Чудеса творит... волшебная палочка

Но лишь недавно мы узнали, что все эти сто лет работаем с наноматериалами и нанотехнологиями.

— Иначе говоря, нанизм, о котором шутливо вспоминал совсем недавно в «Советской Сибири» академик Власов, пришел к вам внезапно?

— Да, — согласился Пармон. — Тем более что институт катализа с первого дня своего существования занимается, по сути, только наноматериалами и нанотехнологиями. Особенность нашей ситуации заключается в том, что нанонаправление в катализе, вставшее на ноги еще в двадцатые и тридцатые годы минувшего века, имеет дело с так называемыми функциональными наноматериалами.

— Это просто катализаторы? А почему они функциональные?

— Потому что катализаторы как конечный продукт никому вообще не нужны. Они нужны только как... волшебная палочка, чтобы провести нужное химикам превращение одного вещества в другое. Когда речь идет, к примеру, о наноэлектронике или микроэлектронике, то там наноструктуры и есть конечные продукты, конечный товар. А катализаторы — всего лишь вспомогательные вещества, всего лишь расходный материал для химиков. Но эти вещества, как говорится, дорогого стоят.

— То есть? Вы говорите об их значении или о стоимости катализаторов?

— О значении прежде всего. В мире объем производства самих катализаторов как функциональных материалов сейчас оценивается в тринадцать миллиардов долларов. А объем продукции, которую получают с помощью катализаторов, — это больше одного триллиона долларов в год. В США доля ВВП, получаемая с помощью катализаторов и каталитических технологий, в настоящее время оценивается в 30 — 35 процентов. В России эта доля меньше, но все равно это пятнадцать процентов от материальной составляющей нашего реального ВВП.

— Объем потребления катализаторов в России, — продолжал академик Пармон, — меньше, чем это было в Советском Союзе. Тогда объем производства катализаторов у нас составлял почти миллиард долларов. Данные эти точные, потому что наш институт в те времена выполнял роль микроминистерства катализаторной подотрасли промышленности. В те, последние для советской власти, годы мы курировали работу около двадцати пяти отраслевых организаций, институтов и ряда предприятий. И подавляющее большинство использовавшихся в стране катализаторов были отечественными, причем многие — разработанные с участием института. А потом пришли стагнация промышленности, развал, хотя именно сейчас химическая промышленность вновь резко набирает обороты и развивается. Прямых данных сейчас нет, но мы оцениваем нынешнее потребление катализаторов в России суммой около 500 — 600 миллионов долларов в год. Это только по стоимости самих катализаторов.

— А каков объем выпускаемой с помощью катализаторов продукции сейчас в России?

— Более одного триллиона рублей, но не долларов. Но и это совсем не мало. Уточню еще: все моторные топлива, все полимеры, все основные химические продукты — метанол, аммиак, азотная и серная кислоты, формальдегид, капролактам и т.д. — производят с помощью катализа. Нельзя не упомянуть, что катализ играет ключевую роль и в природоохранных технологиях. При очистке стоков, автомобильных выхлопов, выбросов предприятий — везде без катализаторов не обходятся.

— А почему все-таки у нас доля каталитических процессов в масштабе ВВП меньше, чем в Америке?

— Это хорошо известно. У нас значительно меньше глубина переработки нефти: у них она выше девяноста процентов, а в России лишь около семидесяти. Разница в пользу Америки набирается только за счет каталитических процессов. Причем очень тонких. Кроме того, у нас только недавно стали устанавливать в автомобилях каталитические нейтрализаторы выхлопов, а на Западе это массовая практика. По стоимости катализаторы для автомобилей составляют более трети общего рынка катализаторов в США.

Замечу еще, что в российской доктрине развития и поддержки нанотехнологий прямо уточняется, что усилия будут в основном направлены на новые направления. А мы вроде бы считаемся старыми. Так что нас, каталитиков, большой мешок денег для нанотехнологий почти не коснется. Тем более что реальные данные о роли каталитических процессов в экономике и промышленности страны многие просто не знают. Я видел некоторые документы, подготовленные для обоснования поддержки нанотехнологий. И обратил внимание, что в них раз в десять занижены и объем реального рынка катализаторов в России, и данные о роли функциональных наноматериалов, то есть катализаторов, в экономике страны.

