Биомасса как сырьё для пластмасс и смазочных материалов

Давным-давно, 350-400 миллионов лет назад, на Земле произошла массовая гибель морских животных и растений. Эта органическая масса опустилась на дно океана, и из неё со временем в осадочной оболочке нашей планеты образовалась горючая маслянистая жидкость – нефть. Сегодня нефть – важнейшее полезное ископаемое. Но хотя мировые запасы нефти весьма значительны – свыше 130-ти миллиардов тонн, – они всё же отнюдь не безграничны, а главное – невосполнимы. Между тем, спрос на нефть как энергоноситель во всём мире неуклонно растёт, что, естественно, отражается и на ценах. Однако в разговорах о том, что запасы нефти на Земле вскоре иссякнут, а потому необходимо сделать всё возможное для скорейшего освоения так называемых альтернативных источников энергии, нередко упускается из виду одно чрезвычайно важное обстоятельство. Оно состоит в том, что нефть является не только важнейшим энергоносителем, но и важнейшим химическим сырьём. Представить себе современную жизнь без продукции нефтехимической отрасли просто невозможно. Ведь из нефти получают не только топлива (газы, бензин, лигроин, керосин, дизельное топливо, мазут и даже реактивное топливо), но и масла, и битумы, и различные технические жидкости, и пластичные смазки (литол, солидол, консталин и т.д.), и кокс, и ксилолы, и бензол, и толуол, и твёрдые углеводороды (парафин, озокерит, церезин). Недаром ещё Д. И. Менделеев указывал на ценность нефти как химического сырья и говорил, что сжигать её – всё равно что топить печь ассигнациями. Но если для производства электричества человечество уже научилось худо-бедно использовать другие энергоресурсы – энергию солнца, ветра, морского прибоя, термальных вод, на худой конец, распада атомных ядер радиоактивных изотопов тяжёлых элементов, то с заменой нефти как химического сырья дело пока обстоит неважно. Есть и ещё один весомый аргумент против использования нефти, причём в любом качестве: экологический. Ведь при переработке, а уж тем более сжигании нефти законсервированный в ней углекислый газ, содержавшийся некогда в тех организмах, из которых она образовалась, снова попадает в атмосферу, усиливая парниковый эффект и способствуя дальнейшему глобальному потеплению климата. Всё это и побуждает исследователей – по крайней мере, наиболее дальновидных из них, – уже сегодня, не дожидаясь, так сказать, «конца света», активно заниматься поисками альтернативы нефти. Первые обнадёживающие результаты получены в области производства пластмасс из растительного сырья – крахмала и целлюлозы. В Европе их источником служат, прежде всего, кукуруза и пшеница, а использовать такие пластмассы предполагается, главным образом, в качестве упаковочных материалов для пищевых продуктов. Сегодня на полках немецких супермаркетов уже можно обнаружить товары, упакованные в биоплёнку из растительного сырья, однако говорить о её триумфальном шествии пока не приходится. Бельгийский химик Вим Сотер (Wim Soetaert), профессор Гентского университета, объясняет это тем, что биотехнология просто ещё не успела занять подобающее ей место в химическом производстве:

Это технология очень молодая, соответственно, она не достигла ещё того уровня эффективности, который присущ классической нефтехимии. Над решением этой проблемы нам предстоит ещё немало поработать.

Это касается, в первую очередь, методов переработки исходного сырья – пшеничной и кукурузной муки грубого помола – в полуфабрикаты для производства биопластика. В нефтехимии сходную функцию выполняют нефтеперерабатывающие заводы: в так называемых ректификационных колоннах там осуществляется перегонка нефти, то есть разделение её на фракции. Этот процесс основан на том, что при нагреве нефти образуется паровая фаза, отличная по составу от жидкой. Это позволяет посредством многоступенчатой конденсации паров нефти получать отдельные её компоненты – дистилляты. Понятно, что для переработки растительного сырья используется иная технология. Профессор Сотер поясняет:

Мы именуем такую технологию промышленной биотехнологией. Она заключается в использовании микроорганизмов в так называемых ферментационных процессах. Кроме того, здесь широко применяется биокатализ. Без биокатализаторов, то есть ферментов, мы не можем превратить растительное сырьё в нужную нам конечную продукцию.

Один из таких процессов состоит в ферментативном превращении пшеничного крахмала в сахар, который бактериями сбраживается в молочную кислоту. А она, в свою очередь, служит сырьём для получения прозрачного биопластика – полимолочной кислоты. Из этого полимера можно производить и уже упоминавшиеся нами упаковочные плёнки, и волокна для текстильного производства. Но эксплуатационные свойства полимолочной кислоты далеки от оптимальных: соединение распадается уже при температуре 50 градусов Цельсия, а значит, продукты, упакованные в такую плёнку, нельзя разогревать в микроволновой печи, ткани из таких волокон не выдерживают стирки в горячей воде. Поэтому Вим Сотер и его коллеги разрабатывают биоматериалы с более подходящими физическими свойствами. Кроме того, важная цель состоит в создании экологически безопасных саморазрушающихся пластмасс. Примером такого полимера может служить полибутиленсукцинат. Вим Сотер поясняет:

Полибутиленсукцинат – совершенно нормальная пластмасса, он и внешне выглядит как обычная пластмасса, но обладает большим преимуществом: биологически расщепляется. То есть мы можете просто бросить такое изделие в штабель компостируемого материала, и оно саморазрушится с выделением углекислого газа.

