«Наука, пора выходить из лабораторий»: Минниханову показали «зеленую химию»

«Черный» фосфор для человека и производства: что между ними общего

Российская академия наук сегодня держала экзамен перед промышленниками республики. Казанский филиал РАН представил на заседании совета директоров АО «Татнефтехиминвест-холдинг» результаты многолетних научных изысканий и технологий, которые могли бы встать на вооружение реального сектора экономики. Правда, презентация охватывала научные разработки только в области химии, микробиологии и генной инженерии, вдохновителем которых считается гендиректор ТНХИ-Х Рафинат Яруллин. Скорее всего, повестка нынешнего совета формировалась под его влиянием, поэтому каждое выступление представителя РАН было связано с химией и биологией.

Главный научный сотрудник Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова ФИЦ «КазРАН», профессор Дмитрий Яхваров раскрыл перспективное применение «черного фосфора» в химической промышленности.

Этот новый материал открывает возможности для создания эффективных катализаторов. Группа под его руководством создала технологию модифицирования европейских катализаторов Bosch и Haldor Topsoe, которые используются при получении карбамида и минеральных удобрений. Речь идет не об импортозамещении продукции, а об улучшении их свойств с точки зрения экологии. Ценность заключается в том, что производитель сможет снизить вредные выбросы в атмосферу. Технология может быть полезна в АО «Аммоний», которое работает в замкнутом цикле по переработке водорода, азота и воды.

Каким образом достигается экологический эффект? Секрет кроется в фосфоре: он является аналогом азота в таблице Менделеева и имеет сильное сходство с молекулярным азотом, при определенной химической цепочке элемент способен изменять ход реакции.

Но прежде чем погрузить аудиторию в «зеленую химию», Дмитрий Яхваров привел любопытные данные о роли черного фосфора в деятельности человека. «В человеке содержится до 1,5 кг атома фосфора, и большая часть его содержится в костях, в зубной ткани. Около 30% атомов фосфора находится в мозге и помогает быстро принимать решения», — рассказал он.

На научном языке процесс называется «гидролиз аденозинтрифосфата». «Когда утром вы открываете глаза, то знайте, что прямо в этот момент идет гидролиз аденозинтрифосфата, который фосфоризирует мышцу, белок сокращается и поэтому ваши глаза открываются», — пояснил ученый в разговоре с «Реальным временем».

Снижает углеродную нагрузку

Ученые положили этот механизм в основу технологии модифицирования катализаторов, которые используются при производстве карбамида. По словам Дмитрия Яхварова, фосфор способен катализировать переработку молекулярного азота из воздуха: «Наш метод позволяет получать карбамид (мочевину) в более мягких условиях, используя сырье с отрицательной стоимостью. Что это значит? Основными компонентами являются азот, вода и углекислый газ. Азот и воду мы можем брать прямо из воздуха. А углекислый газ, который будет использоваться в нашей технологии, — это техногенный CO2, выбрасываемый промышленными предприятиями».

— Важно, что этот процесс происходит при низких давлениях и температурах. Для сравнения, в промышленности для активации азота обычно используют очень высокие давления (около 200 атмосфер) и температуры (200—300 °C). Таким образом, модификация известных катализаторов черным фосфором избавляет от необходимости создавать такие экстремальные условия, — рассказал он.

— Наша разработка значительно снизит техногенную нагрузку, уменьшая вредные выбросы в атмосферу. В первую очередь это касается углеродной нагрузки. Производство аммиака (синтез Габера — Боша), которое сейчас осуществляется в промышленных масштабах, потребляет от 1 до 2% всей энергии Земли. Это огромная цифра, — отметил Дмитрий Яхваров разговоре с «Реальным временем».

Основной компонент — черный фосфор — ученые научились получать в лабораторных условиях. При рыночной цене 1 грамма фосфора 4,7 млн рублей ученые добились снижения себестоимости до 30 тысяч рублей. «В России мы были первыми, кто взялся за этот материал. Черный фосфор — это не просто новый элемент, это переход от привычной растворной химии к сложной химии материалов, требующей особого оборудования и уникальных компетенций. За эти пять лет мы не только освоили все тонкости, но и стали экспертами в этой области, успешно развивая наши исследования. Мы были первыми в России, кто вообще начал работать с черным фосфором. Почему? Потому что это такой материал, который требует совсем другого подхода — мы уходим от обычной «мокрой» химии к химии материалов. А для этого нужно и оборудование специальное, и умения особые. Вот за эти пять лет мы всему этому научились и теперь уверенно работаем в этом направлении», — рассказал профессор.

Нужна господдержка

Гендиректор ТНХИ-Х Рафинат Яруллин горячо поддержал ученых в этом направлении. «70 лет назад его [катализатор] первым выпустил Bosch. Если Россия получит новый катализатор, то наступит новая эра в производстве аммиака и карбамида», — заявил он. Рустам Минниханов согласился, заявив, что «решение интересное» и нужно «эту тему двигать».

Но готовы ли предприятия внедрять эту разработку? «Принципы «зеленой химии» привлекательны, но переход на экологические технологии увеличивает стоимость продукта. Государство должно создавать стимулы для их внедрения», — отметил Дмитрий Яхваров. — Хотя наши текущие разработки пока не могут конкурировать с промышленным производством, мы смотрим в будущее. Мы хотим сохранить благоприятную экологическую ситуацию для наших детей и внуков, которые будут работать на этих предприятиях».

Заведующий лабораторией молекулярно-генетических и микробиологических методов ФИЦ «КазРАН» Шамиль Валидов представил передовые генетические технологии, которые уже нашли применение в промышленной микробиологии и «зеленой химии». Он подробно осветил спектр деятельности лаборатории: от выделения и характеристики микроорганизмов до генной инженерии, редактирования геномов и оптимизации процессов ферментации. Эти направления тесно связаны с разработкой биопрепаратов и генетических технологий для сельского хозяйства, экологии и промышленной переработки отходов. В настоящее время также активно ведутся работы по переработке органических отходов с использованием биогазовых установок. Лаборатория успешно сотрудничает как с российскими, так и с зарубежными партнерами.

Директор ФГБУН «Институт химии растворов им. Г.А. Крестова» РАН Михаил Киселев представил целый комплекс технологий по глубокой переработке лубяных волокон, которые позволяют получать механизированные волокна. Из них получаются одежные и технические материалы с огнезащитными свойствами. По его словам, в настоящее время производство натуральных волокон в стране существенно отстает от мирового уровня. Это связано с падением импорта хлопка.

Современная химия научилась синтезировать любые вещества, поэтому технологии по глубокой переработке льна и конопли имеют большую перспективу. По его словам, объем мирового рынка натуральных волокон оценивается в $60 млрд в 2024 году, а к 2030 году ожидается увеличение до $108 млрд.

Рустам Минниханов дал поручение сформировать рабочие группы для детального изучения перспективных направлений, которые могут быть внедрены в промышленность республики для переработки сырья и производства функциональных материалов.

— Вам, наука, пора выходить из лабораторий в практическую плоскость — на рынки, и нашим предприятиям без инноваций будет сложно выстоять, — сказал он.

И добавил, что без использования достижений науки нельзя добиться значительного прогресса: «Только от нас самих зависит, насколько эффективно мы сможем применять ее достижения. В нашей республике имеются современные лаборатории и уникальные наработки, которые необходимо активно изучать и использовать».