НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ОБРАТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
С самого начала Перестройки стало ясно, что денег на науку государство давать не будет. Нужно было срочно искать альтернативные источники финансирования. Поскольку я в это время руководил радоновой съемкой Камчатки, то решил обратиться к местным властям за финансовой поддержкой. Собрали мы совещание с участием губернатора Камчатки и мэра Петропавловска. Вопрос сформулировали так: назовите основные проблемы региона, за решение которых вы готовы платить. В ответ нам назвали три. 1) Авачинская бухта - база ядерного военно-морского флота России на Тихом океане. Естественно, что вода залива загрязнена радионуклидами. Нужно ее очистить. 2) В годы холодной войны полуостров Камчатка называли непотопляемым авианосцем. На него было завезено огромное количество оружия и боеприпасов. Снаряды и бомбы всех видов и систем (включая, возможно, химическое, бактериологическое и ядерное) хранятся на складах, длиной в несколько десятков километров. Склады разрушаются, корпуса снарядов кородируют, срок годности их истек. Этими боезапасами не только нельзя пользоваться, а и притрагиваться к ним страшно. Но и хранить нельзя - возможен спонтанный взрыв и тогда мало не покажется. Переработайте их, пожалуйста, в что-нибудь безопасное и полезное для простого человека. 3) Над Петропавловском расположен большой гражданский и военный аэродромы. За время эксплуатации многочисленные протечки привели к тому, что вся почва на глубину 20, а то и 30 метров пропитана высококачественным авиационным бензином. Новое месторождение горюче- и взрывоопасного вещества нависло над городом, расположенном к тому же на склонах вулканов. Легко представить, что произойдет в случае крупного землетрясения. Организуйте добычу бензина и очистите от него почву и грунт под аэропортами.
Видит Бог: нам очень хотелось получить деньги и, казалось, мы были готовы на все. Но от предложенной работы пришлось отказаться.
В этой ситуации мы столкнулись с необходимостью развития нового направления науки и техники - ОБРАТНОЙ ТЕХНОЛОГИИ. Под прямыми технологиями понимают переработку руды, нефти, газа в металлы, полимеры, ракетное топливо и т.п. Обратные технологии призваны перерабатывать старые автомобили и автомобильные шины, радиоприемники и телевизоры, консервные банки, ракеты и ракетное топливо, неиспользованное оружие или боеприпасы - практически любое отработавшее свой срок промышленное изделие - в исходные материалы или в новое изделие. Сложность подобной задачи очевидна: одно дело приготовить яичницу из сырых яиц (прямая технология) и совсем другое - из яичницы сырые яйца (обратная технология). Одно дело - выделить золото из легкоплавкой и сравнительно хорошо растворимой руды, и совсем другое извлечь его из интегральных схем, т.е. из неплавкой и не растворимой ни в чем керамики. Одно дело - наработать динамит, а другое переработать его, скажем, в лекарство. Современные технологии легко справляются с добычей вязкой нефти с последующей переработкой ее в бензин, но пасуют перед выделением летучего бензина из почвы. Мы можем эффективно выделять радионуклиды из технологических сбросов предприятий ядерно-топливного цикла, но не в силах сделать это для огромных масс воды в заливе, к тому же связанном с океаном.
Таким образом, жизнь настоятельно ставит задачи, для своего решения требующие интенсивного развития науки и техники. Обычно, если проблема появляется, то она решается. Но не в этой жизни!
МУСОР: КТО ВИНОВАТ И ЧТО ДЕЛАТЬ?
Цивилизация стоит перед очевидной угрозой погибнуть под грузом создаваемого ею же мусора. Каждая сосиска обернута специальной пленкой, каждые десять упакованы пакет, а пакеты сложены в коробку. Яйца прокладываются толстыми фигурными прокладками. Любая покупка выдается в полиэтиленовом пакете или сумочке. Все это по приходе домой незамедлительно выбрасывается. Добавьте сюда банки, бутылки, канистры, пищевые отходы, старую одежду, тряпки, кабельную изоляцию, отработавшие свой срок бытовые приборы и т.д. и т.п. Москвич за месяц создает отходов больше, чем весит сам. Эту гору отходов нужно собрать, куда-то отвести, переработать, захоронить неперерабатываемые остатки и токсичные вещества. В ходе переработки выделяется углекислый газ с перспективой вызвать потепление климата, серосодержащие газы, галогены, окислы азота с перспективой кислых дождей, пары ртути и мышьяка, диоксины с перспективой уничтожить все живое и т.п., в отвалах накапливаются высокотоксичные металлы. Вокруг мусороперерабатывающих заводов и свалок распространяется зловоние и прочее эковозмущение.
