М’ЯКА - ХІМІЯ, Наука та життя
Г. ШАРОВ. За матеріалами німецького тижневика "Die Zeit".
У світі сьогодні щорічно використовують 15 мільйонів тонн органічних розчинників та ще більшу кількість води чи водних сумішей – такі вимоги різних технологічних процесів. Однак є можливість таку "мокру" хімію замінити на "суху", засновану на СО 2 . Про це йдеться в роботі доктора Йозефа Де Сімоне, володаря премії Президента США, заснованої за успіхи в хімії, яка не завдає шкоди природі. Нині вчений створює екологічно бездоганний розчинник для промисловості. На двох прикладах Де Сімоне показує, як вуглекислий газ стає основою нової хімії.
На фірмі "Дюпон" (США) закінчується складання величезного агрегату для виробництва тефлону, відомого багатьом як покриття "сковорідок, що не пригорають". До теперішнього часу шар тефлону виготовлявся за участю сполук фтору - елемента, який отримав назву "вбивця озонового шару" нашої планети. Розробники фірми запропонували ввести в процес двоокис вуглецю: виграє екологія, а тефлон, що отримується за більш простою технологією, стане значно дешевше.
Несподіване застосування СО 2: він здатний служити засобом для чищення. Німецька фірма "Міцел" вже готова впровадити обладнання для сухого очищення посуду в багатолюдних ресторанах "Макдоналдс". Але це лише один із напрямків робіт. Найбільш серйозний проект - очищення за допомогою 2 металів від жирів і масел, які застосовують при різанні, точенні і фрезеруванні деталей. Тут масштаби утилізації вуглекислого газу воістину грандіозні.
Текстиль - матеріал, зовсім не схожий на метал, але виявилося, що його можна відмивати за допомогою СО 2 в спеціальних машинах, що замінюють пральні.
"Сухе" прання відбувається таким чином.Клієнт кладе брудні речі в мішок (у ньому він потім отримає виконане замовлення). Процес складається з двох або трьох періодів по чверті години, під час яких одяг знаходиться в барабані, в принципі, такої ж конструкції, що і в звичайній пральній машині, але тільки більшого розміру і, головне, герметично закривається.
Барабан, у який закладені мішки з брудним одягом, заповнюють вуглекислим газом, що під тиском, у результаті він перетворюється на рідкий стан. Прання відбувається, коли вміст барабана нагрівається до 31 про З, а тиск в ньому досягає 72,9 атмосфери (саме тому, що обробка матеріалів йде при порівняно низьких параметрах, хімію 2 і називають "м'якою"). Рідкий вуглекислий газ енергійно закипає, настає стан рівноваги рідини та газу, в якому вони стають невідмінними один від одного. Вчені називають такий фазовий стан двоокису вуглецю надкритичним (скорочено - ск; і такий двоокис вуглецю позначається як скСО 2 ).
У цьому надкритичному стані вуглекислота і стає чудовим миючим засобом. Після "прання" в барабан додають детергент - речовина, схожа на звичайний пральний порошок, і тканина "прополіскується" в цій суміші. Потім тиск знижують, 2 знову стає газом, який йде з тканини, захоплюючи з собою частинки бруду і детергенту (вони залишаються на фільтрах). Чистий двоокис вуглецю після кожної "прання" вловлюють, стискають, і вона знову готова до обробки наступної партії одягу. За кожен цикл випаровується лише два відсотки СО 2 .
Через 40-45 хвилин клієнт отримує білизну, очищену від жиру, плям, бруду, прохолодну, свіжу, немов обдуту морозним вітром.
У нового способу чищення багато переваг. Низька температура зберігає тканину, їїволокна не рвуться; скСО 2 , немов вибухова хвиля, проникає в пори та всередину волокон і так само миттєво при зниженні тиску в барабані видаляється з них. Це дає можливість "прати" дуже "делікатні" речі, які зазвичай не довіряють машині та хімчистці. Тканини після прання нічим не пахнуть, тоді як запах звичайних миючих засобів, наприклад перхлоретилену, стійко тримається на речах. Адже він відноситься до шкідливих і для навколишнього середовища, і для нервової системи людини. На жаль, перхлоретилен має важливу перевагу: він дешевий. Та й пральна машина за допомогою двоокису вуглецю коштує поки дорого - 150 000 доларів. Новий метод витримує конкуренцію лише завдяки пільговим податкам, оскільки в багатьох країнах такі підприємства відносяться до екологічно чистих і підтримуються урядами.
