Новые разработки СО РАН

25.01.2013



Газ просеять через сито

Углеродные молекулярные сита, разработанные аспирантом двух институтов СО РАН: Института химии твердого тела и механохимии и Института углехимии и химического материаловедения Александром Бервено, позволяют очищать воздух от метана и углекислого газа и перерабатывать попутный газ. За несколько лет идея от исследовательской работы доросла до отдельного предприятия ООО «Сорбенты Кузбасса».

Рассказывая о зарождении проекта, Александр Бервено говорит, что все началось с предложения НПО «Гелиймаш» создать более дешевые сорбенты, которые бы снизили стоимость газоразделительного оборудования. Это не был заказ в традиционном понимании, просто сотрудники завода поставили прикладную задачу, которую ученые могли бы попробовать решить.

- Работа была предложена моему научному руководителю, который передал проблему мне, говорит Александр. - Это случилось в 2004 году, тогда я написал проект на конкурс «У.М.Н.И.К», и мне дали денег на разработку. Сейчас мы уже имеем опытное производство, но все начиналось с теоретических расчетов, химических исследований, литературного обзора, мы также работали с различными материалами: ездили на шахты, пробовали разные угли, выбирали.

Изначально идея была сделать пору сорбента очень маленькой – размером с молекулу гелия. Сорбент работает как рыболовная сеть: если рыба соответствует ячейке сети, то попадет в нее и застрянет, маленькая – пройдет и ничего не заметит, а большая – просто обойдет стороной. С углеродным сорбентом и газом происходит примерно так же. Сделать пору размером с молекулу гелия пока не удалось, потому что не существует способа оценить размеры поры, которая менее 3 ангстрем. Но попутно были решены прикладные задачи: созданы сита для разделения гелия и метана; выделения кислорода, азота из воздуха; водорода, СО - из синтез-газа. Эти свойства можно использовать в промышленности для переработки попутного газа, очистки атмосферы на шахтах и так далее.

Получаемые сорбенты также можно использовать в электронике. Готовый продукт выглядит как порошок, его можно пропитать электролитом и использовать как носитель катализатора или как поглотитель заряда. После некоторых улучшений в соответствии с рекомендациями, его можно будет использовать при производстве аккумуляторов компанией ООО «Лиотех» и на ОАО НЗХК.

- Технология производства такова: берем обычный уголь, дробим его, а затем рассеиваем. Получаемая в результате пыль будет размером 0, 1 – 0, 3 мм, ее нужно собрать и поместить в установку низкотемпературной активации (400 градусов), затем подвергнуть краткосрочной высокотемпературной обработке (500-800 градусов). Готовый продукт – это порошок. В основном представленные на рынке сорбенты – это порошки, поэтому мы выбрали такую форму, - объясняет А. Бервено.

Зарубежные материалы для выделения, например, водорода делают с использованием углеродных волокон, что гораздо дороже. Для работы необходимо больше энергии, ведь температура нагрева этого материала 1500 – 2000 градусов, само собой, необходимо другое оборудование, более дорогостоящее. Отсюда складывается высокая цена конечного продукта.

- То есть наша технология получения сорбентов изначально более дешевая, - рассказывает Александр. - Кроме того, уголь, на основе которого создается сорбент, небольшой зольности, это тоже удешевляет производство, ведь его не нужно отмывать щелочами, мы не тратимся на них. Сырье поставляет новосибирское предприятие ЗАО «Сибантрацит». Мы проверяли разные угли: тощие, жирные, слабоспекающиеся, - но эти оказались наиболее подходящими. При переработке не используется азот, а, значит, нет его оксидов при выбросах, соответственно, у нас экологически чистое производство, которое не подразумевает штрафов. И материал в результате - более дешевый, - говорит ученый.

В 2012 году Александр Бервено с проектом «Энергоэффективная технология получения углеродных молекулярных сит для разделения газов и очистки воздуха» получил Зворыкинскую премию в номинации «Лучший инновационный проект.

Предприятие ООО «Сорбенты Кузбасса», которое было создано по итогам работы с углеродными молекулярными ситами, состоит из 5 постоянных сотрудников и большого количества консультантов, привлекаемых под определенные задачи. Например, с предприятием работают: профессор Университета Дрекслера, председатель совета директоров Y-Carbon Inc. (США) Юрий Гогоци, профессор, старший научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН Евгений Александрович Устинов и другие.

Пока выпускаются опытные партии по 5-6 килограммов, которые используются преимущественно для исследований не только в Кузбассе, но по всей России и даже за рубежом. Производственная площадка предприятия находится в Кемерово, она занимает 320 кв. метров, на которых располагается лабораторное и производственное оборудование, слесарный и токарный цехи и так далее. Существующие мощности позволяют производить до тонны сорбентов в год, но загружены они пока не полностью – только на 70%.