Меры принимаются, но ситуация ухудшается. Если у нас шанс выжить? Не будем анализировать московский опыт (он безнадежен). Обратимся к Европе, т.к. некоторые считают, что мы относимся к этому региону.
Во Франции ученые предлагают плазменный способ переработки муниципальных отходов. Идея состоит в использовании для уничтожения мусора больших плазмотронов, разработанных в свое время для нанесения покрытий на самолеты, ракеты, корпуса подводных лодок, реакторов и т.п. В атмосфере плазмы при температурах 3000-5000оС любые вещества разлагаются до атомарной и ионной формы. При этом углеродсодержащие материалы превращаются в сажу или углекислый газ, металлы выделяются в виде паров или оксидов. Самое главное – не образуется диоксинов, меркаптанов и других высоко токсичных органических веществ. Газообразные продукты легко улавливаются и перерабатываются, а твердые отходы представляют собой прочную керамику, которую можно использовать в строительстве зданий, дорог и т.п. Замечательный способ!
Немцы отвечают однозначно: вы с ума сошли! О какой эффективности может идти речь, если для энергоснабжения каждого такого мусоросжигающего заводика нужно поставить собственную и не такую уж маломощную электростанцию. При внедрении плазменной технологии, придется удвоить, а, скорее, утроить производство электроэнергии в Европе. А это означает или увеличение добычи бурых углей с неконтролируемыми экологическими последствиями, сооружение дополнительных тепловых электростанций и очистных сооружений на них, или закупку дорогостоящего иноземного природного газа. И зачем? Наоборот, мусороперерабатывающие заводы должны быть источниками тепла и электроэнергии. Да и кто вам разрешил что-либо сжигать? Ведь любое сжигание приводит к образованию углекислого газа, к загрязнению атмосферы, кислым дождям и потеплению климата. Разве вам не известно, что ООН рекомендовало в течение 20 лет прекратить сжигание и многие страны приняли это условие, запретив строительство мусоросжигающих заводов? С термодинамической точки зрения сжигание – просто безумие: вы имеющиеся у вас сложные молекулы с уже организованной пространственной структурой, способные к химическим взаимодействиям превращаете в простейшую молекулу, химически вполне инертную. Если не выбрасывать в атмосферу СО2, то придется снова затевать сложнейшие энергоемкие химические синтезы с целью синтеза из углекислого газа практически тех же молекул, которые вы недавно сожгли!!! При температурах плазмы (тысячи градусов) азот перейдет в оксиды, а это не подарок для экологии, их придется извлекать из сбросных газов и куда-то девать. В перспективе мы имеем шанс остаться без атмосферного кислорода и азота! Их в вытеснят оксиды углерода и азота. Да ребята, вы научите. И, наконец, в плазме все действительно развалится, но как только вы начнете охлаждать продукты, горячие атомы начнут вступать во многочисленные реакции друг с другом. Где гарантия, что не будут синтезированы вещества в миллионы раз более токсичные, чем исходные?
Мы предлагаем ничего не сжигать, а вести окислительный пиролиз при вполне умеренных температурах 500-600оС. При этом, исходные молекулы не уничтожаются, а модифицируются (например, в них образуются двойные связи) и вводятся в синтезы полезных и нетоксичных веществ. Тепло, выделяемое при пиролизе может быть утилизировано. Мусороперерабатывающий завод станет источником полезных веществ, тепла и электроэнергии. Вопрос: кто прав?
КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ
Когда я прибыл в Институт экологической химии под Мюнхеном, так царило смятение чувств. Долгие годы институт жил за счет разработки новых способов сжигания бытовых отходов, в первую очередь - полимеров. Специально, чтобы ученые могли гордиться своей профессией, этот процесс гордо назвали инсенирацией. В Германии таких отходов - горы. Тема актуальна, кормиться можно до пенсии.
