Химия: основа устойчивого развития

Вопросы экологии постоянно звучат в научной и общественно-политической повестке многих стран мира. Химические риски неизбежно возникают в процессах производства, использования и утилизации тех или иных продуктов. Даже безопасное, на первый взгляд, вещество может нанести вред окружающей среде, если оно не вписывается в цикл естественного круговорота веществ. Прямо сейчас активно обсуждаются принципы зеленой химии и безотходного производства. Ректор Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева Александр Мажуга уверен — новые направления в химии становятся основой для устойчивого развития. 

— Безотходное производство захватило умы и разные сферы жизни человечества, в том числе крупные и малые предприятия. Какие направления в химии связаны с безотходным производством и направлены на его обеспечение?

— На самом деле обеспечить безотходное производство достаточно сложно. Любое производство, особенно химическое, нефтехимическое, биотехнологическое так или иначе образует определенный набор отходов. Первостепенная задача состоит в том, чтобы производство было максимально безотходным. Вторая важная задача — перевести производство на технологию замкнутого цикла, при которой отходы либо используются вновь, либо перерабатываются на сырьё для новых продуктов.

Например, электрохимические, гальванические производства, — а это процессы химической технологии — используют большое количество растворов для травления. В результате образуются отходы, содержащие ионы тяжелых металлов, таких, как медь, серебро, свинец, никель, кобальт, хром. Всё это отходы первого и второго класса опасности, которые оказывают негативное влияние на здоровье человека, окружающую среду и экологию. Наш университет разрабатывает технологии по переработке этих отходов и способы возращения их в товарный оборот.

К примеру, медно-аммиачный раствор — самый распространенный тип отходов, который образуется при производстве печатных плат, как правило утилизируется. Подвергая его переработке, мы возвращаем обратно чистую медь и сульфат аммония, тем самым, создавая соединения, которые могут быть использованы в качестве минеральных удобрений. Это и есть технология замкнутого цикла.

Если мы говорим в целом о безотходном производстве, то, конечно же, необходимо создавать максимально замкнутый процесс. При этом здесь есть два ключевых подхода. Первый состоит в замкнутой системе водооборота. Вода присутствует практически во всех химических, нефтехимических производствах. Замкнутый цикл в данном случае предполагает, что отработанная жидкость не сливается в канализацию, а с помощью дренажной системы собирается в емкости, фильтруется и насосами подается обратно в производство.

Второй подход основан на замкнутом цикле использования ресурсов — электроэнергии, газа и прочих. В этом случае мы используем меньше ресурсов, а наш процесс становится суммарно безотходным.

— В России уже есть производства, которые внедряют эти подходы?

— Наши ведущие производители в области химического комплекса — компании «Сибур» и «Фосагро» — максимально используют принципы безотходного производства и замкнутого цикла при создании своих продуктов. Важно отметить, что в России уже сегодня создается уникальная система — первая в нашей стране — по переработке отходов.

Я уже говорил, что так или иначе химическая промышленность образует отходы. Это не всегда отходы четвертого или пятого класса опасности. Чаще всего это как раз отходы первого и второго класса — наиболее опасные. В рамках создания системы по переработке отходов ведется строительство экотехнопарков. Эту миссию на себя взяла корпорация «Росатом», а также ее дочернее предприятие Федеральный экологический оператор. На первом этапе создаются четыре экотехнопарка, которые будут перерабатывать практически все типы наиболее токсичных отходов I и II класса.

Мы сейчас не говорим о радиоактивных отходах. Часто «Росатом» воспринимается как корпорация, которая занимается исключительно ядерной энергетикой и радиоактивными отходами. Но в случае с экотехнопарками речь идет о нерадиоактивных отходах. Суммарно в России ежегодно образуется около 300 тысяч тонн таких отходов. А доля переработки — лишь 2%, что очень мало.

Следует отметить, что за время существования и развития химической промышленности в России было накоплено большое количество отходов — так называемые объекты накопленного вреда. Раньше переработке отходов уделялось очень мало внимания. Отходы на химическом заводе, как правило, просто сливались в цистерны или скважины. И на этом все заканчивалось. Сейчас государство старается уделять внимание экологии, здоровью населения и разработке новейших технологий переработки.

Предполагается, что четыре экотехнопарка, которые в ближайшее время будут построены в России, будут перерабатывать до 200 тысяч тонн отходов в год. Думаю, что в дальнейшем появятся новые технопарки, и тогда мы сможем перерабатывать весь объем отходов.

— В каких отраслях наблюдается наибольший спрос на безотходное производство?

