Что такое экстракция и почему химики и технологи должны работать вместе, какие новые методы разделения сейчас разрабатываются для решения актуальных задач химической технологии и почему важно сохранять баланс между молодостью и опытом? Рассказывает член-корреспондент РАН Андрей Алексеевич Вошкин, заместитель директора по научной работе Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН.
— Андрей Алексеевич, вы заведуете лабораторией теоретических основ химической технологии. Несмотря на это, мы видим здесь массу экспериментальных установок. Почему так?
— Дело в том, что любая теория жизнеспособна только в том случае, если подтверждена практикой. Поэтому мы и разрабатываем теоретические основы, и подтверждаем их на практике, и только после этого они становятся востребованными, в том числе в реальном секторе экономики.
— Вы доктор технических наук, не химических. Это помогает или мешает вам в работе в таком институте?
— Я кандидат химических наук и доктор технических наук. Это, наверное, во многом связано со спецификой научного направления, которым я занимаюсь. А занимаюсь я экстракцией — методом разделения, базирующимся на двух направлениях: химии процесса и аппаратурном оформлении процесса. Мы прекрасно понимаем: чтобы провести экстракционное извлечение и разделение, нужно изучить химические реакции, взаимодействия, закономерности межфазного распределения, а затем разработать и изготовить аппараты, на которых все это должно быть реализовано.
Эффективность этого сочетания была показана в диссертационных работах и публикациях, написанных в нашем коллективе. Поэтому и получилось так, что я начинал с изучения физико-химических основ экстракции под руководством академика А.И. Холькина, а после того как стала очевидной возможность внедрения, необходимо было перейти к разработке аппаратурного оформления. И я вместе со своими коллегами задумался: а как же реализовать те решения, которые мы придумали, в реальном химико-технологическом процессе? Так, нами были разработаны ряд экстракционных аппаратов, новых процессов разделения, которые и стали основой моей диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Наверное, более 90% ученых нашего института — кандидаты и доктора химических наук.
Но чувствую я себя очень комфортно благодаря тому, что имею те прикладные, технические компетенции, которые востребованы в нашем институте. Большинство научных коллективов нашего академического института ориентированы на практическую реализацию результатов своих работ, поэтому мы легко находим точки соприкосновения. Химики, материаловеды, аналитики и специалисты в области химической технологии эффективно работают вместе в ИОНХ РАН.
— Расскажите подробнее о приборах, созданных под вашим руководством.
— Когда я начинаю читать курс лекций студентам по химии и технологии экстракции, я говорю прежде всего следующее: экстракция — это выбор, то есть задача, с которой в реальной жизни сталкивается каждый человек. Суметь сделать правильный выбор — очень непростая задача. Экстракционщик сталкивается с такой задачей постоянно. Он должен найти самое эффективное и простое решение и разделить смесь веществ, образующуюся в процессе переработки природного или техногенного сырья. Для того, чтобы это сделать, необходимы инструменты. Как я говорил, принципиально таких инструмента два: химические реагенты, или, как их называют, экстрагенты, позволяющие селективно извлекать то или иное вещество из смеси, и высокоэффективные аппараты — экстракторы.
Экстракционное оборудование, использующееся и производящееся сейчас в Российской Федерации, хорошо себя зарекомендовало. Это аппараты, которые великолепно масштабируются и внедряются в реальное производство. Но, конечно же, есть куда двигаться дальше. Экстракция — это очень простой, доступный и производительный процесс, однако зачастую не столь эффективный. Это объективная реальность. Для повышения эффективности процесса экстракционного разделения зачастую применяют дополнительные энерго- и ресурсозатратные средства интенсификации или используют экстракцию вместе с другими методами разделения.
Перед нашим коллективом возникла задача: а как повысить эффективность экстракционного процесса, используя то оборудование, которое сейчас производится, те фундаментальные знания о закономерностях распределения веществ в экстракционных системах, которые сейчас имеются? Вместе с профессором А.Е. Костаняном мы придумали новый метод экстракционно-хроматографического разделения компонентов жидких смесей.
— Что это такое?
— Идея заключается в том, чтобы создать высокоэффективный процесс, включающий в себя преимущества экстракции — простоту, доступность, производительность и высокую эффективность хроматографии. Жидкость-жидкостная хроматография — достаточно известный процесс. Он активно используется в аналитической и препаративной химии. Нами был создан новый гибридный экстракционно-хроматографический метод разделения компонентов жидких смесей, который может быть реализован как на оригинальном оборудовании, так и на экстракторах, производимых в настоящее время промышленностью. Конечно, для реализации этого метода потребовались модернизация действующих аппаратов и организация более эффективной структуры потоков. Все это было нами проработано в экспериментальной и теоретической частях. Был создан новый метод разделения, позволивший разделять в одном процессе сложные смеси на базе жидкость-жидкостной экстракции, как это делается в жидкостной хроматографии. Это очень важное решение, особенно для разделения редких и редкоземельных элементов, а также органических веществ, представляющих интерес для медицины.