И тут правительство земли Бавария принимает закон: запретить сжигание. Вообще чего-либо. Потепления климата испугались. А ученых спросили: вы - химики?. Химики! Полимеры откуда взяли? Из нефти. Ну, так и переработайте отходы в нефть, раз вы химики. И далее по кругу. В природе нет отходов, не будет их и в промышленности. Заодно нефть сэкономим.
А цыпленка из яичницы не хотите?!
Но кушать надо, пришлось развивать окислительный пиролиз.
А там диоксины!!!
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ДИЗАЙН (Как разорвать "замкнутый круг")
Многие полагают, что уменьшить выбросы заводов можно очень просто: достаточно обругать в прессе (оштрафовать или посадить) директора. Он живо исправится: вернется на завод, отдаст приказ - и пожалуйста! стоит новая система очистки, завод не воняет, не дымит и не отравляет окружающую среду. А ты попробуй сам на даче прекратить выход дыма из трубы буржуйки. Можно это сделать? Конечно! Накрой трубу сапогом и топи. Эффект ожидаем: дым повалит из всех щелей, ты весь в слезах покинешь помещение, печь погаснет и выбросы сами собой прекратятся. А если ты не так груб и воспользуешься современной системой тонкой очистки, то она будет стоить больше печки, дома и садового участка вместе взятых, и потребует персональной электростанции для эксплуатации и регенерации. Так что - пусть дым идет себе через трубу. Не экологично, но реально.
А заводскую трубу, думаешь, легче укротить, чем садовую печку?
Прекращение выбросов - сложная технологическая задача. Она требует мощных интеллектуальных усилий. И больших материальных, энергетических и денежных затрат.
Любая попытка снизить выброс токсинов, наталкивается на противодействие фундаментального закона природы. Он называется логарифмическим. Снижение выброса примеси в десять раз (на порядок) требует увеличения материальных и энергетических затрат в два раза (точнее - даже в 2,3 раза).
Например, вы создали адсорбер по очистке природного газа от сероводорода. Устройство понижает содержание сероводорода с 20 до 2% (на порядок). Если вы хотите понизить еще на порядок (с 2% до 0,2%), как это требует санитарный паспорт, то вам следует все удвоить: и материалы, и затраты энергии, и площадь помещения для его размещения. Чтобы перейти от 0,2% к 0,02% (как этого требуют "зеленые") придется снова все удваивать. И так далее. Становится ясно, что для тщательной очистки выбросов промышленных предприятий от токсинов уже сейчас не хватит ни энергетических, ни материальных ресурсов всей планеты. А ведь промышленность продолжает расти.
На традиционном пути "дурную бесконечность" не одолеть. Нужны революционные решения
Выход видится в создании компактных, легко масштабируемых, мало энерго- и ресурсоемких аппаратов регулярной структуры, в качестве рабочих элементов использующих планарные активные фильтры. Такие устройства экономичны и компактны, но важно, что для увеличения чистоты выбросов на порядок, их объемы не надо удваивать. Естественно, что аппарат, выдающий на порядок более чистый продукт, будет иметь больший размер и потреблять больше энергии, чем выдающий грязный продукт, но не в два раза, а - на десятки процентов.
Это и есть революция.
Как известно, в настоящее время в химической промышленности используются так называемые стохастические реакторы, в которых гранулы адсорбента (или катализатора) расположены случайным образом. Такие реакторы легко заполнять рабочими элементами (например, гранулами адсорбента или катализатора) - сыпь из мешка и все дела! Они сравнительно дешевы в изготовлении и в монтаже. К недостаткам таких реакторов относится их большой объем (что затрудняет их применение на подводных лодках. космических аппаратах, в установках подавления активности АЭС и т.п.). Но основной недостаток связан с невозможностью управления в них потоками массы и, что важнее, - потоками тепла. В ходе адсорбции (а тем более - при катализе) выделяется большое количество тепла. В результате адсорбент неконтролируемо нагревается и его емкость падает. Давление газа по аппарату также падает, и удержать постоянную во всем устройстве скорость потоков реагентов не удается. Эффективность их работы не высока.
