Химическая магия: переработка пластиковых отходов, водородные двигатели и будущее без отходов
Фото: Shutterstock.
Когда в автомобилях будут использовать водород вместо бензина? Как превратить пластиковые отходы в моторное топливо? Почему «туалетная наука» — это передовой край научной мысли? Об этом и других чудесах химической магии в программе «Время науки» на Радио «Комсомольская правда» говорили радиожурналисты Мария Баченинина, академик РАН Александр Сергеев, научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ) и их гость Антон Львович Максимов, доктор химических наук, директор Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева, профессор химического факультета МГУ. 29 мая на Общем собрании Российской академии наук Антон Львович был избран академиком РАН. Пользуясь случаем, поздравляем академика Максимова с столь высокой оценкой его заслуг перед наукой!
ЧТО ТАКОЕ “ЗЕЛЕНАЯ ХИМИЯ”
Александр Сергеев
— Одним из участников атомного проекта был академик Игорь Васильевич Петрянов-Соколов — совершенно выдающийся человек и великий учёный. Он один из поставил первый вопрос – а можно ли работать с материалами с прицелом на будущее? То есть мы взяли компоненты из природы, сделали материал, дальше этот материал становится частью устройства или машины, а после этого происходит утилизация. Но утилизация умная, чтобы с точностью до каждого атома и молекулы, всё, что мы взяли из природы, мы могли использовать для получения других веществ. То есть, это такая зелёная химия, когда мы назад в природу-матушку ничего не возвращаем. Антон Львович, пришло ли время ставить задачу вот таким образом?
Антон Максимов
— В мире эта задача поставлена 15 лет назад — не меньше. Первоначально говорили о том, что мы должны научиться возвращать в экономику созданные органические материалы. Первоначально это делали примитивно — их сжигали для получения энергии. Но здесь есть проблема. Когда вы что-то сжигаете, вы выбрасываете в атмосферу диоксид углерода, а это нехорошо с экологической точки зрения. Поэтому на втором этапе стали пытаться эти материалы — полимеры — перерабатывать в новое изделие. С пластиковыми бутылками это уже работает довольно хорошо. Вы сдаёте бутылку, она определённым образом перерабатывается, добавляется какая-то часть нового полимера, и у вас получается новое изделие, например, новая бутылка. Третий путь — мы должны полимерные отходы, которые не можем переработать, научиться превращать в сырьё для получения новых полимеров. Скажем, в Японии 7% отходов проходят химическую переработку, 25% попадают в общий рециклинг, ну и остальное идёт в энергетику, то есть, получается тепло. При этом для переработки полимеров постепенно возрастает …
Александр Сергеев
— То есть, мы все меньше и меньше производим мусора?
Антон Максимов
— Да, но здесь ещё вторая часть очень интересна. На самом деле возникла концепция: когда мы с вами создаём какой-то новый материал, мы сразу должны продумать его полный жизненный цикл. Если мы создадим полимер, который после использования трудно переработать — это плохой материал.
Александр Сергеев
— А у меня есть один замечательный коллега из Соединённых Штатов Америки, который вот эту науку — что делать с отходами, называет «туалетная наука». И поскольку мы производим мусора всё больше и больше, эта «туалетная наука» приобретает всё более важную роль. Что касается атомной энергетики, то Росатом делает сейчас по-настоящему прорывной проект. Это замкнутый ядерный топливный цикл, когда радиоактивные отходы, которые образуются при получении энергии на атомных станциях, перерабатываются, а вновь созданное топливо используется дальше на атомных реакторах на быстрых нейтронах. И в целом задача выглядит так: переработать тот мусор, который мы накопили, и в природу вернуть радиационный фон, который не больше того фона, который создают радиоактивные вещества, когда мы их берём из природы. И эта задача, по-видимому, проецируется в целом и на химию?
Антон Максимов
— Вот классический пример: в 80-х годы наши отцы ездили на машинах, в которых двигатель в лучшем случае соответствовал экологическому стандарту евро-2. Это значит, не очень хороший бензин и большие выбросы. В 90-х это стало понятно, появились стандарты евро-3, евро-4, потом евро-5 для двигателей, соответственно, появились новые требования к топливу. И в результате возникли технологические новые процессы, которые удаляли серу, удаляли вредные вещества из топлива. Это дорого. Ясно, то что было раньше — оно дешевле. Но это плата за то, чтобы условия нашей жизни улучшились. Чтобы мы и наши дети меньше болели. За комфорт и безопасность.
