Экскурсия по Институту катализа СО РАН: Аэрогель, биотопливо и сверхпрочные нити
В научных институтах новосибирского Академгородка исследуются тайны Вселенной и разрабатываются новые технологии, но для большинства сибиряков это происходит будто в параллельном мире. Тайга.инфо напросилась на экскурсию по Институту катализа, которую провел для нас ученый секретарь Денис Козлов.
60 лет катализа
Около тысячи человек, из которых почти половина являются научными сотрудниками, работает в Институте катализа СО РАН. Это второй по численности институт Академгородка. Здесь создают новые катализаторы и технологии их изготовления, а также разрабатывают каталитические процессы. В этом году институт отмечает 60-летие. Основателем и первым директором был академик Георгий Боресков, который в годы индустриализации до начала Второй мировой войны усовершенствовал катализаторы синтеза серной кислоты, необходимой при производстве стали и взрывчатых веществ, сделав производство менее затратным. Сегодня Институт катализа активно сотрудничает с рядом коммерческих компаний и госкорпораций, среди его партнеров — Газпромнефть и СИБУР. По технологиям института сейчас запускается несколько важных промышленных производств.
Например, в Омске строится фабрика катализаторов для глубокой переработки нефтяного сырья. Там будет производиться более 20 тыс.тонн катализаторов в год, что закроет потребности российского рынка в катализаторах для процессов гидрокрекинга и гидроочистки более чем на 90%. А в Томске создается производство титан-магниевых катализаторов для базовой полимерной продукции — полиэтилена, полипропилена и сверхвысокомолекулярного полиэтилена мощностью до 100 тонн/год. В настоящее время производство этих важных полимеров в России находится в зависимости от импортных катализаторов.
Зачем нужны катализаторы
Множество веществ, без которых не может обойтись современная цивилизация, получается в ходе химических реакций. Однако эти реакции зачастую протекают очень медленно. Катализаторы — вещества, ускоряющие химические реакции. Ускорили реакцию в два раза — производительность фабрики выросла в два раза. В десять раз — соответственно, в десять. Поэтому сегодня 95% всех промышленных химических процессов — каталитические. Катализаторы применяются для дожигания автомобильного топлива, для производства азотной кислоты. Катализаторы кипящего слоя в процессах крекинга нефти используются для того, чтобы длинные цепочки углеводородов рубить на более короткие и тем самым получать больший выход бензина.
В чем причина проблем катализаторного производства в России
В СССР были катализаторные заводы, которые производили продукцию предыдущего технологического уровня. После 1991 рынок России открылся для иностранных производителей, которые предложили более современную продукцию. И стали откровенно демпинговать, в результате чего российские производители оказались неконкурентоспособными и перестали развиваться. Это привело к тому, что промышленность России во многом оказалась зависимой от импортных катализаторов.
О рейтингах и наукометрии
Институт катализа занимает десятое место по рейтингу цитируемости среди всех институтов РАН и первое — среди химических институтов РАН. Чем чаще в научных статьях цитируются работы института, тем выше его цитируемость, тем уважаемее институт. Другой показатель — индекс Хирша. Для получения индекса Хирша N, нужно чтобы N твоих статей было процитировано не менее N раз (других статей с меньшим цитированием может быть сколько угодно). По этому показателю Институт катализа тоже оказался в числе лидеров. Однако на первом месте среди институтов РАН оказался институт философии. Это связано с тем, что философы активно ссылаются друг на друга.
Но Институт катализа публикуется в основном в зарубежных журналах с высоким «импакт-фактором» (степень научной значимости журнала, определяемой по числу ссылок на публикации журнала). Это гарантирует, что публикации действительно имеют высокую научную значимость. Впрочем, и здесь есть «подводные камни». В частности, ФАНО и министерство науки и образования требуют публикаций в зарубежных журналах, реферируемых в базах данных западных поисковых платформ Web of Science (WOS) и SCOPUS. По наличию таких публикаций оценивается успешность того или иного института. Чисто теоретически, это дает возможность Западу через издателей журналов влиять на научную политику России. Например — поставить «блок» на публикации какого-то института и тот автоматически «скатится» в отстающие. Пока, правда, попыток таких манипуляций не замечено.
