активно работают над созданием новых, более совершенных и дешёвых методов очистки ископаемых энергоносителей от серы. Насколько актуальна эта проблематика, хорошо видно на примере дизельного топлива для автомобилей. Сегодня оно почти на четверть дешевле бензина, однако уже через 3 года, когда в Европе вступят в силу новые, значительно более жёсткие требования к содержанию в нём вредных примесей, в том числе серы, ситуация может разом измениться, поскольку соблюдение этих показателей потребует очень больших расходов. Впрочем, уже и сегодняшние методы очистки дизельного топлива обходятся недёшево. Профессор Андреас Йесс (Andreas Jess), сотрудник кафедры химической технологии Байрейтского университета, поясняет:

Йесс: Для этого применяется метод гидрогенизации. Сера вступает в реакцию с водородом, образуя H2S – сероводород – газ, который легко может быть удалён. Как правило, потом из него получают чистую серу, которая снова используется в химическом производстве. Такая технология требует рабочей температуры около трёхсот пятидесяти градусов Цельсия и давления водорода около 50 бар – это в 30 раз выше, чем в автомобильной шине. То есть тут расходуется много энергии, много водорода, и всё это функционирует лишь в больших реакторах в присутствии соответствующих катализаторов...

Такой метод позволяет извлекать до 90 процентов содержащейся в нефти серы. Для того же, чтобы довести этот показатель до 99 процентов – а именно такая цифра фигурирует в европейских нормативах, которые вскоре вступят в силу, – потребуются несравненно более высокие расходы. Поэтому вместе со своими коллегами из Высшей технической школы в Ахене профессор Йесс разработал альтернативный – более простой, экологичный и в перспективе более дешёвый – метод очистки дизельного топлива от серы. При этом исследователи предложили использовать так называемые ионные жидкости. Профессор Йесс говорит:

Йесс: Типичным примером ионного соединения может служить поваренная соль – NaCl. Она состоит из положительно заряженного иона натрия и отрицательно заряженного иона хлора. Прочная связь между ионами приводит к тому, что соль плавится лишь при температуре около 800 градусов – это типично для ионных соединений. Однако можно специально подобрать такие пары ионов – это могут быть довольно сложные молекулы, – чтобы полученное соединение находилось уже при комнатной температуре в жидком состоянии.

То есть речь идёт о низкотемпературных расплавах солей, выполняющих функцию растворителя. Всё, что имеет сходную структуру – например, сернистые соединения в дизельном топливе, – растворяется в этой среде. Профессор Йесс поясняет:

Йесс: В принципе, такую ионную жидкость добавляют к дизельному топливу, затем всё это интенсивно перемешивают и получают эмульсию – дисперсную систему, состоящую из двух жидких фаз, поскольку дизельное топливо на самом деле не смешивается с ионной жидкостью. Одна фаза – это дизельное топливо с пониженным содержанием серы, а другая фаза – это ионная жидкость, которая в силу своей химической структуры способна воспринять большое количество сернистых соединений. То есть ионная жидкость оказывается насыщена серой, а топливо, напротив, обеднено. Такую процедуру можно повторять многократно, каждый раз добавляя к частично очищенному топливу свежую порцию ионной жидкости, которая будет поглощать остатки серы, обеспечивая всё более и более высокую степень очистки.

Такая технология именуется экстракцией, что означает извлечение одного компонента из смеси компонентов. Экстракционный метод используется, например, при производстве декофеинированного кофе – правда, технология декофеинизации предусматривает применение в качестве растворителей более простых соединений, например, воды или двуокиси углерода. Но вернёмся к дизельному топливу. Чтобы получить степень очистки, отвечающую будущим строгим нормам, ионную жидкость достаточно добавить к топливу 6-7 раз. К достоинствам метода относится и то, что насыщенная серой ионная жидкость сама поддаётся регенерации. Профессор Йесс говорит:

Йесс: Сернистые соединения могут быть извлечены из ионной жидкости посредством дистилляции. В конечном счете, остаётся концентрированный раствор, из которого классическими методами можно получить чистую серу. А она, в свою очередь, является ценным сырьём в химической промышленности – например, для производства серной кислоты.

Сегодня профессор Йесс и его ахенские коллеги заняты оптимизацией своей технологии. Специалисты полагают, что вскоре начнётся её внедрение на нефтеперегонных заводах и что уже в ближайшем будущем она потеснит традиционную гидрогенизацию.