ЧТО ЗАПРАВЛЬ В БАК: БЕНЗИН, ВОДОРОД ИЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО?
Александр Сергеев
— И вот тут самое время поговорить про водород, точнее про водородное топливо.
Фото: Shutterstock.
Мария Баченинина
— Кстати, а что будет, когда все машины перейдут на электричество, водород и т.д.? Допустим, я хозяин какого-то нефтяного гиганта — что будет с ним? Что будет с нашей экономикой? Я ведь тоже с одной стороны за экологию, а, с другой стороны, за то, чтобы зарплату получать.
Антон Максимов
— А вы знаете, почему мы переходим с нефти на электробиль?
Мария Баченинина
— Нет.
Антон Максимов
— На сегодня есть две причины. Первая состоит в том, что выбросы двигателей внутреннего сгорания – это очень небольшие концентрации, их уже очень трудно уменьшить. Это скорее проблема крупных городов. А мы всё-таки хотим снизить выбросы диоксида углерода и контролировать парниковый эффект. А вторая причина состоит в том, что нефть гораздо интереснее превращать в продукты нефтехимии. Где-то лет 15 назад химики заговорили: а давайте превращать всю нефть не в топливо, а в нефтехимию. Конечно, мы понимаем, что нефтехимия по масштабам меньше, чем нефтепереработка. В год у нас перерабатывается 4.5 миллиарда тонн нефти, а для нефтехимии — хорошо, если 500 миллионов тонн. То есть, это процентов 10-12. Основная нефть всё-таки по-прежнему уходит на топливо. Но если раньше нефтеперерабатывающие заводы использовали где-то 7% нефти на производство нефтехимии, то сейчас уже стареют 15-20%. Уже появились огромные заводы, которые 40-45% нефти превращают в нефтехимию. А сейчас есть несколько проектов, которые планируют поднять эту долю до 80%. И в общем понятно, как это сделать.
Фото: Shutterstock.
Александр Сергеев
— Это глубокая переработка нефти, которая даёт меньшее количество продукта, но он в разы ценнее, чем топливо.
Мария Баченинина
— Антон Михайлович, вы говорили про водород. Понятно, что водород — это экологически чистое топливо, но оно ведь и жутко взрывоопасное.
Антон Максимов
— Да, эти проблемы уже решили. И двигатели на водороде сейчас такие же, а, может быть, ещё более безопасные, чем обычные двигатели. Водородное направление очень интересно. С одной стороны, здесь вроде нет никакого энергетического преимущества. Поскольку для того, чтобы выделить чистый водород, вы должны затратить больше энергии, чем будете использовать в двигателях автомобилей. Но есть преимущество в плане экологии. Мы бы хотели, чтобы в мегаполисах было чисто и хорошо дышалось. Но я бы всё-таки вернулся к экономической стороне вопроса. Если на эту стезю ставить – сделаем наши города чистыми и переведём транспорт на водород — это значит, что появятся объемы, которые нужно закупить. Тогда должно появиться производство, которое этот водород будет производить. Как тут развивается ситуация в мире? Прогнозируется ли большая потребность в водороде? Могли бы мы тоже стать производителями и экспортерами водорода?
Антон Максимов
— Водорода в том концентрированном виде, в котором он нам нужен, в природе практически нет. Понятно, что водород может образовываться в земной коре, но вопрос месторождения — это к геологам. А химически мы его получаем либо из воды, либо из углеводородов. Из воды это делается так: берем воду, уголь, немножко кислорода, всё это нагревается и даёт вам диоксид углерода и водород, который вы уже можете использовать. Этот водород называется голубым, если диоксид углерода закаплем. Но из угля обычно делают водород в Китае, а в России водород получают из углеводородов по реакции с водой. В общем, традиционно получение водорода из метана – это основа нашей азотной промышленности, промышленности удобрений.
Фото: Shutterstock.
Александр Сергеев
— Сейчас выяснилось, что в России есть избыточки водорода на многих нефтеперерабатывающих предприятиях. Но возникает вопрос транспортировки и хранения — это одна из самых главных проблем при использовании водорода. Поэтому в подавляющем большинстве случаев водород используют там, где его производят.
АММИАК И МЕТИЛОВЫЙ СПИРТ ВЫТЕСНЯТ МАЗУТ
Александр Сергеев
— Они же маленькие, атомы водорода, они везде пролезают, портят стенки трубопроводов и так далее…
Антон Максимов
— А ещё у него очень низкая плотность. И это большая недостача. Потому что даже если вы закачаете водород в баллон при давлении 700 атмосфер, то вы будете иметь всего лишь 47 граммов водорода на литр объёма.