В аппарате регулярной структуры в качестве рабочих элементов применяются не гранулы, а планарные (плоские) адсорбенты или катализаторы (ленты, ткани, фетр и т.п.), которые располагают в пространстве по некоторому закону. По своей структуре аппарат напоминает систему кровообращения человека: имеются большие транспортные каналы (аналог "артерий") и отходящие от них более мелкие и суживающиеся к концу каналы (капилляры). Таким образом, падение давления по аппарату компенсируется сужением канала и, следовательно, скорость течения флюидов остается постоянной, что важно с точки зрения поддержания в рабочем состоянии всего реактора. В первом приближении структура аппарата двухуровневая: имеются сравнительно большие транспортные каналы, обеспечивающие поставку нужных количеств флюидов в заданную точку, и более узкие "реакционные" каналы, в которых осуществляется рабочий процесс. Известны сложные многоуровневые конструкции подобных аппаратов. В них используется большое разнообразие каналов, различающихся как пропускной способностью, так и их расположением в пространстве.
Человек всегда пытался организовать свою среду обитания. Он никогда не селился в пещерах, копая их где попало. Автострады, шоссе, проселочные дороги, тропы, проспекты, улицы, переулки, дворы, обеспечивают возможность транспортировки товара и его переработки на досуге. Так почему же химическая промышленность должна строиться на хаосе транспортных путей и реакционных центров. Нет! Пусть это - дорогостоящая морока, но мы сконструируем технологическую систему, организованную (упорядоченную по определенному принципу) в пространстве и времени. И посмотрим, что из этого выйдет...
В пространственно упорядоченных (многоуровневых) технологических системах эффективно решается задача управления тепловыми потоками. В результате рабочая температура элементов остается постоянной в ходе всего процесса Подобные аппараты весьма компактны, что существенно расширяет сферу их применения. В пределе они стремятся к компактности мембранных устройств, бесспорных чемпионов в этой области. Аппараты регулярной структуры позволяют сэкономить как конструкционные материалы, так и адсорбенты. Устройства экономят энергию. Из-за низкого динамического сопротивления регулярных структур снижаются затраты на работу компрессоров, обеспечивающих продувку аппаратов. Другой источник экономии - снижение энергозатрат на поддержание постоянной температуры в аппарате в ходе его штатной эксплуатации. Наконец, третий источник экономии - снижение энергопотребления при регенерации сорбента, поскольку тепло подается строго дозированным образом. Поэтому, несмотря на большую стоимость работ по проектированию и монтажу подобных систем, в конечном итоге они оказываются экономически более выгодными по сравнению со стохастическими аппаратами.
Аппараты регулярной структуры требуют применения планарных рабочих элементов. Можно, например, использовать пластины из пористой керамики или стекла, но большее распространение получили волоконные адсорбенты.
Для выяснения причин этого проследим за судьбой токсина в грануле сорбента. Сделаем это с помощью метода авторадиографии. Промышленные гранулированные адсорбенты, диаметром 5 мм, предназначенные для работы в адсорберах по очистке природного газа астраханского месторождения от сероводорода, выдерживали в атмосфере радиоактивного сероводорода (H235S). Затем гранулу разрезали по центру и срез укладывали на фотопластинку, с эмульсией, чувствительной к бета-радиации. После экспонирования и проявления фотопластинки, рассматривали полученное изображение. Ожидали, что за время выдержки (несколько часов) газ успеет пропитать всю гранулу и авторадиограмма будет иметь вид круга, равномерно закрашенного серым цветом. Эксперимент опроверг это предположение. Сероводород проник только на глубину 100 микрон. Оказалась, что основная масса сорбента не принимает участия в адсорбционном процессе и является абсолютно бесполезной! Зачем же мы тратили на ее производство время и силы?! Мы ведь и адсорбер рассчитывали в предположении, что работает весь объем адсорбента. А оказалось, что в реальных динамических условиях в процессе участвует не более 10% рабочего вещества. Остальной же весьма дорогой адсорбент является мертвым грузом.
Очевидно, что динамическая емкость сорбента должна совпадать со статической емкостью, а также должен работать весь объем адсорбента. Как этого добиться?