— Что этот метод вам дал?
— Этот метод позволил нам перевести жидкость-жидкостную хроматографию на новый уровень — от решения аналитических и препаративных задач в промышленную хроматографию. Этот термин — «жидкость-жидкостная промышленная хроматография» — то, что было нами создано, внедрено в исследовательскую практику и сейчас переходит в реальный сектор экономики.
— Какие практические задачи можно решать с помощью этого метода?
— Как я уже сказал, в первую очередь это было направлено на разделение редких и редкоземельных элементов. Дело в том, что редкоземельные элементы — «витамины» промышленности, и их эффективное разделение с получением чистых веществ — весьма актуальная задача, особенно в настоящее время. Они входят в состав большинства функциональных материалов, на базе которых создаются современные электронные устройства, солнечные батареи, то есть практически вся электроника вокруг нас. А для того чтобы создать материал, необходимы исходные реагенты. Они могут быть получены из природного или техногенного сырья. Эффективная переработка отходов, в том числе электронных, — задача, требующая незамедлительного решения. На это мы и были ориентированы, когда разрабатывали наш метод разделения.
— Ваши методы уже сейчас применяются?
— Мы активно работаем над внедрением этих методов на предприятиях. Это предприятия редкоземельной промышленности, предприятия, связанные с переработкой сырья, содержащего благородные и редкие металлы. В настоящее время в нашем институте в этом направлении ведется значительная часть фундаментальных и прикладных исследований. Это разработка технологических схем, принципиальных решений по тем задачам, которые возникают буквально каждый день, в частности в связи с необходимостью создания технологий, обеспечивающих рециклинг стратегически важных металлов.
— Расскажите подробнее о переработке источников тока.
— Дело в том, что современное общество потребляет огромное количество телефонов, компьютеров, других умных гаджетов. Не далее как год или два тому назад научная общественность пришла к выводу, что борьба с отходами по факту их возникновения практически уже проиграна. Это невозможно сделать: их так много, а состав их настолько многообразен, что справиться с ними не представляется возможным.
Наиболее рациональный и правильный путь — обязать производителей электронных девайсов разработать на этапе их создания технологию переработки и рециклинга тех ценных компонентов, которые в них есть. На этот путь встали и мы, это открыло для нас как для технологов широкие горизонты.
Одно из ключевых направлений нашего института — неорганическое материаловедение, то есть создание широкого спектра функциональных материалов. Здесь мы вместе с нашими химиками и материаловедами начинаем работать вместе. Они создают новый материал, а мы продумываем и реализуем в условиях лаборатории процессы их переработки и рециклинга химических реагентов.
— Расскажите о ваших планах. Наверняка вы хотите создать что-то еще более перспективное и интересное.
— Вы правы, идей много. Мы пытаемся максимально обеспечить в лаборатории возможность проверки на практике тех новых решений, которые у нас возникают. Для этого мы оснащаем лабораторию технологическим оборудованием. Это очень важно, поскольку шаг от фундаментальных исследований экстракции к реальному технологическому процессу обязательно должен пройти через аппаратурное оформление.
Оснащение лаборатории технологическим оборудованием — это программа обновления приборной базы, реализуемая в рамках национального проекта «Наука и университеты». Это необходимо для получения результатов мирового уровня, чтобы они имели не только существенное фундаментальное значение, но и были максимально конкурентоспособными и привлекательными для реального сектора экономики.
Если говорить о конкретных планах, то могу выделить два направления, по которым мы сейчас движемся. Первое — миниатюризация экстракционного оборудования. Дело в том, что один из наиболее интенсивно развивающихся и конкурентоспособных секторов химической промышленности — малотоннажная химия. Эти предприятия — достаточно динамичные структуры, способные быстро переориентироваться на производство того или иного продукта и, соответственно, наладить новый химико-технологический процесс. В этой связи миниатюрные аппараты, например мини-экстракторы, весьма востребованы в этом интенсивно развивающемся секторе химической промышленности, а также в научно-исследовательских институтах и вузах.
Мы работаем в этом направлении, создаем новые энерго- и ресурсоэффективные аппаратурные решения для того, чтобы обеспечить высокую эффективность и при этом возможность решения широкого спектра задач разделения жидких смесей.
— Миниатюрный экстрактор — что это значит? Какого он будет размера?
— Это аппараты, объемы которых составляют от одного до десятков миллилитров, при этом с производительностью до нескольких литров в час. В подобном случае, если мы говорим о производстве редкоземельных элементов, благородных металлов, это вполне рабочие объемы. И что тут важно — мы создаем аппараты, позволяющие экономить достаточно дорогие реагенты, которые сейчас используются для разделения стратегически важных элементов. Очевидно, что необходимо реализовать процесс таким образом, чтобы их расход был минимальным, а количество продукта — максимальным.
— Вы говорите, что для реализации процесса экстракции необходима двухфазная система. Что это значит?