А теперь от серы перейдём к другому, ничуть не менее ядовитому элементу – урану. В новых федеральных землях, там, где во времена ГДР находились урановые рудники, ещё и сегодня, несмотря на обширную программу санации, можно обнаружить следы этого тяжёлого металла не только в почве, но даже в грунтовых водах. Уран оказывает негативное воздействие на здоровье местного населения, причём главная опасность исходит не столько от радиоактивного излучения – оно крайне мало, – сколько от присутствия ионов урана в питьевой воде. До сих пор полностью очистить грунтовые воды от урана не удавалось – прежде всего, из-за его низкой концентрации. И вот теперь специалисты Немецкого текстильного центра Северо-Запад в Крефельде совместно с учёными Научно-исследовательского центра в Россендорфе близ Дрездена разработали новый фильтр, способный практически полностью очистить воду от ионов тяжёлого металла. Чудо-фильтр состоит из так называемых каликсаренов. Каликсарены – это класс химических соединений, молекулы которых имеют специфическую корзиноподобную форму, – отсюда и название: ведь «каликс» в переводе с древнегреческого означает «чаша» или «кубок». Каликсарены образуются в результате реакции формальдегида с различными производными фенола. Полученные соединения обладают уникальной способностью связывать – то есть отфильтровывать – самые разные элементы. В зависимости от того, какой именно элемент предстоит связывать данному каликсарену, его подвергают той или иной химической модификации. В случае ионов урана модифицирующей добавкой служит хлоруксусная кислота, однако, используя другие добавки, можно создавать самые разные каликсареновые фильтры – для свинца, серебра, золота и так далее. Доктор Ханс-Юрген Бушман (Hans-Jürgen Buschmann), руководитель сектора полимерной и супрамолекулярной химии текстильного центра Северо-Запад в Крефельде, говорит:

Бушман: Он выглядит точно так же, как хорошо всем знакомый бумажный фильтр для домашней кофеварки. Только на самом деле он не из бумаги, а из текстильного материала, в который интегрированы молекулы каликсаренов, призванные задерживать ионы урана. Эти ионы остаются на фильтре, а вода свободно просачивается сквозь него.

В техническом отношении это на редкость простое устройство, не требующее дорогих насосов и специального оборудования. Фильтр имеет текстильную синтетическую основу, структуру которой можно выбирать в соответствии с назначением фильтра, а от неё зависит пропускная способность системы и скорость фильтрации. Умеренная стоимость является – наряду с эффективностью – одним из главных достоинств системы, тем более важным, что на восстановление ущерба, нанесённого природе бывшими урановыми рудниками – будь то в Восточной Германии или, скажем, в России, – могут потребоваться десятилетия. Многие эксперты считают и эту цифру заниженной. Важно также, что простотой и дешевизной отличается не только сам процесс фильтрации, но и процедура очистки системы. Ханс-Юрген Бушман говорит:

Бушман: Когда фильтр забит, то есть когда система уже не выполняет свою функцию, вы можете промыть его разбавленной соляной кислотой, и все ионы урана снова окажутся в растворе. Но если раньше вы извлекли их из многих десятков или сотен кубометров воды, то теперь они сосредоточены в высокой концентрации в относительно небольшом объёме. Это количество жидкости вы можете выпарить, что обойдётся очень недорого, а оставшийся урановый осадок вывезти и захоронить в соответствии с действующими правилами в специальном могильнике.

Ещё одно преимущество каликсареновых фильтров состоит в их портативности. Эту систему можно использовать буквально везде, – подчёркивает Ханс-Юрген Бушман:

Бушман: У вас есть сток грунтовых вод на свалке, то есть из-под отвала вытекает ручеёк, содержащий крайне незначительное количество ионов урана. Важно, что вам не нужно санировать весь отвал, достаточно отфильтровать просачивающуюся наружу воду. Точно так же, как вы используете специальные системы – скажем, с активированным углём, – для фильтрации источников питьевой воды и извлечения из неё вредных примесей.

Первые опытные установки, изготовленные в Крефельде, уже смонтированы в ряде регионов на территории бывшей ГДР. На местах надзор осуществляют специалисты Научно-исследовательского центра в Россендорфе. Разработчики системы полагают, что её широкое применение, в том числе продажа за рубеж, сможет начаться года через два-три. Однако уже первые результаты натурных испытаний эксперты называют не иначе как сенсационными. Ханс-Юрген Бушман поясняет:

Бушман: Даже когда речь идёт о следах урана – а ведь чем меньше примесей, тем труднее их до конца удалить, – так вот, даже если концентрация ионов урана крайне мала, каликсареновые фильтры способны удалить от 95 до 99 процентов этих ионов. То есть они позволяют очистить грунтовые воды от ионов тяжёлых металлов настолько, что речь уже может идти об употреблении этой воды в качестве питьевой.

