Энергия катализа

Энергия катализа

13 июля 2010

О пути к высшей ступени признания – Государственной премии России – рассказывает ее лауреат 2009 года, директор Института катализа им. академик Валентин Николаевич Пармон:
- В формулировке Госпремии есть две компоненты. Первая из них непосредственно связана с моими личными научными интересами, с тем, что удалось реализовать в институте непосредственно при моем участии. Речь идет об использовании каталитических процессов для  преобразования и использования нетрадиционных и возобновляемых источников сырья и энергии. Вторая часть формулировки касается глубокой переработки углеводородного сырья – это проблема, которая стоит перед всем Институтом катализа уже 52 года, с момента его создания. Кстати, неявно была и третья компонента – образовательная: подготовка и поддержание кадров на должном уровне, их разумная ротация. У нас только в НГУ четыре профильных кафедры возглавляемые сотрудниками института, есть прямо связанные с нами кафедры в НГТУ и вузах других городов.

Что касается моих нынешних "персональных" интересов, то как директор очень большого института, я не имею права выделять какие-то темы. Но как химик-исследователь я бы остановился на проблеме возобновляемых источников сырья и энергии. Человечество должно готовиться заранее к тому, что у него закончится дешевая и близко залегающая нефть, – это задача не только нашего института, но и всей Российской академии наук и мирового ученого сообщества. И всегда, как только в мире возникает очередной энергетический кризис, эта проблема актуализируется. Поскольку я давно работаю в  области возобновляемых источников энергии и сырья, то отслеживаю пики интереса к новым источникам энергии еще с мирового кризиса  1х  годов, когда впервые всерьез заговорили о солнечной энергии. Потом были события 1960-х и  1970-х годов, когда ближневосточная "Война судного дня", оказавшая мощнейшее влияние на  во многие отрасли и сферы жизни. Тогда перед химиками всерьез поставили задачу использования энергии солнца для получения новых топлив. В СССР эта задача была четко сформулирована  Нобелевским лауреатом академиком Николаем Николаевичем Семеновым, ближайшим соратником которого по данным вопросам был мой учитель, тогда еще молодой Кирилл Ильич Замараев. Когда вместе с ним мы переехали работать в новосибирский Академгородок, то я - прежде всего для решения этой задачи путем создания искусственного аналога растений, преобразующих солнечную энергию в энергию химических топлив.

Моя лаборатория с тех пор так и называется – "Лаборатория каталитических методов преобразования солнечной энергии". 33 года тому назад эта задача считалась почти фантастической, но шаг за шагом мы стали подступать к решению проблемы каталитических реакций, воспроизводящих функцию фотосинтеза растений. И первая в стране докторская диссертация на эту тему была моей.

К настоящему времени  проблема преобразования солнечной энергии в энергию химических топлив  разделилась на несколько ветвей. Есть направление фотокатализа, где используются кванты света как таковые, это как бы комбинация химических и физических методов. При поглощении кванта света молекулой хлорофилла или его аналогов один из электронов этой молекулы становится намного более реакционно активным и способен и перейти  на другие молекулы. С помощью специальных каталитизаторов этот  процесс можно направить в сторону получения химических энергоносителей. В природном фотосинтезе таковыми веществами получаются сахара и кислород. Мы же хотели получить водород и кислород из чистой воды. В самом начале нашей работы мы использовали молекулярные фотокаталитические системы, самые интересные для исследования, но, к сожалению, и самые дорогостоящие. Впоследствии оказалось, что существуют также перспективные, но более дешевые системы, в которых объектом, поглощающим свет, становятся полупроводники. Полупроводниковый фотокатализ также может быть средством получения водорода и кислорода. Были найдены активные катализаторы для получения водорода из воды. Мы первыми создали искусственные катализаторы, способные окислить воду для получения кислорода. В принципе, задача разложения воды на водород и кислород  с помощью света к настоящему времени  решена, по пока эти решения неприемлемы с точки зрения экономики.