— Конечно, тренд на безотходное производство сейчас виден в нефтегазохимической отрасли. Это очень важно. Но если мы посмотрим по количеству отходов, которые образуются на тонну продукта, то, как это ни странно, наибольшее количество отходов образует фармацевтическая промышленность. Все обычно думают, что нефтегазовая промышленность — основной источник образования отходов. Но на самом деле это не так. Просто из-за большого объема производства в сумме этих отходов больше.

А когда мы говорим о тонне продукта, то больше всего отходов образуется в фармацевтической отрасли. Наши фармацевтические компании, производители фармсубстанций, готовых форм серьезно озадачены этим вопросом. Пытаются применять химические процессы и химические технологии, которые позволяют максимально без отходов производить продукт.

На кафедре химической технологии органического синтеза Российского химико-технологического университета работал известный ученый Петр Гаврилович Сергеев. Именно он предложил технологию получения фенола из ацетона — кумольный метод. Я упомянул о нем неслучайно, поскольку кумольный метод — это процесс с так называемой стопроцентной атомарной эффективностью. Девять атомов углерода в исходном соединении превращаются в два продукта, которые суммарно содержат все девять атомов. Исключительный пример безотходного производства.

— А где могут применяться подобные технологии?

— Эти технологии уже применяются во всем мире. Речь чаще всего идет о технологии производства фенола и ацетона. Ацетон используется повсеместно в качестве растворителя. А фенол — как исходное соединение для производства, например, средств защиты растений, гербицидов, пестицидов. По сути, ключевой интермедиант химической промышленности.

— На просторах интернета можно встретить такое интересное определение. «Зеленая химия — это своего рода искусство, позволяющее не просто получить нужное вещество, но получить его другим путем, который, в идеале, не вредит окружающей среде на всех стадиях его получения». Насколько верно это определение?

— Не только зеленая химия, но и в целом вся химия — это настоящее искусство. Даже немного магии есть в этом процессе. Зеленая химия — направление, которое развивается с 80-х годов.

Но если копнуть глубже, то окажется, что еще Дмитрий Иванович Менделеев говорил о том, что химический процесс нужно оценивать по количеству образующихся отходов. Поэтому главная задача зеленой химии — создавать максимально безотходные технологии.

Зеленая химия — это междисциплинарное направление внутри химической науки. Оно включает все направления в химии: и органическую, и неорганическую, и физическую. По сути, это комплекс мер и технологий, которые позволяют сделать процесс наиболее экологичным.

Существуют принципы зеленой химии. Первый связан со стопроцентной атомарной эффективностью, о которой я упоминал. Он предполагает использование всех атомов исходных соединений при создании продукции. Однако подобных процессов не так много.

Второй принцип посвящен использованию в химическом процессе максимально нетоксичных соединений. Они могут быть разных типов. Наиболее известные — катализаторы, которые используются для ускорения химического процесса. Очень часто катализатор представляет собой соединение тяжелых металлов. Ученые, которые занимаются зеленой химией, стараются создавать катализаторы, не содержащие ионы тяжелых металлов.

Третий принцип нацелен на использование растворителей, которые не вредят окружающей среде. Проще говоря, зеленая химия — это целый набор подходов, которые позволяют сделать химическое производство безотходным, не опасным, экономически эффективным с использованием замкнутого цикла, принципами возврата в растворители и так далее.

— Развивается ли в России это направление?

— Да, конечно. Развивается оно и в нашем университете. Сейчас мы разрабатываем стратегию развития университета в рамках программы стратегического академического лидерства. И направление зеленой химии — ключевое, магистральное направление нашей программы.

В структуре университета существует институт проблем устойчивого развития и кафедра зеленой химии. Наши ученые изучают процессы с точки зрения зеленой химии и работают над методиками безопасных и эффективных производств. Также мы активно популяризируем направления зеленой химии в России. Член-корреспондент Российской Академии наук Наталия Павловна Тарасова возглавляет это направление, как в университете, так и в стране в целом.

— На волне роста популярности экологического направления меняется ли образование в области химии?

— Разумеется. Химия и экология всегда идут вместе. Вообще экология — это всегда приложение к определенной сфере. Экология в химии, экология в области биологии, экология, связанная с географией. РХТУ, прежде всего, занимается экологическими аспектами в химической технологии.

Университет готовит специалистов по направлению экологии и природопользования. Помимо этого, студенты-химики, студенты-технологи изучают на курсе дисциплины, связанные с экологией. И, конечно, у нас есть целое направление, которое прямо так и называется — курсы зеленой химии для студентов РХТУ.

— Какое место занимает химия в рамках мероприятий по обеспечению так называемого устойчивого развития, к которому все так стремятся. Насколько активно это направление развивается в России?

