“ЗеленаЯ” химиЯ и ее дары

Оглянитесь вокруг. В каком бы помещении вы ни находились, вас непременно окружают вещи, выпущенные тем или иным химическим производством. В ванной – это мыло, зубная щетка, лосьоны и шампуни, в кухне - пластиковые бутылки и посуда, электрический чайник и холодильник, на рабочем столе - очки, авторучка, заключенные в пластмассовые корпуса компьютер и принтер, в спальне – синтетическое постельное белье, за порогом дома – автомобиль с кузовом из стеклопластика. да что там, разве все перечислишь?
С тем, что химия уже давно стала одной из основных составляющих повседневной жизни, сегодня не поспоришь. Однако вместе с огромной пользой это направление человеческой деятельности наносит все больший вред окружающей нас природе и самому человеку, прежде всего его здоровью. Это тоже неоспоримый факт.[!]
Пытаясь разрешить это противоречие, ученые поставили перед собой вопрос: а нельзя ли с помощью той же химии решить экологические проблемы, возникающие по ее же вине? Оказывается, можно. Именно об этом шла речь в Венеции на встрече министров образования и науки стран “большой восьмерки”, состоявшейся в минувшем декабре. Все документы, подготовленные и согласованные на этой встрече, будут представлены на обсуждение главам государств во время предстоящего саммита в Санкт-Петербурге.
А началось все прошлым летом в Канаде на встрече участников Группы Карнеги “Химия для устойчивого развития общества”, где министр образования и науки Италии Летиция Моратти предложила зарубежным коллегам создать международную ассоциацию The Carnegie Green Network.
Структура этой ассоциации достаточно проста. В ее основе - восемь исследовательских центров - по одному в каждом из государств “большой восьмерки”. Они отвечают за координацию работ на местах, а ученые-лидеры в области химической науки представляют интересы стран в самой организации.
Кроме стран “Большой восьмерки”, интерес к совместной работе в рамках The Carnegie Green Network уже выразили и такие государства как, Аргентина, Австралия, Египет, Марокко, Китай, Финляндия... Понятно, что деятельность новой ассоциации требует финансовых вложений. По предварительным подсчетам, ежегодный взнос государства-участника может составить примерно полтора миллиона евро.
...Словечко green – зеленая в названии Carnegie Green Network ведет свое происхождение от термина “зеленая химия”. Сторонники этого научного направления во всем мире решают одну и ту же задачу, - как получить нужный продукт, не нанеся при этом ущерба природе. Они считают, что лучше предотвратить загрязнение окружающей среды, чем потом от него избавляться.
Иначе говоря, “зеленая химия” нацелена на сокращение масштабов загрязнения путем его предотвращения. Для этого она предлагает такой отбор исходных материалов и последующих процессов, который вообще исключает использование вредных и опасных веществ. Конечно, это скорее идеал, чем ближайшая цель. Но ближайшая цель и состоит в том, чтобы как можно быстрее достичь идеала.
К своей цели новая наука приближается разными путями. Первый из них – использование в химических процессах катализаторов, которые резко снижают в производстве образование ненужных и вредных побочных веществ. Например, при переработке нефти почти три четверти продукции получают с помощью катализаторов.
Второй путь, который призван вообще изменить наши представления о промышленной химии, связан с заменой в технологических процессах традиционных растворителей. В настоящее время это, как правило, летучие пожаро- и взрывоопасные, а также токсичные органические вещества, производные нефти. Избавиться от них трудно, но можно. При этом особые надежды ученые возлагают на вещества в сверхкритическом состоянии. Газы в этом состоянии почти превращаются в жидкости, то есть их плотность приближается к плотности жидкости. Но главное в том, что при определенных давлении и температуре такие всем известные вещества, как углекислый газ или вода, приобретают необычные свойства, например, становятся мощными растворителями, по свойствам сравнимыми с традиционными органическими, но при этом совершенно безвредными и безопасными. Как только нужный продукт получен, можно снять давление, и газ просто возвращается в атмосферу.
К тому же сверхкритические жидкости обеспечивают такой уровень контроля в химических реакциях и при обработке материалов, который трудно достигается традиционными методами. Поэтому, скажем, кофеин из зёрен зелёного кофе извлекают сейчас в огромных масштабах именно с помощью сверхкритического углекислого газа. В отличие от своих органических „коллег“, он экстрагирует только кофеин, не затрагивая содержащиеся в зернах ароматические компоненты и не оставляя после себя никаких вредных следов.
Подобную технологию также используют для удаления хмеля при производстве пива, никотина из табака, а также различных ароматических веществ в парфюмерной промышленности. Сверхкритический углекислый газ находит применение и в других промышленных процессах. Причём не только химических, но и чисто технических, таких, например, как очистка машинных деталей от масла.
Третий путь, ведущий к целям “зеленой химии”, - широкое использование биомассы вместо нефти, из которой химические предприятия творят сейчас все многообразие веществ - конструкционные материалы, лекарства, парфюмерию и многое, многое другое.