- Нам необходимо делать такой материал, который нужен потребителям – со своими свойствами, поэтому приходится все время дорабатывать и изменять технологию. Коллеги из Петербурга, например, попросили создать сорбент для очистки воды. Для нас это интересно, потому что этот рынок – около 10 млрд. долларов. При этом мировой рынок углеродных сорбентов 2 млрд. долларов, а в России потребность оценивается в 2500 тонн в год. Сейчас мы планируем подать документы на грант фонда Сколково размером 30 млн. рублей, чтобы разработать пилотную установку, которая будет производить до 20 тонн сорбента в год (стоимость такой установки – около 15 млн. рублей). В ближайших планах компании также получение патента в России, Америке и, возможно, Евросоюзе. Стоимость регистрации от 10 000 до 100 000 долларов и занимает она от года и более, - рассуждает А. Бервено. - Соответственно, если мы получим грант и реализуем задуманное, то сможем закрыть потребности рынка и провести испытания в промышленных масштабах.

Подготовила Юлия Позднякова

***

Наглядное пособие

В моем школьном детстве учитель географии называла карты весьма уважительно: наглядные пособия. Действительно, трудно, наверное, найти что-то очевиднее. Если смотреть по вертикали, то они прошли путь от схематичных изображений местности до спутниковых вариантов, на которых видно все, включая припаркованные во дворах машины. Однако этим назначения карт не исчерпываются: для того, чтобы как можно отчетливее показать какие-либо особенности местности, есть и специализированные, составленные геологами, биологами, социологами, экономистами, ботаниками.

Заведующий лабораторией экологии и геоботаники Центрального сибирского ботанического сада СО РАН доктор биологических наук Михаил Юрьевич Телятников рассказывает о новой разработке: карте экосистем основных нефтегазодобывающих и промышленно освоенных северных регионов России. «В первую очередь речь идет о Западной Сибири: это наиболее используемая человеком территория, кроме того, она находится ближе всего к нам», - поясняет ученый.

Если взглянуть на результат трехлетней работы лаборатории, можно увидеть, собственно, экосистемы – однородные контуры, окрашенные в разные цвета, выделенные по содержанию сообществ. «Легенда» расшифровывает, какие растения или их группы существуют в том или ином месте. «Основные разделы представлены сообществами зон и подзон. Далее идут подразделы, объединяющие экосистемы, приуроченные либо к песчаным и супесчаным почвам, либо к глинистым и суглинистым. Затем – учитываем структурные особенности ландшафта, вычленяем группы растений долин рек и водоразделов. Последние в свою очередь бывают дренированные, заболоченные, или заболоченные с озерными котловинами», - описывает карту Михаил Телятников. Таким образом, получается: используя ее, можно получить практически исчерпывающую информацию о том, что, на чем и в каком природном окружении произрастает.

Легенда карты представляет собой структурированные текстовые пояснения к изображению, а также условным знакам, которые используются при составлении карты. Другими словами, легенда толкует то, что мы видим на картинке.

Выполняя проект, ученые использовали современные ГИС-технологии. «Есть специальная программа для дешифрирования космических снимков: машина сама выделяет необходимые контуры. Сначала мы получили растровое изображение на основе спектральной характеристики исходника. Затем создали окончательный, векторный вариант карты», - рассказывает Михаил Телятников. По его словам, все же компьютер не может полностью понять, что от него требуется, и специалистам приходилось смотреть за процессом и делать необходимые поправки.

Не обошлось и без так называемых наземных исследований. За этим словосочетанием скрывается кропотливая работа геоботаников на местности: «в поле». «Мы добираемся в нужную точку на вертолете, ставим палатки и делаем описания растительных сообществ. То есть, пришли на место, смотрим: это тундра, допустим, лишайниковая. Причем, контур сообщества должен быть однородным, - объясняет ученый. - Мы переписываем все, что есть: мхи, лишайники, сосудистые растения. Потом смотрим, какие там почвы, сколько до мерзлоты, даем привязку по рельефу: склон это или терраса. Важен еще и микрорельеф: кочки, бугорки».

Как говорит ученый, полученное изображение можно будет начинать корректировать только лет через десять – и то минимально. Однако при антропогенной нагрузке пятна нарушенности становятся не просто видны – очевидны. Поэтому карта, по словам Михаила Телятникова, важна для проведения экологических экспертиз. В том числе, и по поводу только намечающегося строительства. «Реально будет посмотреть процент отчуждения сообществ, дать оценку и просчитать последствия, причем, вплоть до финансового расклада», - подчеркивает специалист. Кроме того, не стоит забывать и об исследователях других специальностей: например, зоологах и орнитологах (последние смогут увидеть природную обстановку в местах гнездования птиц). «Мы пытались указывать специальные растительные сообщества и местным жителям, оленеводам, - улыбается Михаил Телятников, - однако, они все равно пасут скот там, где привыкли это делать веками.

Екатерина Пустолякова

©РАН 2020