Водородная энергетика и биотопливо
На водороде летают многие дроны — он относительно легко преобразуется в электричество в топливных элементах (которые уже разработаны и производятся в коммерческих масштабах). Вопрос в том, как запасать и удерживать водород — в чистом виде он требует баллонов с толстыми стенками, что неприемлемо для летательных аппаратов. Поэтому стоит задача — получить водородосодержащие химические соединения (например, борогидриды) и способы быстрого извлечения из них водорода, для чего требуются новые катализаторы.
Другое направление «альтернативной энергетики» — биотопливо. Использование биотоплива не приводит к увеличению парникового эффекта. Чтобы выросли те растения, из которых получается биотопливо, они должны «изъять» столько углекислого газа из атмосферы, сколько потом получится при его сжигании. В то время как сжигание ископаемого топлива просто увеличивает количество парниковых газов.
Очистка нефти от серы
В России нефти много, но в отличие от Саудовской Аравии, где в скважинах почти готовый бензин, в российской нефти много серы — от 1% до 5%. Очищают нефть с помощью водорода: в присутствии катализатора дают большое давление водорода, и водород серу отщепляет в виде сероводорода. Этот процесс называется гидроочистка.
Разработки Института катализа уже позволяют очищать нефтепродукты от серы до стандарта «Евро-5». Катализаторы гидроочистки будут производиться на катализаторной фабрике в Омске. Проект одобрен
Очистка отходов химической промышленности
При производстве пластиков (ПВХ, поливинилхлорид) применяется хлор, в результате в отходах оказывается большое количество различных органических и хлорорганических соединений, в том числе диоксинов. Эти вещества очень плохо разлагаются в природе. Катализ — единственный способ что-то с ними сделать. Одна из разработок Института катализа — каталитические блоки на основе стекловолокна. Его пропитывают каталитическими компонентами, и потом через слои этой «ткани» пропускают газовые отходы химической промышленности, в результате происходит полное разложение вредных примесей.
Автономные котельные
Применение катализаторов позволяет сжигать в автономных котельных практически любые виды топлива. Горение происходит в так называемом «кипящем слое» катализатора. Измельченное топливо подается в бункер для сжигания, туда же снизу подается воздух, который и создает режим «кипения» и катализатора, и топлива. В таком режиме эффективность горения и теплосъема гораздо выше, чем в традиционной топке. Экологичность технологии также на высоте. Например, при сжигании угля из трубы идет белый дымок в виде пара, что отличается от традиционного черного дыма обычных угольных котельных. Зола в виде пыли уносится из котла воздухом и собирается в традиционных системах очистки: циклоне и рукавном фильтре. Таким образом можно сжигать топливо очень плохого качества: бурый уголь, опилки, любую органику. В принципе, возможно сжигать даже тот ил, который образуется на городских очистных сооружениях. Сейчас он просто складывается в отвалах, где «благоухает» на всю округу.
По такой технологии уже построено несколько котельных: на железнодорожной станции Кулунда в Алтайском крае, станции Абакумовка в Красноярском крае, станциях Юрга и Артышта II в Кемеровской области и даже в Амурской области на станции Магдагачи.
Аэрогель
Институт катализа умеет делать материал, который на 80% состоит из воздуха и на 20% — из SiO2 (обычный песок). На вид он как стекло, но плотность всего 0,2 грамма на кубический сантиметр (в 5 раз легче воды). Материал является отличным теплоизолятором, но главное его применение в другом: он используется для улавливания и измерения скорости элементарных частиц. Когда они попадают в такой материал, возникает «излучение Черенкова» — частица летит и «светится», благодаря чему можно прямо увидеть траекторию полета, измерить характеристики частиц. Институт катализа умеет делать уникально большие по размеру однородные блоки такого аэрогеля размером 20×20 сантиметров, что делает возможным их применение в Большом адронном коллайдере (ЦЕРН, Женева) и на международной космической станции (МКС).
Сверхпрочные нити
Институт катализа освоил технологию производства сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМП). В обычном полиэтилене полимерные нити переплетены беспорядочно. Но если их «причесать» и выстроить в одном направлении, прочность материала существенно возрастает, так как между полимерными ниточками возникают дополнительные связи. В результате канат сечением 3 мм2 может держать груз весом в тонну. У такого материала очень высокая износостойкость. Область применения СВМП самая разнообразная: от высокопрочных композитных материалов до покрытия кузовов грузовиков. По технологиям Института катализа в Томске строится завод катализаторов, которые необходимы для получения СВМП.