Всего 80 лет назад вся химическая продукция, произведенная в Соединенных Штатах из нефтяного сырья, весила лишь сто тонн. А сегодня ее объем измеряется сотнями миллионов тонн в год. Однако “производительность” растений намного больше - каждый год они усваивают на Земле около 30 миллиардов тонн углерода. Так почему бы не позаимствовать органические соединения у растений?
Первый толчок к разработке этой идеи дал нефтяной кризис в 70-х годах XX века, когда в первый раз высоко подпрыгнули цены на нефть. Тогда-то в Америке и разработали биотехнологию получения топливного спирта из кукурузы. И не только разработали, но и построили несколько заводов, которые сегодня дают около десяти миллионов тонн. Полученный спирт добавляют в бензин, заменяя им опасный этилсвинец и заметно снижая в выхлопах содержание вредных газов.
Биотехнология оказалась столь рациональной, что сегодня цена топливного спирта вдвое ниже, чем цена спирта, получаемого по классической схеме, - 300 долларов за тонну против 600 долларов. Если же удастся снизить цену до 200 долларов и меньше, то тогда из растительной массы будет экономически выгодно получать этилен, который сегодня делают из нефти, и отправлять его на “прокорм” химической промышленности. И тогда в “большой химии” можно будет резко снизить потребление нефти.
В 2000 году президент Клинтон обратился в Конгресс с предложением разработать государственную программу по переводу химической промышленности страны на растительное сырье. Позже, уже при президенте Буше, Конгресс принял закон “Об использовании биомассы”. Задача ставилась четко и конкретно: через 5-7 лет разработать дешевую технологию, а через 25 лет перевести четвертую часть всей химической промышленности на растительное сырье - ту же самую кукурузу. Но тогда имелся в виду кукурузный крахмал, а сейчас в дело должны пойти стебли растения, то есть мусор, который фермеры прежде сжигали.
Большую часть этих бывших отходов можно превращать в глюкозо-фруктозный сироп – тот самый, который в Америке давно добавляют в различные сладости и газированные напитки. И этот сироп станет универсальным сырьем для химической промышленности. Кстати, его можно получать и из бытовых отходов, в частности, из бумаги и картона, около двух тонн которых каждый американец выбрасывает за год.
Конечно, от лабораторной схемы до рентабельной промышленной технологии путь неблизкий и сложный. Но можно не сомневаться, что результаты не замедлят появиться. Да что там не замедлят, они уже появились.
Сегодня в стране работает мощный завод по получению молочной кислоты из глюкозы. Производительность этого предприятия близка к теоретической: из килограмма глюкозы - килограмм молочной кислоты. Из этой дешевой кислоты делают твердый полимер. Он хорош тем, что бесследно и быстро – всего за две-три недели - разлагается в природе. Представьте исчезающие сами по себе выброшенные баночки из-под йогурта – не правда ли, впечатляет?
Таким образом, программа по использованию биомассы учитывает и интересы окружающей среды: промышленность использует возобновляемое сырье, и в результате не увеличиваются выбросы углекислого газа в атмосферу - сколько кукуруза забрала его из воздуха, столько туда и возвращается. А фермерам обещана мощная поддержка на общую сумму около 20 миллиардов долларов в год, поскольку они смогут продавать сырье, которое прежде предавали огню.
Очень важно, что использование “зеленых” методов в химической промышленности приводит и к снижению затрат - хотя бы уже потому, что исключает уничтожение и переработку вредных побочных продуктов и других отходов, поскольку они просто не образуются. А сопутствующее этим методам сокращение числа стадий производства позволяет экономить и затрачиваемую на него энергию.
Собравшиеся в Венеции министры это хорошо понимали. Поэтому первая намеченная ими на следующий год международная конференция будет посвящена проблеме “Энергия и химия”. Аналогичные собрания будут проводиться регулярно в рамках особого направления работы The Carnegie Green Network – подготовки кадров для “зеленой химии”.
Всем ясно, что без хорошо подготовленных специалистов осуществлять эффективные исследования и поиск новых технологий невозможно. Поэтому ассоциация планирует проводить силами ведущих ученых из разных стран летние школы и практические занятия, чтения специальных курсов, объявить научные конкурсы, поддерживать перспективные инновационные начинания.
Итак, Америка делает ставку на “зеленую химию”. Причина этого в том, что она потребляет треть всех мировых ресурсов: нефти, газа, металлов, пластмасс...
А эти ресурсы не бесконечны. Зависимость же экономики от ситуации с нефтью и газом, как показывают последние события, чрезвычайно велика и опасна. И “зеленая химия” дает возможность, по крайней мере частично, избавиться от этой зависимости. Только дешевые, сберегающие энергию и ресурсы технологии, которые при этом не причиняют вреда окружающей среде, смогут обеспечить успешное развитие экономики и как следствие - благополучие всего общества.