Но ведь «рядом с нами» есть еще и сорбенты. Это тоже функциональные наноматериалы, но они не входят в разряд катализаторов.

— Валентин Николаевич! А нельзя ли точнее объяснить читателям, почему катализаторы и сорбенты тоже наноматериалы?

— Во-первых, в большинстве случаев в качестве волшебной палочки работает поверхность катализаторов. И от работающей величины поверхности зависит мощь их действия. Важно, какова рабочая поверхность на грамм веса катализатора. Чтобы поверхность была большая, активное вещество катализатора дробят на мельчайшие частицы. Чем меньше размер частиц, тем удельная поверхность катализатора больше. Современные катализаторы, с которыми работает промышленность, — это двести-триста квадратных метров на один грамм вещества. А размер самих активных частиц при этом порядка двадцати-десяти нанометров. Если бы рабочая поверхность у катализатора была маленькой, то его влияние оказалось бы ничтожным.

Все искусство химика-каталитика заключается в том, что сначала надо сделать вещество нужного состава, необходимого для ускорения реакции, а затем сделать так, чтобы созданное вещество было «доступным» реагентам, и добиться, чтобы частицы активного вещества были предельно маленькими.

Наконец, активный компонент катализатора — очень маленькая частица — находится на носителе. Держит эту активную частицу пористая матрица. Чтобы реагирующее вещество заходило куда надо, матрица тоже должна иметь очень маленькие поры, размером в десятки нанометров.

Нам нужен не просто катализатор, а такой, который доступен для превращения вещества. То есть с новыми свойствами и возможностями.

— Хорошо, если бы это поняли и те, кто принимает государственные решения. Выходит, что «старый» катализ и сегодня может решать новые задачи.

— Да, все современные катализаторы — это только наноматериалы. Либо «с точки зрения» размера активных частиц, либо с точки зрения размера пор. Вспомните про цеолиты — вы о них писали. Они представляют из себя ажурные структуры, в которых размер пор порядка одного-двух нанометров. Цеолиты можно найти и в природе, но для использования в качестве промышленных катализаторов они не пригодны. У них нет стабильности свойств. А мы занимаемся тем, чтобы эти материалы были использованы и в промышленности. Поэтому в промышленности используют только катализаторы, полученные из чистых веществ, включая искусственные цеолиты.

— Валентин Николаевич, вашему институту уже лет пятьдесят. Мой трудовой стаж более 50 лет. И все время институт катализа «звучит». Как это вам удается?

— Мы как раз в этом году отмечаем 50-летие института. Есть что вспомнить. Но главное — мы умеем не только проводить такие научные исследования, но и делать новые катализаторы, нужные для практики, а также разрабатывать технологии для их применения в промышленности. Между тем рождался наш институт в больших муках. Академия наук не относила катализ к «своему ряду», считала, что эта наука не фундаментальная, а прикладная.

— И если бы не академик Боресков...

— В данном случае, если бы не ЦК КПСС. Было принято очень правильное решение той государственной власти по созданию института, основным направлением деятельности которого явилась бы смычка между наукой и промышленностью по стратегическому направлению. Это когда была провозглашена стратегия «плюс химизация всей страны». То давнее постановление было подписано Хрущевым.

Когда приняли решение о создании института, начали искать директора. Приглашали на эту должность нескольких известных академических ученых, но они отказались ехать в Новосибирск. Предложили Борескову — тогда он был завлабом в отраслевом физико-химическом институте им. Л.Я. Карпова. Он согласился и проявил себя как выдающийся руководитель и ученый. Уже в шестидесятые годы институт катализа начал работать «с места в карьер» и одним из первых в СО АН СССР получил орден Трудового Красного Знамени.