Мария Баченинина
— Если сравнивать литр водорода и литр бензина – на каком топливе машина дольше проедет?
Антон Максимов
— В пересчетах на килограммах водород имеет энергетическое содержание в несколько раз больше, чем бензин, только килограмм водорода занимает такой объём, что, грубо говоря, займёт весь бензобак. Это первое. Второе, что очень важно – это КПД топлива. Если вы посмотрите бензиновый или дизельный двигатель, то там КПД превращения топлива непосредственно в движение, по разным данным, 16-25 процентов. У водородного топлива вместе с топливным элементом КПД достаточно высокий – порядка 50-52% сейчас, а потенциально он может быть существенно выше. Получается интереснее, чем бензиновый двигатель, если бы водород научились хранить компактно.
Мария Баченинина
— Получается, водород — великан в стране лилипутов…
Антон Максимов
— Перевести весь транспорт на водород будет проблематично. Тут мы упираемся в места и в инфраструктуру — выигрыш от того, что вы на Азс легко заправляетесь либо бензином, либо сжиженным углеводородным газом, пока существенно выше, чем выигрыши от использования водородного топлива. Внутри городов, скорее всего, хорошо пройдут электромобили. А водород, как сейчас выясняется, очень интересен, когда речь идёт о больших расстояниях, о каких-то специфических применениях. Например, речной флот в каком-то варианте. Водород не загрязняет окружающую среду и, в отличие от аккумуляторов, позволяет передвигаться на существенно большие расстояния, работает не только при высоких, но и при низких температурах. А вот с морскими перевозками не всё так просто, похоже, там проще переходить на производные водорода. К ним относятся аммиак, как ни странно, и метиловый спирт.
Мария Баченинина
— Подождите, там же задохнутся можно на этом судне.
Антон Максимов
— Ну, это прямо скажем, некое преувеличение… Аммиак, либо метиловый спирт могут вытеснить мазут, который в общем-то является очень тяжелым топливом. У него большие выбросы и требования к нему намного ниже, чем именно тот же бензиновый или дизельный двигатель. Поэтому, чем чаще будет переходить на водород в местах, где нам нужен много энергии для химических процессов, и там, где нужен водород, как химический реагент, речь идёт о том, что в СССР называли азотной промышленностью. И это, конечно же, нефтепереработка. Потому что с помощью водорода не только улучшается качество топлива, но, самое главное, удается существенно большую долю нефти превратить в хорошее топливо. Вы, наверное, знаете, что мы обычно получаем топливо из легкой фракции нефти. А если взять среднюю фракцию, в ней уже существенно меньше водорода. И чтобы получить хорошее топливо, среднюю фракцию надо насытить водородом. Но у нефти есть ещё тяжёлые фракции, то, что мы называем остатками, гудроном. Чтобы эти почти твердые остатки перерабатывать в бензиновое и дизельное топливо нужно ещё больше водорода. Фактически водород позволяет превратить почти 100% нефти — ну, во всяком случае 96% — в моторное топливо или в химию.
КАК ИЗ ДВУХ ВИДОВ ОТХОДОВ СДЕЛАТЬ “КОНФЕТКУ”
Александр Сергеев
— Тут, я, наверное, должен взять инициативу в свои руки и рассказать, что Антон Львович фактически был руководителем работы по очень интересной тематике. Как из двух отходов сделать «конфетку». У вас есть тяжёлые гудроны, которые остались как самые тяжёлые фракции нефти после переработки, там много углеводорода и относительно мало водорода. С другой стороны, есть отходы в виде пластиковых бутылок и всяких пластиковых пакетов, которые, наоборот, относятся к очень легким углеводородам. Там углерода имеет большую концентрацию относительно водорода. Там углерод имеет больше концентрацию относительно водорода. И если суметь подобрать правильный катализатор, то можно одновременно сделать из гудрона конфетку и Гольфстрим очистить от бутылок. Эта чудо было создано, и сейчас, насколько я понимаю, уже несколько предприятий его используют…
Фото: Евгения ГУСЕВА.
Сейчас выяснилось, что в России есть избыточки водорода на многих нефтеперерабатывающих предприятиях. Но возникает вопрос транспортировки и хранения — это одна из самых главных проблем при использовании водорода. Поэтому в подавляющем большинстве случаев водород используют там, где его производят.