Розвиток нової, безпечної для природи хімії йде за різними напрямками, щоправда, поки що частіше в лабораторних та напівпромислових умовах. Ось перелік галузей, у яких очікуються революційні зміни: харчова промисловість, виготовлення ліків та косметичних засобів, біохімічні виробництва, створення пластмас, переробка природних матеріалів.
У сімдесятих роках Курт Цозель, співробітник нобелівського лауреата Карла Циглера, зайнявся вивченням властивостей СО2 у надкритичному стані. Роботи проводились у співпраці з відомою кавовою фірмою "Хааг". Цозель з'ясував, що вуглекислий газ у надкритичному стані може вибірково розчинити одну з речовин, що знаходяться в суміші, а потім, при зниженні тиску, виділити його із суміші. Він використав цю властивість для вилучення кофеїну з бобів кави. Спосіб виявився дуже вдалим, і тепер у Німеччині саме так обробляють 100 тисяч тонн зелених зерен щорічно.
На пивоварнихзаводах скСО 2 дозволяє посилювати або послаблювати характерний для пива аромат. А в Австрії винороби використовували цю його властивість для збереження букета вин. Потреба у природних ароматичних добавках, одержуваних із трав, прянощів, лікарських рослин, з кожним роком зростає. Поки при їх вилучення застосовують високий тиск, але не далекий той день, коли скСО 2 зможе вирішити багато завдань індустрії запахів без допомоги підвищених тисків, отже - дешевше.
Співробітники Інституту вугілля в Рурі доктор А. Фюрстнер і професор В. Лейтнер на базі того ж двоокису вуглецю в її надкритичному стані створюють нову хімію розчинників. Як відомо, багато хімічних реакцій йдуть тільки в присутності каталізатора, без нього процес або дуже сповільнюється, або зовсім не починається. Такі класичні каталізатори, як платина, родій або нікель, нерозчинні в скСО 2 . Тому хіміки вважали його лише засобом, що "витягує" якусь речовину із суміші, але ніяк не розчинником. Нині ситуація змінилася. Вчені знайшли простий спосіб змусити багато металів-каталізаторів розчинятися в скСО 2 і "плавати" в ньому, як риба у воді. Для цього до них приєднують свого роду "плавники" з полімерних молекул фторвмісних. Тепер можна проводити каталітичні процеси, не використовуючи шкідливі органічні розчинники.
Реакціями серед скСО 2 легко управляти. Це дозволило отримувати багато органічних речовин, що являють собою відносно великі циклічні (кільцеподібні) молекули, наприклад антибіотики, набагато простіше, ніж звичними способами. Цикли-кільця утворюються з довгих молекул при змиканні кінцевих ділянок. Але не всі молекулярні ланцюжки замикаються в кільця за хімічної реакції. Іноді кінці сусідніх молекул зрощуються та утворюють довгімолекулярні нитки, звані лінійні полімери. При виробництві антибіотиків така полімеризація вкрай небажана.
У надкритичній двоокису вуглецю вдається цей процес перервати. У середовищі скСО 2 так само як і при високому тиску, реакційна суміш робиться "щільніше": молекули помітно втрачають рухливість, в результаті чого вони рідше стикаються з сусідніми молекулами, а частіше замикаються самі на себе, формуючи кільця. Дуже важливо і те, що серед двоокису вуглецю кільця виходять правильної форми.
Найближче завдання - навчитися отримувати на основі скСО 2 різні види пластмас для виробництва меблів, пакувальних матеріалів, килимів, шпалер і навіть деталей автомобілів. Всі ці вироби будуть дешевшими за вироблені сьогодні і, що важливо, без характерних запахів, властивих вживаним нині розчинникам.
Цілком можливо, що світ стоїть на порозі рішучих змін у виробництві пластмас. Ця галузь, як відомо, розвивається найшвидшими темпами, випереджаючи металургію чавуну та алюмінію. Сьогодні обсяг її продукції у світі вимірюється сотнями мільйонів тонн.
Приходить екологічно чисте і більш дешеве хімічне виробництво, засноване на використанні двоокису вуглецю, який досі вважався відходом енергетики, винуватцем виникнення "парникового ефекту" і пов'язаних з ним серйозних кліматичних катастроф.
Можна сподіватися, що саме тут людство знайде один із надійних та недорогих "складів", куди заховає надлишки СО 2 .