Новости

25 мая, 2021 13:14

О пользе бесполезного. Лаборатория мирового уровня разбирается с отходами

Источник: Поиск
Сколько существует человечество, столько существуют и отходы. Уже в древних поселениях определяли специальные места, где люди оставляли бытовые отбросы. Вплоть до XIX века они временами представляли собой эпидемиологическую опасность, но разлагались, так как были органическими веществами и материалами, не загрязняющими природу. С развитием индустрии остро встала проблема вещей не на своем месте – мусора, а вместе с ней и задачи его переработки. С началом широкого использования нефти ситуация только ухудшилась: появились отходы, которые и вовсе не разлагаются.
Академик РАН Валерий Мешалкин. Источник: Научная Россия

В свое время Дмитрий Иванович Менделеев опубликовал статью «Отбросы или остатки (технические)», где указал, что накопление отходов стесняет промышленность, а многие промышленные отбросы неспособны к естественному разложению, как это происходит в природе. Ученый привел много примеров полезной переработки, отмечая, что «утилизация отбросов, говоря вообще, есть превращение бесполезного в ценные по свойствам товары и это составляет одно из важнейших завоеваний современной техники».

В конце XX века решение проблемы мусора было простым: пластик и другие трудноразлагающиеся материалы попросту вывозились в страны третьего мира. Так в Африке возникли целые регионы, утопающие в мусоре развитых стран. В XXI веке стало понятно: это не решает проблему, а только усугубляет ее. Сегодня задача переработки отходов – одна из насущнейших.

По степени влияния на окружающую среду отходы делят на чрезвычайно опасные (они не разлагаются, и экосистема после них не восстанавливается), очень опасные (долго разлагаются, экосистема восстанавливается почти треть века после полного ее очищения от таких отходов), опасные (экосистема восстановится через 10 лет после уничтожения источника), малоопасные (на восстановление баланса в природе нужно не менее 3 лет) и неопасные (экосистема не нарушена). Такая классификация возникла из тех соображений, что бóльшую часть мусора в России не перерабатывают, а отвозят на свалки. Там он валяется десятилетиями, что нарушает экологию.
По данным Росстата, на территории РФ к настоящему времени накоплено около 40 миллиардов тонн твердых и жидких промышленных отходов, под размещение которых, по экспертным оценкам, занято от 4 до 7 миллионов гектаров земли. Темп формирования промышленных отходов составляет 5-7% в год или 6,0-7,0 миллиардов тонн в гогд. Более 90% отходов, образующихся на предприятиях добывающего сектора экономики, – это отходы, возникающие при добыче полезных ископаемых. Остальные 7-10% отходов производят перерабатывающие отрасли промышленности: металлургическая, машиностроительная, электронная, электротехническая, химическая, нефтехимическая, агропромышленный комплекс, строительство, транспорт и т. п.

Недавно в рамках проекта Российского научного фонда в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете), в котором трудился Д.Менделеев, состоялось открытие лаборатории мирового уровня. Она займется проблемами предотвращения образования отходов и их переработкой, экологической безопасностью промышленных производств. Это чрезвычайно важно прежде всего для нефтегазохимии, металлургии, топливно-энергетического комплекса. В состав нового научного подразделения вошли ведущие кафедры СПбГТИ(ТУ), имеющие успешный опыт нахождения научно-обоснованных решений в области энергоресурсноэффективных технологий переработки отходов 3-5 классов опасности. Коллектив лаборатории мирового уровня составили научные группы кафедр: процессов и аппаратов, технологии сорбентов, технологии редкоземельных элементов, технологии катализаторов, САПРиУ. Всего – 27 человек, более половины из которых – аспиранты, молодые преподаватели и научные сотрудники.

«Я рад, что коллеги оказали мне честь, выбрав научным руководителем лаборатории мирового уровня, – рассказал «Поиску» академик РАН Валерий МЕШАЛКИН. – Тематика исследований суперактуальна. Она соответствует главным целям, сформулированным Генеральной Ассамблей ООН в программе «Преобразование нашего мира: повестка дня в области устойчивого развития на период до 2030 года». Наша задача – сделать максимум возможного для рационального использования природных ресурсов, охраны окружающей среды от выбросов опасных химических веществ и материалов».

