О том, какие катализаторы нужны индустрии, как их разрабатывают и чем в этом вопросе может помочь природа, рассказал научный руководитель Центра природовдохновленного инжиниринга ТюмГУ, доктор технических наук Андрей Загоруйко.
Природовдохновленный подход – это заимствование у природы способов решения научных и технических задач. В отличие от схожих направлений (например, биомиметики или биомимикрии) буквального копирования природных решений не происходит. Речь идет о вдохновении – ученые берут у окружающей среды необычные и неожиданные идеи, которые на первый взгляд могут казаться очень далекими от области научной работы.
– Андрей Николаевич, можно ли утверждать, что такой взгляд (имеется в виду – природовдохновленный) на развитие технологий сегодня наиболее актуален? Почему?
– Нельзя сказать, что это принципиально новое направление, но, безусловно, актуальное по той простой причине, что оно дает конкретные полезные результаты.
– Центр прировдохновленного инжиниринга ТюмГУ, Институт катализа им. Г.К. Борескова и компания «Союзгазтехнология» в рамках природовдохновленного инжиниринга создают катализаторы. Для чего они нужны?
– Да, мы вместе работаем над рядом задач в сфере разработки новых катализаторов и каталитических технологий. Из них я бы выделил две. Они имеют особое значение для тюменского региона. Первая – это переработка газового конденсата. Так называется побочный продукт, который получают при добыче природного газа. Мы планируем частично превращать компоненты такого конденсата в водород, а затем обрабатывать этим водородом оставшуюся часть конденсата, получая метан, который можно вернуть в газопровод и транспортировать с основным потоком природного газа. Вторая задача – переработка попутного нефтяного газа. Она в некотором смысле обратна предыдущей: если в первом случае мы получаем газообразный продукт из жидкого, то здесь нужно из газа получить жидкость. Это можно сделать с помощью каталитического процесса, результат которого – углеводороды, в том числе топливной фракции. Они подлежат транспортировке с удаленных мест нефтедобычи «на большую землю» по нефтепроводам или обычным транспортом. Такие продукты используются и на месте – в качестве автомобильного топлива.
Решение только этих двух задач позволит потушить факелы, на которых сейчас сжигаются отходы. Это чрезвычайно важно как с точки зрения дополнительной выработки ценного углеводородного сырья, так и для защиты окружающей среды. Фактически сжигание газового конденсата и попутного нефтяного газа – две ключевые и наиболее актуальные экологические проблемы в нефтегазовой сфере России.
– Какая роль отводится катализаторам?
– Упомянутые процессы принципиально осуществляются с помощью катализаторов. Они обеспечивают эффективное протекание целевых химических превращений. Наш оригинальный задел – использование катализаторов нового поколения. Они созданы на основе структурированных микроволокнистых носителей, отличающихся высокой активностью в нужных нам химических реакциях, интенсивным массообменом, низким гидравлическим сопротивлением и высокой теплопроводностью. Все эти свойства имеют решающее значение для описанных задач.
– Как в этом случае реализованы природовдохновленные подходы?
– Мы подсмотрели у природы, как организован лист у растений – в нем есть микроскопические клетки, соединенные микроканалами для транспорта воды. Эти микроканалы объединяются в более крупные, те – в целые артерии. Весь лист четко структурирован на разных масштабных уровнях – от микронов до сантиметров, что позволяет ему эффективно выполнять функции: поглощать свет, вырабатывать биомассу, используя воду, и сохранять устойчивость к ветру, жаре, холоду и прочим природным воздействиям.
Мы использовали идею такого же многоуровневого структурирования от активных центров катализатора, измеряемых в нанометрах, до микронных микроволокон, миллиметровых нитей, тканей, и, наконец, до конструкции реактора, размер которого может достигать нескольких метров. Мы получили катализатор, где хорошо работают активные компоненты, эффективно осуществляется транспорт реагентов и обеспечивается нужная интенсивность теплообмена для качественного управления температурой в процессе. При этом он гибкий, прочный, устойчивый к механическим и температурным нагрузкам, стабильный при эксплуатации.
– Какие еще задачи могут решать подобные катализаторы?
– Мы уже создали такие катализаторы для глубокого окисления органических веществ. Их можно использовать для решения природоохранных задач – например, для очистки от токсичных органических примесей отходящих газов предприятий. Они уже применяются в промышленности. Сейчас работаем над технологиями эффективного сжигания газового и жидкого топлива для экологически чистой тепловой энергетики.
– Какие еще природные примеры могут вдохновить или уже вдохновили исследовательскую группу?
– Примером природовдохновленного инжиниринга является предложенный нами новый метод синтеза катализаторов. Он основан на использовании осаждения активного компонента на поверхность катализатора из мелкодисперсного тумана – капель микронного и субмикронного размера. Мы назвали такое нанесение «каталитической росой» – именно так выпадает роса на листьях рано утром. Оказалось, что добытый таким способом катализатор намного активнее традиционного, получаемого обычной пропиткой носителя раствором активного компонента. При этом количество активного компонента можно снизить в три-четыре раза без ухудшения качества катализатора в целом. Учитывая, что в качестве активного компонента часто используются благородные металлы (например, платина), разница весьма заметно снижает себестоимость.
Другая важная идея связана с тем, что в живой природе все процессы цикличны. Все время идут непрерывные изменения, что позволяет организмам наилучшим образом адаптироваться к условиям их существования. В химической технологии также можно перейти к динамической или нестационарной парадигме, в которой мы «раскачиваем» систему целенаправленными внешними воздействиями. Оказывается, такой подход позволяет существенно упрощать и удешевлять каталитические установки, снижать энергоемкость каталитических процессов, повышать выход целевых продуктов и пр. Самое интересное, что подобные методы оказываются более устойчивыми и простыми в управлении.
Напомним, Центр природовдохновленного инжиниринга ТюмГУ был создан в 2022 г. в рамках реализации одноименного стратегического проекта программы «Приоритет 2030».
Источник:
Управление стратегических коммуникаций ТюмГУ