Углеродные наноматериалы
Все уже много слышали о нанотрубках и возможном их применении в разных материалах. Однако оказывается, что гораздо более простые углеродные материалы (высокодисперсные сажи) могут придавать новые свойства такому хорошо известному материалу, как бетон. Небольшая добавка такой сажи в раствор создает множество центров кристаллизации, в результате чего сокращается время затвердевания бетона (процентов на 30) и почти вдвое увеличивается прочность. Такая технология уже заинтересовала компании из Сингапура, с которыми ведутся переговоры.
Суперконденсаторы
В Институте катализа идут разработки и суперконденсаторов. Потому, что катализ — многопрофильная наука. Она не только катализаторов касается, но и новых материалов: сорбентов, углеродных материалов, которые тоже обладают всякими разными интересными свойствами. Вот в том числе на углеродных материалах, которые у нас получают из рисовой шелухи, ребята в группе низкотемпературных электрокаталитических процессов разрабатывают новое поколение суперконденсаторов. То есть, конденсаторов, которые способны накапливать большой заряд. И фактически, по своим свойствам, характеристикам будут превосходить обычные свинцовые аккумуляторы.
Россия в пятерке
Каталитические процессы исследуются во многих странах мира. Очень сильные научные центры есть в Германии. В США исследованиями, в основном, занимаются корпорации, нефтедобывающие или фармацевтические. Но каждая из них ведет исследования в своем узком направлении. Исследователи широкого профиля — это немцы, французы и японцы. Россия находится в числе мировых лидеров и точно входит в пятерку ведущих стран.
Химия под рентгеном
Рентгеновское излучение позволяет исследовать свойства веществ на атомном уровне. Чтобы понимать, что и как происходит во время каталитической реакции, как меняет свои свойства катализатор, эти реакции проводят в специальной рентгеновской камере. После того, как будет построен сибирский синхротронный центр коллективного пользования, химики СО РАН (в том числе из Института катализа) получат возможность использовать рентгеновское излучение с уникальной мощностью и другими характеристиками.
Химический детектив — угадай полученное вещество
После проведения химических реакций с новыми типами катализаторов исследователям важно точно узнать, что именно получилось. Для этого в Институте катализа есть специализированная аналитическая лаборатория под руководством Владимира Сидельникова. Здесь разрабатываются и совершенствуются уникальные методы «разделения» полученных веществ на составляющие фракции, после чего молекулы из этих фракций буквально по одной поставляются в масс-спектрометр. На выходе получается некоторый «спектр» из составных «осколков», который сравнивается с уже имеющейся базой данных из более чем 2 тыс. образцов. Опытный исследователь «на глаз» видит, что именно присутствует в этом спектре, и может дать ответ на вопрос, что получилось в результате каталитической реакции.
Какой катализатор нужно сделать, чтобы получить Нобелевскую премию?
Нобелевскую премию сейчас сложно получить. Но если создать катализатор, позволяющий осуществить искусственный фотосинтез, то Нобелевская премия фактически в кармане. Каталитическое расщепление углекислого газа на кислород и углерод было бы способно произвести огромный прорыв в науке. Вы представляете: в космическом корабле находятся космонавты, а углекислый газ до настоящего момента куда девается? Выбрасывается за борт! Он в кислородный цикл не возвращается. На орбиту привозят кислород. Доставка 1 кг груза на орбиту — 25 тыс. долларов. 800 г жидкого кислорода каждый космонавт потребляет в сутки.
Углекислый газ так и не научились расщеплять, потому, что в качестве второго продукта образуется углерод, а это такая гадость, что все катализаторы забивает, и очень быстро выходит из строя вся система. Кислород выделяется лишь поначалу, но потом это прекращается. А искусственный фотосинтез — это когда мы кислород выделяем, а углерод не просто в виде углерода, а в виде органики. В реальном фотосинтезе углерод превращается в сахар.
Другое интересное направление — топливные элементы. Есть водородные топливные элементы, на которых уже ездят автомобили, но мощных топливных элементов до сих пор делать не научились. Делают топливные элементы мощностью 1 кВт, которые используется лишь в режиме дозарядки основной аккумуляторной системы. А по-настоящему интересных топливных элементов до сих пор нет.
Текст: Алексей Мазур
Фото: Кирилл Канин