Кажется, что проще всего раздробить гранулу в мелкий порошок (В нашем случае - до зерен диаметром 100 микрон). Это автоматически обеспечит работу всей массы сорбента. Да, но если вы колонну высотой 7 метров вместо гранул диаметром 0,5 см заполните зубным порошком, то вы ее просто не сможете продуть! По крайней мере вам потребуется компрессор на давление не ниже 100 атм. Мало того, что такой компрессор потребляет непомерное количество энергии, он еще и сам дорого стоит. Очистка в буквальном смысле станет золотой. Кроме того, вам придется увеличить толщину стенок реактора и изготовить их высококачественной стали. Иначе при таких давлениях реактор просто разорвет. А это тоже стоит немало. Потому это - не выход.
Предлагается рабочие элементы изготавливать из волоконного материала. Волокна могут иметь диаметр меньше микрона, но динамическое сопротивление слоя (не в пример зубному порошку) будет низким. Через слой такого материала толщиной 1 см можно курить. Секрет заключается в характере переплетения нитей. Ткани изготавливаются таким образом, чтобы между нитями оставались транспортные каналы. В результате рабочий элемент имеет двухуровневую структуру: транспортные каналы между волокнами и открытую пористость внутри волокна.
Но можно пойти дальше! Мы можем и внутри волокна задать двухуровневую пористую структуру. Такая структура достигается, например, в выщелоченных базальтовых волокнах. Базальт - многокомпонентный материал. Растворяя некоторые компоненты в горячей соляной кислотой удается создать в волокне транспортные поры, а растворив затем в слабой кислоте - микропоры, которые являются адсорбционно-активными центрами. В результате мы получим бипористую окись кремния, имеющую двухуровневую структуру пор.
Таким образом, при создании аппаратов для очистки газов мы три раза использовали двухуровневые системы: пористые материалы (фазовый дизайн), рабочие элементы (модульный дизайн) и сам адсорбер (аппаратурный дизайн). Уже от одного типа дизайна можно ожидать существенного прогресса в развитии подобных систем очистки промышленных сбросов, а при использовании всех трех типов возможно достижение эффекта положительного синергизма.
Вот почему вся современная философия химико-технологического дизайна строится на управлении потоками веществ и тепла в аппарате, путем задания в нем стройной пространственной структуры (как правило - многоуровневой) транспортных путей и реакционных (или адсорбционных) центров.
ХИМИЯ И ЖИЗНЬ
На химфаке способных студентов много. Творческие личности. Большие задаваки, однако. Иногда это утомляет и, чтобы поставить товарищей на место, вернуть к реальности, веду их в лабораторию. Там – коробочка, размером с пачку папирос “Казбек”, одна ее сторона стеклянная и освещается светом, с остальных сторон – термостатирующая рубашка. Коробочка теплая: градусов 36 – 40 С. К ней подходит патрубок, на входе которого датчик (круглый циферблат со стрелкой) с надписью: “УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ”. На выходе коробочки – другой патрубок, к которому прикреплены датчики: один с надписью “ВОДОРОД”, другой – с надписью “МЕТАН”.
- Дорогие умники, - говорю я, - перед вами - некий “черный ящик”, в который входит углекислый газ, а выходит водород (при смене режима, может выходить метан). Вопрос: “Какие процессы конвертируют СО2 в Н2??!”
Народ, естественно, впадает в глубокую задумчивость. Далее следует шквал гипотез. Одна фантастичнее другой. Тут тебе и сверхвысокие давления и температуры, шаровая молния и термояд. Но! Как ни крути, а химику (да и физику тоже) углерод в купе с кислородом в водород в жизни не превратить. А вот биолог – запросто!
Коробочка устроена просто. Это две полимерных мембраны с тонким сплошным (непористым) рабочим слоем. Между мембранами циркулирует вода, в которую периодически добавляется сахароза и в которой живет и процветает колония микробов. Внешняя сторона “сендвича” омывается воздухом с примесью СО2. С выходной стороны сендвич откачивается с целью удаления образовавшихся в нем газов (Н2 и/или СН4). Если свет включен, микробы активно усваивают углекислый газ и синтезируют белок. При этом возникает потенциал такой силы, что молекулы воды диссоциируют с образованием водорода. Таким образом, бесполезное и даже вредное вещество (углекислый газ) с токсичным и парниковым эффектом превращается в полезный энергоноситель, причем без всяких автоклавов, радиаций, плазм и т.п. Второй полезный продукт – белок – идет на корм скоту.
