Ученые КФУ внедряют "зеленые технологии" в производство

Последние годы для КФУ стали расцветом наукоемких технологий. Например, в рамках работы САЕ «Эконефть» можно отметить увеличение количества ученых, создаваемых ими научно-исследовательских разработок, применимых в практике, как говорится, здесь и сейчас. Подобное может быть характерно для крупнейших научных центров, таких как Казанский федеральный университет.

Тема «зеленых технологий» по-прежнему не теряет своей актуальности. Однако сегодня она как никогда злободневна, направлений «озеленения» очень много: использование энергосберегающих технологий, переработка мусора, использование нетоксичных материалов и т.д. К сегодняшнему дню учеными приоритетного направления «Эконефть» уже разработан перечень проектов, направленных на повышение уровня экологического благополучия.

«Зеленые технологии» – это, прежде всего, ресурсосберегающие и безотходные технологии, предусматривающие наличие современного природоохранного оборудования, которые должны использоваться во всех сферах человеческого обихода. Наиболее важно их использование в промышленности и энергетике. Энергосбережение и повышение энергетической эффективности следует рассматривать как один из основных источников будущего экономического роста. К примеру, «зеленые технологии» позволяют снизить энергопотребление на 25% и потребление воды на 30%, за счет этого достигается экономия в оплате за электроэнергию и водоснабжение. Загрязнение атмосферного воздуха газами приводит к изменению климата, усилению парникового эффекта и увеличению числа опасных природных явлений, о чем свидетельствует множество научных фактов.

Ведущая роль в выбросах парниковых газов принадлежит С02, основным источником которого служит энергетический сектор, в основном сжигание ископаемого топлива – угля, нефти и газа. Все это неизбежно приведет к тому, что рано или поздно человечеству все же придется сделать выбор в пользу «зеленых технологий», рассказывает главный научный сотрудник НИЛ «Промышленный катализ» Дмитрий Яхваров.

«Решение о внедрении принципов “зеленой” экономики было принято на одном из заседаний Всемирной организации объединенных наций в 1983 г. Собравшаяся комиссия проанализировала ситуацию загрязнения атмосферы и предложила варианты по решению данной проблемы. Немного позже в США была сформирована программа, раскрывающая аспекты так называемой «зеленой химии». Данная концепция включает в себя 12 принципов, включающие в себя удовлетворение потребностей современного общества без вреда для потомков. Если говорить о наших разработках, то основную ставку мы делаем на энергию – вместо реагента мы используем обычный электрон», – отметил предысторию к созданию «зеленым технологиям» Дмитрий Яхваров.

Научные проекты САЕ «Эконефть» – это не разовая акция. Исследователи на протяжении нескольких лет работают над технологиями, направленными на решение экологических проблем. Ученые КФУ в этом направлении развиваются по своему сценарию. Например, научная группа во главе с Д.Яхваровым в своих исследованиях по получению наночастиц использует возможности электрического тока.

Получаемые из растительного сырья наночастицы металлов обладают уникальными свойствами. Их особенность заключается в том, что они обуславливают специфическую координацию атомов металлов, размеры частиц и их магнитные свойства. За счет этого они имеют большие перспективы, так как могут быть широко использованы в качестве катализаторов. Например, при создании качественных синтетических автомасел. Идея ученых заключается в том, чтобы «продлить» им срок службы на значительный срок. Более того, современному производству не придется «размениваться» на масла, причиняющие вред окружающей среде, а сконцентрировать свое внимание на продукте высшего качества с наименьшими потерями.

«Мы используем напряжение электрической сети. Это можно сравнить с тем, как заряжаются телефоны. Когда электрон «среагировал», он уже не дает побочных продуктов. На основе данной технологии можно разработать совершенно новые химические процессы, которые будут актуальны как в пределах нашей страны, так и за рубежом», – отметил ученый.

В частности электрохимическая установка для синтеза никельорганических катализаторов. Действующий прототип прибора предназначен для производства катализаторов методом электролиза. Надо сказать, такой подход дает ощутимые результаты. Например, на территории ПАО «Нижнекамскнефтехим» начала свою работу катализаторная фабрика, над технологиями для которой трудились ученые КФУ.

«Возьмем как пример полиэтилен. Его качество напрямую зависит от того, из чего он получен. Чтобы качество было высоким, как раз придется весьма кстати наш катализатор, который позволит получать необходимый продукт с заранее заданными свойствами. Чем хороша данная технология: все процессы проходят исключительно в растворе, не отпуская ничего в атмосферу. Мы просто создаем небольшое давление этилена для его растворения. Наша задача: перевести токсичные процессы в растворы, чтобы мы могли в контролируемом объеме проводить нефтехимический процесс», – рассказывает ученый.