— Если говорить о принципах устойчивого развития, которые продвигает Организация объединенных наций, то все из них так или иначе связаны с химией.

Среди них: принцип обеспечения здоровой среды. Тут без химии никуда, потому что благодаря химии производятся фармацевтические субстанции и готовые лекарственные формы.

Принцип устойчивого развития — чистая вода, чистый воздух. Именно химики создают технологии очистки воды, технологии водоподготовки, очистки воздуха.

Говоря о химических предприятиях, нельзя не упомянуть технологии, которые делают безопасными для окружающей среды выбросы химических предприятий.

Химия играет значимую роль в области эффективной, чистой энергетики. Все современные альтернативные источники энергии: солнечные батареи, ветряки так или иначе включают в себя химические процессы. Химики создают новые материалы для солнечных батарей, композиционные материалы для пропеллеров ветряков.

Важная тема, которая остро стоит в мировой повестке — климатические изменения. Необходимо создавать новые и улучшать существующие технологии, которые оказывают наименьшую углеродную нагрузку на земную атмосферу.

— Замечает ли научное сообщество интерес государства к устойчивому развитию и химическим технологиям?

— Интерес, конечно есть. Правительство регулирует и стимулирует развитие зеленых технологий. Первый очень важный шаг — внедрение наилучших доступных технологий (НДТ). Современные справочники НДТ всегда включают экологический аспект. Регулятор говорит о том, что химическая технология должна быть эффективной и экологически безопасной.

Второй очень важный шаг — создание системы учета и оценки отходов производства, которая была утверждена в 2019 году. Прежде всего мы говорим о самых опасных отходах I и II класса.

Помимо этого, в рамках нацпроекта «Экология» создается инфраструктура для переработки опасных отходов. Очень важно, что многие представители химической промышленности выбрали путь экологичного производства. Кстати, компания «Фосагро» показывает хороший пример. Коллеги поддерживают развитие зеленой химии не только в Российской Федерации, выделяя специальное грантовое финансирование. На международном уровне «Фосагро» стал партнером ЮНЕСКО и ежегодно проводит конкурс в области зеленой химии. Поэтому роль нашей промышленности нельзя недооценивать.

— Директор института химии и проблем устойчивого развития Наталья Павловна Тарасова на одном из общих собраний РАН говорила хемофобии. Насколько важно донести обычным людям, что химия — это чистое и экологичное будущее человечества?

— С проблемой хемофобии мы сталкиваемся очень часто. Хемофобия — это боязнь химических веществ и химических превращений и процессов. Но важно понять, что химия — это все, что нас окружает. Это пластик, лекарства, разнообразные композиционные материалы. Куда ни посмотри, везде химия.

Организм человека — это большой химический завод, который действует и живет по своему определенному сценарию и по своим физико-химическим основам и законам.

Тем не менее такая проблема есть. Конечно же, тут очень важна популяризация, и в некотором роде, пропаганда. Надо показывать, что химические заводы меняются. Среди многих людей распространен стереотип, что химические заводы — это трубы из которых валит черный дым, это разлитые лужи нефти или опасных химикатов.

Но современный химический завод выглядит абсолютно иначе. Сейчас нет ни одного предприятия, где из трубы идет рыжий дым — так называемые "лисьи хвосты" при производстве азотной кислоты. Современные химические предприятия полностью автоматизированы. Там работают высоко квалифицированные специалисты, а процессы не оказывают негативного эффекта на окружающую среду.

Очень важно говорить и о том, что объекты накопленного вреда наносят больший урон, чем завод по переработке таких отходов. Прямо сейчас университет вместе с коллегами из Федерального экологического оператора проектирует четыре технопарка по переработке отходов.

Часто можно услышать от жителей мнение, что строительство подобных технопарков — очень опасно. На самом деле, гора, содержащая десятки тысяч тонн отходов рядом с поселением, гораздо опаснее, чем завод, который занимается их переработкой.

Мы стараемся проводить мероприятия для популяризации химии, пытаемся донести, что хемофобия — понятие из прошлого. Рассказываем об этом и школьникам, и взрослым людям, участвуем во всевозможных мероприятиях по популяризации химии.

— Прошлый год был провозглашен Генеральной Ассамблеей ООН Международным годом Периодической таблицы химических элементов. Это повлияло на популярность химии среди молодежи?

— Действительно, в 2019 году мы праздновали 150 лет открытия Периодического закона Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Он, пожалуй, самый известный российский химик во всем мире. Я думаю, если за границей спросить: «какого российского ученого вы знаете», то назовут три фамилии: это – Менделеев, это – Ломоносов, это – Вернадский.