— Валентин Николаевич, а какими научными и практическими результатами институт может сейчас помогать развитию страны? Где и в чем вы видите дальнейшие перспективы катализа и химии в целом?

— Есть несколько задач, которые можно отнести к очень важным и принципиальным. И для тех, кто занимается катализом как наукой, и для промышленности, хотя мы академический институт. Между прочим, наш институт среди химических институтов страны по рейтингу цитируемости за последние пять лет стоит на первом месте. Так что за отсутствие фундаментальности в исследованиях упрекать нас нельзя.

Среди важнейших задач есть те, которые важны только для науки о катализе. Но есть и те, которые связаны с будущим страны. Как академический институт мы довольно свободны в наших поисках и вольны выбирать направления своих работ. Но при такой свободе выбора мы не должны уходить от ответа на вопрос, куда должна идти отечественная химическая промышленность, какой она станет лет через двадцать. Тем более что большинство отраслевых химических институтов распались. И необходимость вести более плотное научное сопровождение промышленности «пала» на нас, на академическую науку.

Приведу несколько примеров. В СССР катализаторами занималось — представьте себе! — около 90 научных организаций. В том числе исследованиями в области переработки нефти. Что мы видим сейчас? В Грозном мощный специализированный НИИ перестал существовать физически, хотя бывший директор того института, а ныне член-корреспондент РАН Саламбек Хаджиев, который был даже последним советским министром нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, к счастью, сейчас здравствует и недавно стал исполнять обязанности директора института нефтехимического синтеза в Москве. Мы с ним сейчас обсуждаем, как использовать хотя бы парк сохранившихся в Грозном пилотных установок для испытания новых процессов. Но это только установки, железо. Прежнего научного коллектива института нет.

В Москве ВНИИ нефтепереработки сохранился. Но в нем уже практически нет тех, кто занимался разработкой катализаторов и новых каталитических процессов. Не занимаются теперь разработкой катализаторов и в Леннефтехиме Санкт- Петербурга. Люди ушли, состарились или занялись делами, далекими от науки. И остались «на этой теме» только два сибирских академических института — бывший Омский филиал института катализа (ныне институт проблем переработки углеводородов) и наш институт катализа да академический институт нефтехимического синтеза в Москве. И это все.

Вот почему одна из наших основных задач — консолидировать те ставшие немногочисленными силы, академические и проектные, чтобы вновь создать сильное звено по одному из важнейших направлений.

К важнейшим задачам чисто научного плана мы относим ответ на вопрос, что из себя представляют катализаторы, когда они находятся, как мы говорим, в среде превращающихся веществ-реагентов.

— А вы этого раньше не знали?!

— Мы чаще всего до сих пор имеем хорошие гипотезы, но не прямые экспериментальные свидетельства. Нам нужны эксперименты с возможностью следить за состоянием катализатора на уровне отдельных атомов и молекул, непосредственно в ходе каталитического процесса. Эта технология исследований называется «in situ» (ин ситу). Иначе говоря — в ходе процесса. Это огромная и очень сложная область работы. Подчеркну: работы в области фундаментальной науки.

Вторая — чисто научная задача. Вещество можно превращать по разным направлениям. К примеру, если мы будем окислять метан с помощью воздуха, кислорода, то проще всего получить углекислый газ. Но этот процесс нужен только тогда, когда надо получать энергию. А если мы хотим использовать метан в химии, то при взаимодействии с кислородом нельзя допустить окисления до углекислого газа. Требуется катализатор, который остановит процесс раньше, на полпути. Это называется селективностью действия катализатора... или по какому пути катализатор направит реакцию. Заслуга каталитиков 60 — 70-х годов школы Борескова в том, что в основном удалось разобраться, почему катализатор является активным и как его сделать активным (повторим некоторые из подходов: добиться мелкодисперсности, получить мелкие поры и т.д.). Но вот в теории селективности до сих пор много невыясненного, в основном опираются на эмпирику. И тут без глубокой фундаментальной науки, самых разных исследований не обойтись.