В основном, результаты получались и получаются на лабораторном уровне, в пробирках. Тем не менее, попутно мы создали фотокаталитические установки для решения другой важной задачи – очистки воды и  воздуха, и это направление оказалось более востребовано. Сегодня в России работают  четыре независимых производителя фотокаталитических установок для очистки воздуха, основанных на наших разработках, одна из таких установок стоит и в моем кабинете.

Одновременно с этим, когда мы стали решать проблему копирования фотосинтеза, то обратились к использованию не света, а тепла, излучаемого Солнцем. Я оказался одним из первых, кто обратил внимание на потенциальную возможность получения в этом случае достаточно высокого КПД преобразования солнечного тепла в химическую энергию. Мы довольно быстро сконструировали и построили первые опытные установки по термокаталитическому преобразованию солнечной энергии. Это произошло еще до распада СССР, и они, естественно,  испытывались в одном из самых солнечных  регионов великой страны  – в Крыму. Наши установки показали тогда рекордный по сей день  - 43 процента - КПД преобразования солнечной энергии в энергию химических  веществ,  в нашем случае, смеси водорода с окисью углерода (угарным газом), имеющей теплотворную способность намного выше, чем исходный материал – метан. Кстати,  сама по себе  эта смесь не взрывоопасна, но может, без сжигания, быть преобразована обратно в метан. В той установке были применены, не побоюсь этого термина, многие ноу-хау нашего Института катализа. Получился реактор наподобие хорошо известного физикам "чёрного тела", но на его внутренних стенках был размещен катализатор, обеспечивший под действием солнечного тепла превращение исходной смеси метана с водяным паром.

Мы построили замкнутую, экологически чистую систему, которая "питалась" извне солнечным теплом  и производила высокотемпературный энергоноситель. Испытания показали ее эффективность, мощность была доведена до 2-х киловатт. К сожалению, когда Россия стала намного меньше, мы потеряли полигоны для масштабирования этой разработки  – как в Крыму, так и в Паркенте (Узбекистан).

В национальных академиях этих республик пока много  своих проблем, прямого интереса к продолжению нашей тематики не наблюдается.

Когда мы работали с солнечным теплом, то одновременно обратили внимание и на то, что таким же термокаталитическим  способом можно преобразовывать и атомную энергию. При всех достоинствах у АЭС есть серьезнейший  недостаток -  необходимость поддержания практически постоянного режима работы. И поэтому возникают проблемы с регулировкой  выхода энергии в течение суток. Для решения этой задачи на Западе предложили достаточно сложную систему, в которой участвовал дополнительный  высокотемпературный атомный реактор с гелиевым котлом. Мы же предложили, нарушая отраслевые табу, поместить катализатор прямо в атомный котел и охлаждать его за счет каталитического получения химического энергоносителя.  Наиболее удачным получилось решение, когда в одной грануле ядерного топлива  мы совместили и ядерный энергоноситель, и катализатор. К сожалению, в настоящий ядерный котел тогда  нас "не пустили" (это был период чернобыльского шока), и не знаю, когда пустят – ядерщики все-таки оказались достаточно консервативны в плане технологического мышления. Но к достигнутым результатам мы всегда сможем вернуться.  Тем более, что работы не пропали даром – как с точки зрения решения научной задачи, так и с экономической: научившись работать с мощным ионизирующим излучением, мы попутно пришли к созданию других полезных устройств и  установок, которые вполне пригодились – например, для чрезвычайно нужного катализаторной промышленности прокаливания порошков оксидов металлов.

Дальше была решена очень важная проблема – аккумуляции низкопотенциальной тепловой энергии, порядка 100-150 градусов. Нам удалось – как раз силами моей лаборатории – предложить композиционные материалы, которые под действием низкотемпературного тепла отдают воду. При этом, конечно, запасается энергия; при увлажнении такой сухой системы эта энергия выделяется вновь в виде низкотемпературного тепла. Соответственно, промышленную "обратку" стало возможным не сливать и не гонять по кругу, а использовать для получения дополнительной энергии. А попутно созданные материалы  прекрасно показали себя как селективные сорбенты воды  – сегодня они в промышленном масштабе производятся в Омске.