Периодический закон известен всему миру. Хотя не везде звучит имя Дмитрия Ивановича Менделеева. В течение 2019 года прошло множество мероприятий и для школьников, в том числе открытые уроки по всей стране, и для студентов. Проведен химический диктант, всевозможные выставки.

Мы посетили практически все значимые финансово-экономические мероприятия нашей страны: Питерский международный форум, Российский инвестиционный форум, Сочинский экономический форум, где рассказывали о том, что без химии не будет развития. Эта отрасль приносит большой доход государству, при этом важно вкладываться в эту отрасль, развивать собственные технологии, потому что без химии никуда.

— Есть ли понимание у правительства, что химия важна для развития государства?

— Да, понимание есть. Мне кажется, правительство видит необходимость развития химической отрасли. Это доказывает один из примеров: в конце прошлого года председателем правительства был подписан указ о создании инновационного научно-технического центра «Долина Менделеева» на площадке РХТУ, который стал инициатором этого проекта. Центр направлен на развитие отрасли малотоннажной химии, которая сегодня полностью зависима от импорта. Нам удалось не только получить распоряжение правительства, но и привлечь большое число предприятий химического комплекса в этот проект. «Долина Менделеева» — это площадка, которая объединяет ученых и промышленников, для того чтобы российские технологии активнее внедрялись в производство.

— Поговорим о другом важном направлении. Недавно вы выиграли грант, который направлен на поиск лекарств для лечения социально значимых заболеваний. Расскажите, насколько серьезной была конкуренция в этом конкурсе и какой результат вы планируете получить?

— Действительно, борьба за грант — это тяжелая борьба. Мы смогли победить в конкурсе только благодаря партнерству с ведущими организациями, как из сектора исследований и разработок научных институтов Российской академии наук, так и в партнерстве с медицинскими институтами и научными организациями. Основная задача проекта — разработать системы доставки терапевтических молекул в мозг. Медицина очень нуждается в подобных системах, особенно когда речь идет о терапии социально-значимых заболеваний.

Онкологические патологии головного мозга на сегодняшний день наименее успешно подаются терапии. Летальность составляет почти 100%. Второе направление посвящено инсульту, от которого также погибает очень много людей. Третье направление связано с терапией депрессии. В настоящее время — это актуальное направление. В условиях постоянно меняющейся обстановки люди больше подвержены психическим заболеваниям, в том числе депрессии.

После внутривенного введения или перорального приема таблетки на пути лекарства в мозг встречаются различные барьеры. Главный из них — гематоэнцефолический барьер. Мы создаем такие системы, которые бы позволили этот барьер преодолеть и с наибольшей эффективностью доставить терапевтический агент в мозг.

Работа предполагает создание специальных полимерных контейнеров, внутри которых будет содержаться терапевтический агент. Реализация состоит из нескольких этапов. Все, конечно, начинается с работы химиков. На первом этапе происходит синтез формуляции, в которой содержится одно или несколько терапевтических агентов, лекарств. На следующем этапе мы изучаем поведение этих формуляций инвитро на модельных системах. А на третьем этапе происходит исследование инвиво на лабораторных животных. К концу реализации проекта мы получим молекулы-кандидаты, которые в дальнейшем могут быть исследованы в рамках и доклинических, и клинических испытаний.

— А как часто в химии используются математические методы?

— Методы математического моделирования используются активно, особенно в области медицинской химии. При поиске нового терапевтического агента мы всегда изучаем мишень, куда этот агент должен попасть. Здесь используется схема молекулярного моделирования, так называемый докинг. В рамках упомянутого проекта предусмотрено использование математического моделирования.

— Оно производится силами РХТУ или сторонней организации?

— В данном проекте математическое моделирование производится силами сотрудников университета.

— Что бы вы пожелали ребятам, которые хотят связать свою жизнь с химией? Какое направление выбрать?

— Действительно, порой сложно выбрать среди многообразия направлений нашего университета наиболее актуальное. Каждое из них активно развивается. Есть направления, связанные с получением фармацевтических субстанций, направления, связанные с технологиями производства неорганических соединений, особо чистых веществ, направления, связанные с цифровизацией химического комплекса, в том числе с математическим моделированием.

Поэтому выбор во многом зависит от интересов абитуриента. При этом, поступая в РХТУ, у нашего абитуриента и будущего студента всегда есть возможность выбора.

Химия — наука не простая, но очень увлекательная. Поэтому я хочу пожелать нашим абитуриентам, чтобы они не боялись экспериментировать и по-настоящему погрузились в науку. Только так могут появляться новые, интересные, необходимые нашей стране открытия и технологии.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.