Ждут решения ученых и совершенно необычные проблемы. Одна из них — переизбыток информации. Сейчас завал научных публикаций в тысячах научных изданий. Прежде всего по химии и биологии. Человеку, даже интенсивно работающему, уже невозможно справиться с освоением и тем более переработкой информации, накопленной множеством исследователей. Ученые полагают, что есть возможность с помощью электронной техники делать интеллектуальный предварительный анализ всего, что опубликовано... не залезая в сами публикации. Над этим сейчас в Сибирском отделении РАН работает большая бригада биологов, химиков, математиков и ученых других направлений.

Это не просто ставший привычным поиск, когда машина ведет отбор статей по ключевым словам, без участия человека. Это использование логической взаимосвязи в словах, в текстах статей и т.п.

А начало идет от составления и анализа хороших словарей терминов для каждой области науки.

Назову без особой детализации еще несколько проблем более узкого плана. К примеру, я себя считаю специалистом по нетрадиционным методам катализа. Есть ряд каталитических процессов, которые можно стимулировать сильными физическими воздействиями, например, используя СВЧ-печи. Возможности СВЧ химики явно недоиспользуют. В то же время сейчас выяснилось, что здесь есть научные ниши, по которым надо работать. И уже прорисовываются новые и многообещающие для практики направления исследований.

Немало и очень жестких проблем государственного значения, которые ждут своего срочного решения. В частности, по использованию природного газа и легких углеводородов — попутных нефтяных газов. Особенно в Сибири. Президент страны В. В. Путин привел такую цифру: мы ежегодно сжигаем 35 миллионов тонн легких углеводородов, извлекаемых из земли как попутные нефтяные газы. Особенно пропана и бутанов. Сжигают в значительной мере из-за того, что пропан и бутаны очень трудно транспортировать. Это сжиженный газ, и его нельзя пустить по трубе или залить в цистерны. В то же время из этих сжигаемых газов ежегодно можно получать востребованную продукцию на сумму около 900 миллиардов рублей. Проблема важнейшая, но она зависает и не решается, потому что переработка названных газов до сих пор является нерешенной научной и технологической проблемой. Для нашего института поиск путей решения проблемы такой государственной важности — самая приоритетная задача.

Еще один стратегический приоритет. Россия сейчас начинает соблюдать очень жесткие европейские стандарты по качеству используемого топлива. Соблюдать их можно только с помощью катализа, получая топливо нужного химического состава. Год назад мы выполнили в этом направлении одну работу, которой институт вправе гордиться. Мы даже сами не ожидали, что окажемся способны на такую быструю работу. Всего лишь за полгода от начала работы и до успешного финала мы сделали новый промышленный катализатор для глубокой гидроочистки дизельного топлива от серы с целью удовлетворения стандартов ЕВРО-4 и ЕВРО-5. В России таких катализаторов не было. Новый катализатор позволяет уменьшить содержание серы в дизтопливе в... двадцать раз по сравнению с традиционно выпускаемой соляркой. В 2006 году новый катализатор появился в лабораториях, а уже в 2007 году его начали использовать в промышленности. Редкий темп при выполнении научных разработок.

Еще одна проблема связана с переработкой наших углеводородных ресурсов, называемых тяжелыми нефтями. Да и задача такая же — тяжелая. Пока тяжелую нефть и тяжелые нефтяные остатки перерабатывать не умеют. Например, в России не перерабатывают мазут. Технологий для этого мало. Тем не менее у нас есть надежда, что мы успеем впрыгнуть в поезд, который уже отходит.

На этом, видимо, мы и закончим беседу с директором Института катализа СО РАН. Но... не совсем. Потому что в эти дни Валентину Николаевичу исполняется шестьдесят лет. «Советская Сибирь» его сердечно поздравляет. Автор к этому присоединяется с удовольствием, потому что не было случая, чтобы он не откликнулся на просьбы журналиста и не прочел бы подаренную ему книгу. Пармон не только первоклассный ученый, но и чуткий, внимательный и сердечный человек.