По словам ученого, развитие так называемой круговой или циклической экономики – насущная необходимость.

– Валерий Павлович, грант РНФ, полученный на 2021-2024 годы, дан на разработку технологий переработки отходов 3-5 классов опасности, причем с получением полезных конкурентоспособных продуктов. О чем речь?

– Защита воздуха от вредных и токсичных веществ – важная проблема современности. Отходящие газы содержат, как правило, от 0,05 до 0,4% объема токсичных соединений, которые по санитарным нормам запрещается выбрасывать в атмосферу. Нужна дополнительная очистка. Но во многих отраслях химической, металлургической, электронной, топливной промышленности и энергетики, связанных с высокими температурами протекающих процессов, из реакторов выходят смеси газов, содержащие оксиды азота, а в некоторых случаях и пары азотной кислоты. Улавливание их обычными сорбентами до нужной степени очистки требует длительного времени, а значит, и большого объема используемого сорбента, стоимость которого довольно высока. Соответственно, дорога очистка газа в целом. Кроме того, необходимо утилизировать или захоранивать отработанный сорбент, а это опять траты и на оборудование, и на энергию. Особое значение имеет очистка от нитрозных газов, образующихся в активно используемых последнее время установках сжигания промышленного и бытового мусора. Суммарное количество ежегодно образующихся оксидов азота составляет 70 миллионов тонн.

Российский научный фонд оценил значимость предложенного проекта, профинансировал его и тем самым позволил нам приступить к разработке способа улавливания нитрозных и оксидных соединений из промышленных газов, который позволит уменьшить объем аппаратуры для очистки отходящих промышленных газов от нитрозных соединений. Отработанный абсорбент – раствор нитрата марганца – ценный рыночный продукт, имеющий высокую стоимость. Проект предполагает создание технологии выделения чистого товарного нитрата марганца и освобождение его от примесей.

Кроме того, планируется разработка универсальной технологии получения блочных катализаторов очистки отходящих газов с пониженным содержанием благородных металлов. Снижение, а в некоторых случаях и полное исключение использования благородных металлов, возможно за счет введения в структуру катализаторов композиций из переходных металлов, которые содержатся в различных техногенных отходах. То есть, работая над проектом, мы видим возможным создание базы данных техногенных отходов, которые могут стать сырьем для производства катализаторов газо-очистки. Такая работа, несомненно, является перспективной.

– А промышленность заинтересовал ваш проект?

– Сегодня растет существовавший и ранее дефицит производства носителей, сорбентов и катализаторов, особенно специального назначения, причем не только в количественном и качественном отношении, но и прежде всего в ассортиментном. Причина – разрушение или бездумное перепрофилирование в последнее десятилетие большинства из имевшихся немногочисленных опытно-промышленных производств катализаторов, способных выпускать мелкосерийную и опытную продукцию разнообразного ассортимента со специфическими свойствами и гарантировать их надежность. Зная это, мы предусмотрели в проекте разработку технологии металлических катализаторов с оксидной пленкой и пористым покрытием из фольги металлов и сплавов, включая отходы машиностроительных производств (проволоку, стружку, ленты), а также блочных катализаторов сотовой структуры на их основе. Думаю, бизнес, познакомившись с нашими разработками, ими заинтересуется.

На предприятиях цветной металлургии, нефтехимической и химической промышленности образуются отходы, содержащие такие ценные компоненты, как редкие, цветные или благородные металлы, в количествах, зачастую превышающих их содержание в поступающих на переработку в первичных рудах и концентратах. Объемы некоторых из таких отходов бывают весьма велики. Это позволяет рассматривать упомянутые выше отходы как перспективные сырьевые источники для получения дополнительных количеств ценных и дефицитных металлов. При этом одновременно может быть решена и важная экологическая задача утилизации отходов, зачастую занимающих значительные площади.