— Двухфазная жидкость-жидкостная система — это две несмешивающиеся жидкости, например растительное масло и вода. В двухфазной системе тот компонент, который вы хотите извлечь, переходит из одной фазы в другую, а все остальные остаются в исходном растворе. Долгое время экстракция реализовывалась достаточно просто. В качестве экстрагентов использовались органические растворители — толуол, бензол, спирты.
В 1950-е гг. в рамках атомного проекта произошел существенный скачок, когда выяснилось, что экстракционные процессы могут быть использованы для разделения трансурановых элементов. Возник бум экстракции, и наша страна (Советский Союз, а далее Российская Федерация) долгое время оставалась лидером в этом направлении. Появлялись новые экстрагенты, новые аппаратурные решения, позволяющие решать эти сложные задачи разделения.
Эволюция происходила достаточно быстро. Специалисты в области органического синтеза создавали новые экстрагенты, которые позволяли решать все более и более сложные задачи. Когда же наступил XXI в. и вопросы «зеленой» химии встали особенно остро, начали возникать новые интересные системы, в частности, двухфазные водно-полимерные системы. Эти системы позволяли отказаться от имеющихся экстрагентов и создать двухфазную систему из обычной соли, воды и полимера.
— Чем они лучше прежних?
— Это своеобразные гетерогенные системы. В отличие от прежних они практически безвредны. Конечно же, в них много весьма непростых особенностей, но это то направление, которое многие годы рассматривалось в качестве альтернативы классическим экстракционным системам. Нас оно тоже не обошло стороной.
А три года тому назад мы перешли к новому классу экстрагентов — глубоким эвтектическим растворителям. Это совсем новое направление не только для нас, но и в мире. В Российской Федерации количество работ по этой тематике сейчас растет в геометрической прогрессии. Мы, наверное, были одними из первых в России, кто встал на этот путь и получил грант Российского научного фонда.
Сейчас этот проект успешно продолжается, его название звучит довольно амбициозно: «Глубокие эвтектические растворители — инструмент создания доступных "зеленых" технологий». Цель этого проекта — создание научных основ экологически безопасных и ресурсосберегающих экстракционных методов извлечения, разделения и очистки щелочных и переходных металлов в гетерогенных системах на основе глубоких эвтектических растворителей.
— Чем вызван интерес к этим растворителям?
— Все очень просто. Вы берете два реагента, они твердые при нормальных условиях. После того как вы их смешиваете в определенном соотношении, при нагревании у вас получается жидкость. Это очень удобно с точки зрения технологии и хранения. У вас твердые вещества, вы их соединили — образовалась жидкость. Некоторые говорят о том, что ими можно будет заменить воду, а вода — это самый дорогой ресурс, который у нас есть.
Нами же разработан комплексный подход к изучению экстракции кобальта, никеля, меди, марганца, лития и редкоземельных металлов с использованием уже существующих, но не исследованных ранее, и синтезированных новых глубоких эвтектических растворителей в качестве селективных и эффективных экстрагентов. Этот проект у нас сейчас успешно развивается. Мы создаем новые экстрагенты на основе экологически безопасных веществ, например того же самого ментола, и применяем их для разделения металлов, входящих в состав литий-ионных аккумуляторов. И хочу сказать, что у нас получается. Свидетельство тому — публикации в ведущих журналах в области химической технологии и новые технологические решения.
— Андрей Алексеевич, вы сказали, что, когда пришли работать в лабораторию, здесь были в основном возрастные сотрудники, а сейчас преимущественно молодежь. Но тем не менее самому старшему сотруднику более 80 лет. То есть вы не стараетесь избавиться от пенсионеров, а используете весь багаж опыта, который может пригодиться в вашем деле. Это действительно так?
— Это общая проблема. В 1990-е гг. из академических и отраслевых институтов и вузов ушло очень много специалистов, которые сейчас были бы в возрасте 50–60 лет. Для нашей страны это был непростой период. Сейчас возрастные сотрудники нашего института — бесценный капитал, люди, которые могут, помнят, знают и были причастны к решению задач, определивших развитие химической отрасли нашей страны. Это очень важно, особенно для молодых специалистов, которые приходят в институт.
Дело в том, что подготовить химика-технолога весьма непросто. Необходимы современная экспериментальная база, соответствующее технологическое оборудование, нужны действующие производства, на которые могли бы выезжать студенты, аспиранты и молодые ученые для прохождения практики. Но, что греха таить, в 1990-е гг. многие были лишены этой возможности.
А у нас в институте благодаря неразрывной связи с Российской академией наук удалось не только сохранить, но и существенно укрепить и кадровый состав, и экспериментальную базу, и научные школы. Замечательно, что многие студенты и аспиранты, когда приходят к нам для выполнения научных работ, получают уникальные практические навыки экспериментальной работы, в том числе на новейшем исследовательском и технологическом оборудовании.
А правильный баланс между молодостью и опытом нужно сохранять, за него нужно бороться как в лаборатории, так и в институте в целом.