Если свет выключить, то микробы будут продолжать процветать и питаться СО2, превращая его теперь уже в метан (тоже полезный энергоноситель). А вот если убрать сахарозу, то жизнедеятельность микробов уменьшается, они перестают усваивать СО2, но съедают мембрану! (Мембрана, кстати, изготовлена из кремний органического полимера, на первый взгляд абсолютно не съедобного).
Вот, что такое жизнь, ребята! Многообразна она и удивительна!
Это вам – не химия с физикой!
ПРОМЫШЛЕННЫЙ ШПИОНАЖ
О Щелкове и окрестностях я слышал еще в школе. Знал, что Лесной институт в Строителе на задворках Мытищ готовит отнюдь не лесников-лесорубов, а компьютерщиков, и не каких-то там программистов, а конструкторов-производителей. Знал, что дремучие леса на севере Москвы усеяны заводами-институтами космической направленности. Но бывать там не приходилось.
Повод однажды нашелся. Понадобился манипулятор для перемещения образцов в сверхвысоком вакууме. Разведка донесла – есть такой во Фрязино. Прямого пути туда не было. Пошли обходным. Владимир Павлович, тогда мой аспирант из Алма-Аты, сходил на дружественный Завод, взял направление во Фрязино, и меня прихватил.
Не буду описывать, как я оформлял допуск-предписание и проходил все кордоны. Второй раз на такой подвиг вряд ли решишься.
Но вот мы сидим в кабинете начальника, пьем чай и ведем окольные разговоры. Задача не проста: чертежи надо получить просто так, за здорово живешь, платить МГУ нечем. Впрочем, на меня никто вообще не обращал внимания (серьезных людей университет не волнует, кому нужны, эти гуманитарии?!) Разговор шел вокруг Завода. Нет, Боже упаси! Ни его продукция, ни какие-то агрегаты, или там детали не упоминались даже намеком. Не принято это у спецов, да и Органы разговор прослушивают. Просто вспоминали знакомых, как здоровье, как настроение. Как-то сама собой зашла речь о Штерне, конструкторе масс-спектрометров. Сосланный в Алма-Ату когда-то, как поволжский немец, он там и остался. Статей не публиковал, патентов не брал, но все удачные разработки были его. Мир в целом его не знал, но в России кое-кто знал и, видать, хорошо.
- Ну, как там у вас Карл Вильгельмович поживает, - спросил ненароком хозяин кабинета, - по-прежнему сферические зеркала обожает?
- Нет! – ответил ВП, - он перешел на цилиндрические.
Настала пауза. Мужик открыл рот, хотел что-то сказать, но бросился к телефону.
- Петрова ко мне!
Через минуту Петров стоял на пороге.
- На изделие какие зеркала ставите?
- Сферические, Вы же знаете.
- Штерн ставит цилиндрические!
Петров давно живет на этом свете, и давно ничему не удивляется. Но тут у него глаза полезли на лоб.
- Цилиндрические?!
- Цилиндрические!!!
Теперь уже Петров бросился к телефону.
- Маркин, сколько человек у нас занимается сферическими зеркалами? Триста? Немедленно всё сворачивайте! Переходим на цилиндрические. Конструкторов ко мне, через полчаса – совещанье.
И он пулей вылетел из кабинета.
- Ну, ребята, Вас Бог послал. Просите, что хотите!
Мы скромно взяли, что хотели и удалились.
Я крутил годовой: сферические, цилиндрические. Какая разница, пучок фокусирует и ладно. Главное, никто не поинтересовался, что за зеркала, какие у них размеры, из чего изготовлены, куда их ставить. А как всполошились! И решения крутые сходу приняли. Одного слова хватило, чтоб сменить технологию.
Да, ребята, спецы – большая сила. Особенно - ценящие чужой интеллект. Им никаких фотоснимков чертежей или записных книжек не надо, и даже конструкторов можно не красть.
С тех пор в кругу специалистов, я молчу, как рыба. И вам советую.