И действительно, условия для любого научного открытия всегда полны риска и захватывающе интересны. Не составляет исключения и такой биогенный элемент, как фосфор, тем более учитывая колоссальную роль данного элемента в существовании планеты и ее населения. Сфер человеческой деятельности, в которых применяется фосфор колоссальное множество, его отсутствие сделало бы попросту невозможным развитие промышленности. Строгие экологические законы стали основной причиной поиска учеными приоритетного направления «Эконефть»безопасных химических путей превращения белого фосфора непосредственно в разнообразные фосфорорганические соединения.

Ученые САЕ «Эконефть» уверены, что белый фосфор можно использовать на благо окружающей среды несмотря на высокую токсичность. Исследования ученых показали: элемент способен препятствовать выделению опасных веществ в атмосферу. Своими тезисами они поделились на страницах специализированного издания Walter de Gruyter.

«Мы берем белый фосфор, наш катализатор, задействуем их с двумя электронами, затем подключаем батарейку. В итоге мы получаем целевой продукт, который мы выделяем и получаем в чистом виде», – объяснил Д.Яхваров.

После проведенных исследований учеными был предложен эффективный способ селективного электросинтеза соединений с P-H (фосфор-водород), Р-С (фосфор-углерод) связями из белого фосфора в мягких условиях, полностью избегая использования “хлорных” технологий.

«Были получены принципиально новые способы получения востребованных фосфорорганических соединений непосредственно из белого фосфора с хорошим выходом, минуя традиционные стадии его хлорирования», – объяснил суть исследования куратор данной научной работы Зуфар Гафуров.

Само применение электрохимических методов в современной химии становится все более и более популярным в течение последних лет. Основное внимание уделяется созданию новых энергосберегающих и экологически безопасных технологий получения практически значимых и востребованных химических соединений, а также новых материалов на их основе.

В этом плане сочетание синтетических электрохимических методов и координационной химии является актуальным, так как позволяет получать новые типы каталитических систем и осуществлять химические процессы, которые, в ряде случаев, недоступны при использовании обычных классических методов синтеза. Мягкие условия процесса, а также использование недорогого и самого удобного вида энергии – электричества являются основными достоинствами электрохимических методов. На основе электрохимических методов ученым КФУ удалось создать уникальные в своем роде катализаторы.

«Мы открыли новое интересное соединение, которое получалось исключительно при низких температурах, более чем минус двести семьдесят по Цельсию. Этот проект развивается при помощи Российского научного фонда. Данное соединение позволило нам получить новые производные, которые не получаются с другими веществами», – комментируют ученые.

Плюсы данного соединения в том, что оно максимально реакционноспособно. Исследователи САЕ «Эконефть» научились его вводить в реакции, используя, опять же, белый фосфор, минуя стадию хлорирования.

Важно и то, что экологически безопасные технологии университет применяет не только в пределах страны, но и, в прямом смысле, на другом конце нашей планеты. Например, уже в ближайшие годы начнется реализация проектов по освоению нефтегазовых месторождений на шельфах арктических морей. Одна из их главных задач – не нанести ущерб ранимой природе Арктики, где уже имеются загрязненные территории. Как пояснил руководитель САЕ «Эконефть», сейчас в сухопутной части Арктики месторождения нефти и газа не только хорошо разведаны, но и активно эксплуатируются. Однако суровый северный климат преподносит немало проблем. Одна из них – отложение газовых гидратов, так называемых “пробок”, в стволах скважин. Это приводит к закупорке, остановкам добычи, аварийным ситуациям и даже взрывам. К тому же аварии ухудшают экологию, негативно влияют на здоровье человека. Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Chemical Engineering Science.

“Мы попытались решить имеющиеся проблемы за счет использования касторового масла. Были проведены соответствующие тесты совместно с Федеральным центром токсилогической информационной безопасности, которые показали, что полученный нами ингибитор можно использовать и в море, и на суше, не создавая экологических проблем”, – поясняет руководитель приоритетного направления “Эконефть” КФУ Михаил Варфоломеев.

Отдельно отметим, что касторовое масло имеет более тысячи запатентованных промышленных применений. Оно используется в следующих отраслях промышленности: автомобильной, авиационной, косметической, в производстве лекарств, электротехнике, электронике, продуктов питания, в производстве пластмасс и телекоммуникациях.

Согласно будущему крупномасштабному применению в нефтегазовой промышленности, особенно на морских месторождениях, новые ингибиторы, созданные с применением касторового масла, должны обладать высокими экологическими свойствами и высокой биоразлагаемостью. Исходя из вышеупомянутых моментов, исследователи Казанского университета смогли использовать растительные масла в качестве общего решения как минимум двух проблем – проблемы окружающей среды и блокирования потоков ископаемого топлива внутри трубопроводов. Исследователи намерены ввести растительные масла в гидратное сообщество как ценный ресурс для синтеза эффективных ингибиторов гидрата метана на основе водной техники.

Предполагается, что новый, выведенный учеными «Эконефть» метод приведет к образованию полностью водорастворимых материалов, чьи электростатические заряды смогут образовывать дополнительные водородные связи с молекулами воды. Гидрофобность, биоразлагаемость и растворимость ингибиторов в воде можно регулировать водным методом.