А теперь – о совсем другой разработке, выполненной в том же самом Немецком текстильном центре Северо-Запад в Крефельде. Речь пойдёт о новой технологии крашения тканей. Традиционная технология, насчитывающая, как известно, уже не одну сотню лет и дающая, следует признать, вполне удовлетворительные результаты, имеет, по меньшей мере, один существенный недостаток: она немыслима без воды. А это означает загрязнение окружающей среды и риск для здоровья рабочих-текстильщиков. Поэтому специалисты уже давно ищут более экологичные альтернативы. Технология, предложенная теперь крефельдскими учёными, позволяет обходиться совсем без воды. Вместо неё используется так называемая сверхкритическая среда. Дело в том, что весь процесс крашения состоит из нескольких довольно простых операций. Сначала красящий пигмент перемешивается с водой, образуя раствор или тонкодисперсную эмульсию. Затем вода с пигментом подаётся на подлежащую крашению ткань или пряжу. Там молекулы красителя проникают в волокно, при этом важную роль играют такие параметры, как температура, время выдержки, давление и так далее. Таким образом, вода выполняет две функции: растворяет пигмент и доставляет его на окрашиваемую поверхность. Но те же самые функции могут выполнять и другие среды – например, газы. Для этого необходимо лишь,...

Шолльмайер: ...иметь автоклавы – герметично закрывающиеся сосуды, позволяющие осуществлять технологические операции при нагреве и повышенном давлении. В первом автоклаве ткань проходит предварительную обработку, в ходе которой из неё удаляются все посторонние примеси и загрязнения. А во втором автоклаве находится краситель. Туда подаётся углекислый газ, и краситель в нём растворяется, а затем этот газ обтекает ткань, и молекулы красителя оседают на ней, что и обеспечивает процесс крашения, –

поясняет директор Крефельдского текстильного центра, профессор физической химии Экхард Шолльмайер (Eckhard Schollmeyer). Правда, углекислый газ предварительно приводится в так называемое сверхкритическое состояние. Несколько упрощённо его можно представить себе так, что ни повышение давления, ни рост температуры уже не вызывают изменения физических свойств жидкости или газа. Для двуокиси углерода это давление в 280 бар и температура в 130 градусов Цельсия. В качестве пигментов крефельдские специалисты используют специально разработанные дисперсные красители, предназначенные исключительно для сверхкритического углекислого газа. Другие газы требуют других красителей. Результаты, полученные на опытной установке, превзошли все ожидания, – говорит профессор Шолльмайер:

Шолльмайер: Одним из важнейших качественных параметров является степень равномерности окрашивания. Если вы рассматриваете большой кусок ткани, то на всех его участках и глубина окраски, и насыщенность цвета должны быть одинаковыми. Так вот, газ обеспечивает такую же или большую равномерность окрашивания, чем вода.

А почему? – спрашивается. Отчасти потому, например, что процесс крашения в сверхкритическом газе...

Шолльмайер: протекает значительно быстрее, чем в традиционной водной среде. Нужно только учитывать, что для той опытной установки, с которой мы работаем в нашем центре, требуется ещё дополнительное время на разогрев автоклава. Когда же эту технологию возьмёт на вооружение промышленность, время, расходуемое сегодня на крашение, сократится примерно вдвое.

Правда, пока новая технология значительно дороже традиционной, но здесь, как и во многих других сферах производства, очень многое зависит от того, получит ли новинка массовое распространение. Учёные продолжают совершенствовать свою разработку, но особо подчёркивают преимущества углекислого газа как заменителя воды:

Шолльмайер: Другие сверхкритические среды мы не рассматриваем – по той простой причине, что положение критической точки у углекислого газа для процесса крашения оптимально. Кроме того, этот газ безвреден для здоровья, он широко используется даже в пищевой промышленности. И, наконец, двуокись углерода имеется повсюду и в неограниченном количестве.

А главное – новая технология гораздо экологичнее.

Вот и всё на сегодня. В студии был Владимир Фрадкин, я прощаюсь с вами, до следующей встречи.