Следующее направление всерьез оформилось в 1990-е годы, когда пошли резкие скачки цен на нефть и газ, приведшие к очередному экономическому обвалу. В эти годы  стали впервые задумываться о квалифицированном использовании биомассы растений – тем более в России, где 50% добываемого объема древесины не используется вообще. Соизмеримы и объемы растительных отходов сельского хозяйства. Возник вопрос о возможности преобразования этих ресурсов в высококачественные топлива взамен получаемых из минеральных ресурсов. На одном из европейских конгрессов по катализу мне довелось сделать первое сообщение на эту тему. Задача решается поэтапно: сначала биомасса преобразуется в жидкость, затем ей придаются свойства высокачественного горючего. Для прямого ожижения биомассы  в реакторе нужно создать очень быстрый – буквально на доли секунды – нагрев материала до температуры около 450 градусов. Если продержим дольше – пойдет газификация, наши усилия в прямом смысле обратятся в дым. Сейчас мы учимся управлять этим процессом и, таким образом, конвертировать в жидкую фракцию до 70-80 % исходного сырья, тех же опилок. Получаемая жидкость – "бионефть" -  чем-то напоминает дёготь, она малопригодна для прямого использования. Но с применением каталитических реакций можно удалить из  нее лишний кислород и получить полноценное топливо, либо сырье для дальнейшей химической переработки.

Другое применение биомассы, разработанное каталитиками, пусть более грубое – ее прямое сжигание с целью получения тепла. Как ни странно, многие виды растительных отходов негорючи – та же рисовая шелуха, которой в отвалах по этой причине только у нас в Краснодарском крае ежегодно прибавляется на сто и более тысяч, а в таких странах, как Таиланд и Вьетнам – миллионы тонн.

Шелуха по негорючести  эквивалентна низкокалорийным отходам угледобычи, в ней много кремнезёма.  Тем не менее, и то, и другое можно сжигать в каталитических генераторах тепла  и использовать, таким образом, для отопления. А получаемая из шелухи зола, кстати, является превосходным сорбентом, например, для очистки воды  – в рисоводческих районах, как известно, есть проблемы с питьевой водой. Если же дополнительно поработать с получаемыми золами, то можно получать углеродные материалы с уникальными свойствами. Нами, например, создан сорбент, в одном грамме которого содержится более 3.000 квадратных метров поверхности  - целое футбольное поле.

В поселке  Артышта  Кемеровской области на основе созданных в нашем институте каталитических генераторов тепла  запустили полноценную коммунальную котельную, работающую  на отходах угля. При выходной мощности в 3 гигакалории тепла в час  - это достаточно для отопления целого поселка - расход топлива уменьшился вдвое по сравнению с обычной "слоевой"котельной, использующей качественный уголь.  Частная компания "Термософт" не побоялась пойти на риск, вложила в разработку и строительство котельной свои  деньги и теперь целый поселок два сезона отапливается отходами угля и, вдобавок, без дыма. Тиражирование таких  котельных  стоит первым пунктом в соглашении о сотрудничестве между Сибирским отделением РАН и администрацией Кемеровской области. В каталитических реакторах можно прекрасно сжигать илы водоочистных сооружений, невзирая на их влажность. Сейчас мы ищем пути наиболее каталитического  сжигания лигнинов, что особо актуально в связи с  проблемой Байкальского ЦБК. Это прямое поручение полпреда Президента России в Сибирском федеральном округе Анатолия Васильевича Квашнина. Уже выяснилось, что в лигнинах, остающихся от работы ЦБК, достаточно мало серы, что делает их сжигание экологически комфортным.

Институт у нас большой, за десятилетия работы в области фундаментальной и поисковой науки  создано много заделов и поэтому налицо способность к быстрому и вариативному решению новых, считавшихся необычными, прикладных задач. Например, не столь давно мы научились перерабатывать молочную кислоту, легко получаемую посредством биотехнологий из доступного растительного сырья, в пропиленгликоль – крупнотоннажный химический продукт с высокой добавленной стоимостью. Сейчас в промышленности этот продукт получают только из нефти. Так что каталитики действительно готовятся к грядущей смене сырьевой базы как в энергетике, так и в химической промышленности.