В качестве индустриального партнера гранта выступает ООО «Нэорециклинг», хорошо известное в Санкт-Петербурге предприятие реального сектора экономики. Основными объектами ООО «Нэорециклинга» являются строящийся портовый термина в Усть-Луге, «Водоканал-Санкт-Петербург» и другие. Интерес фирмы к разработкам лаборатории мирового уровня обусловлен возможностью освоить современные природоохранные технологии и подготовить кадры. Мы рассчитываем на плодотворное и взаимовыгодное сотрудничество.

– Задачи грандиозные. Вы рассчитываете их решить силами одной лаборатории?

– Работа объемная, я надеюсь, что наша лаборатория будет иметь тесные контакты со всеми ведущими химико-технологическими университетами РФ: Ивановским, Волгоградским, Тамбовским, Тульским, Белгородским, Южный федеральным, Российским химико-технологического университетом им. Д.И.Менделеева, – вступил в беседу врио проректора по научной работе СПбГТИ (ТУ), профессор Александр ГАРАБАДЖИУ. – Мы планируем сотрудничать и с выдающимися учеными в области переработки отходов и охраны окружающей среды из Финляндии, Италии, Германии, Великобритании, Испании, которые готовы даже в политически сложные времена продолжать активно работать с российскими учеными. Причем в нашем вузе привлекаем к этому молодых специалистов, магистрантов, аспирантов.

– И весь спектр необходимых квалификаций и оснащения в лаборатории уже собран?

– Наш грант было непросто выиграть, но мы представляли, что он позволит развить инфраструктуру лаборатории, ее аппаратурное и программное обеспечение. Последнее, замечу, предполагает тесное сотрудничество со специалистами в области информатизации и цифровизации, причем не только российскими. Скажем, кафедра САПРиУ, которую возглавляет Тамара Чистякова, сотрудничает с немецкими учеными, что тоже способствует развитию проекта.

– Лаборатория уже полностью оснащена оборудованием и обеспечена расходными материалами?

– Кафедры университета, которые вошли в состав лаборатории мирового уровня, обладают немалым набором современного аналитического оборудования, а что касается реактивов и расходных материалов, то смета гранта позволяет приобретать необходимые препараты для исследования. Хотя денег всегда не хватает, но тут предусмотрена помощь индустриального партнера.

– Александр Васильевич, вы сказали, что грант было непросто выиграть. Почему? Он, похоже, уникальный.

– Конкурсы РНФ всегда привлекательны для исследователей, а номинация «Лаборатория мирового уровня» интересна еще и тем, что после четырех лет работы проект может получить продление еще на три.

– Суммируйте, пожалуйста, какие результаты самые ожидаемые?

Ответ дал руководитель лаборатории В.Мешалкин: «В соответствии с условиями гранта, коллектив должен ежегодно публиковать по 10 статей в журналах мирового уровня (Scopus, WoS) и проводить научную школу для молодежи с приглашением на нее не менее десяти выдающихся ученых. Надеемся получить данные по эффективности различных оксидов марганца для очистки отработанных промышленных газов от азотсодержащих и нитрозных соединений, доведем до ума процессы более полного извлечения платиновых металлов из отработанных растворов аффинажного производства, определим наиболее перспективные направления применения разработанных материалов для очистки газовых (воздушных), жидких (водных) сред, грунтов и почв от загрязняющих компонентов различных химических классов и строения».

– А кто конкретно может стать потребителем результатов этих исследований?

– В планах – разработка комплекса технологий, которые будут интересны предприятиям химической, нефтехимической, металлургической и других отраслей экономики России. В том-то и ценность грантов РНФ, что они позволяют исследователям сосредотачиваться на актуальных фундаментальных направлениях, которые с высокой вероятностью будут востребованы индустрией страны. А залогом успеха служит необходимость широкого привлечения к работе молодежи: бакалавров, магистрантов и аспирантов.

23 июня, 2021
Приморские ученые — на пороге революционного открытия в промышленной энергетике
Дальневосточники — на пороге революционного открытия в промышленной энергетике! В Институте Химии ...
22 июня, 2021
Молекула-рука поможет сортировать зеркальные изомеры
Химики из Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова предложили новый метод ...