Микроорганизмы способны производить не только сырьё для биопластмасс, нуждающееся в дальнейшей обработке, но и непосредственно конечный продукт. Так, одному из видов бактерий в качестве энергоносителя служит вещество под названием полигидроксибутират. Если после ферментации клетки бактерий растворить, в осадке остаётся белый порошок, из которого и получают биополимер, консистенцией напоминающий смолу. Силвиу Ортега (Silvio Ortega), сотрудник бразильской фирмы «PHB Industrial», говорит:

Основная сфера применения этого полимера – та же, что у полипропилена. Они и по свойствам очень близки, и обрабатывается оба преимущественно методом литья под давлением. Но температура плавления полипропилена составляет 220 градусов, а наш полимер плавится уже при 165-ти градусах. Сегодня из полипропилена изготовляются, например, корпуса мобильных телефонов. Ясно, что если вместо него использовать наш полигидроксибутират, можно сэкономить немало энергии.

В богатой сахаром Бразилии уже в нынешнем году будет построен первый цех по производству полигидроксибутирата. Ещё один такой же цех должен быть возведён в США, в штате Небраска. В этом же штате расположено самое крупное в мире производство биопластика: там из кукурузы получают 140 тысяч тонн полимолочной кислоты в год. Всего же в мире её производится около 500 тысяч тонн. Но это не покрывает и одного процента потребности в полимерах. Так что их главным источником пока остаётся нефтехимия. Аналогичная ситуация складывается и в области смазочных материалов. Сегодня на рынке их сотни – от простого велосипедного машинного масла до весьма сложных многокомпонентных масел специального назначения. Есть среди них и биосмасла. Рольф Лютер (Rolf Luther), сотрудник компании «Fuchs Petrolub» в Маннгейме, говорит:

Эксперты исходят из того, что доля смазочных биоматериалов в среднем составляет 4-5 процентов, если иметь в виду их лёгкую расщепляемость. Если же иметь в виду растительное происхождение, то этот показатель ещё гораздо ниже.

Впрочем, разработчики и этой долей гордятся. Ведь чистые растительные масла, будь то рапсовое или подсолнечное, горчичное или оливковое, в качестве технической смазки непригодны. Конечно, они экологичны, то есть биологически очень легко расщепляются, да и трение снижают вполне эффективно, особенно между металлическими поверхностями. Однако все свои привлекательные технические свойства растительные масла быстро теряют. Такие важные показатели, как стойкость против окисления или эксплуатационная долговечность, просто никуда не годятся. Рольф Лютер говорит:

Каждый знает, что пищевое растительное масло надо держать в тёмной бутылке. На то есть веские причины: свет способствует старению, а уж нагрев – тем более. Понятно, что такой процесс в технических смазочных маслах крайне нежелателен.

Зато смазочные биоматериалы экологичны, поскольку растительное сырьё не оказывает негативного влияния на климат и позволяют экономить запасы нефти. Поэтому химики активно ищут способ повысить эксплуатационную устойчивость биомасел. Собственно, то, что они производят, специалисты называют уже не маслами, а синтетическими сложными эфирами. Испытания показывают, что некоторые из таких высокотехнологичных смазок в полной мере отвечают требованиям не только экологов, но и инженеров-эксплуатационников. Рольф Лютер говорит:

Синтетические эфиры, а особенно те, что получаются из растительного сырья, при добавлении в традиционные смазочные материалы заметно улучшают их свойства. В результате уменьшается трение, снижается износ трущихся частей. Кроме того, это позволяет сократить потери смазочных материалов, вызванные их испарением. А это важно во многих сферах применения – в металлообработке, в двигателях внутреннего сгорания. Если там, где имеют место высокие температуры, масло почти не испаряется, это положительно отражается на уровне эмиссии вредных веществ в целом. То есть такие биоприсадки дают реальные технические выгоды.

Согласно оценке экспертов, до 90 процентов всех смазочных материалов можно было бы производить как биопродукты на основе синтетических эфиров. Пока же модифицированные растительные масла используются лишь как присадки, повышающие эксплуатационные показатели обычных смазочных материалов. Причина в том, что их производство обходится пока гораздо дороже, чем перегонка нефти. Биологически легко расщепляемое моторное масло полностью из растительного сырья стоит примерно вдвое больше, чем стандартный продукт нефтехимии. А рядовые потребители, по словам Рольфа Лютера, пока не очень интересуются происхождением смазочных материалов. Впрочем, он добавляет:

В то же время есть потребность и в смазочных биоматериалах, которые расщеплялись бы чрезвычайно быстро и имели полностью растительное происхождение. Такие запросы поступают от сельскохозяйственных и горнодобывающих предприятий, то есть таких, где смазка легко может попасть в почву или воды. Конечно, там тоже придают большое значение эксплуатационным характеристикам смазочных материалов, но в то же время не жалеют денег и на охрану окружающей среды.

А теперь – совсем другая тема. Немецкие инженеры-строители создали – и уже применили на практике – самый твёрдый и прочный в мире бетон. Они возвели из него пешеходный мост через реку Фульду в городе Касселе. Автор проекта моста и разработчик нового стройматериала Томас Тайхман (Thomas Teichmann) из Кассельского университета говорит, что его бетон даже звучит совсем не так, как обычный, и демонстрирует это, постукивая по сооружению молоточком:

У него тональность звука гораздо выше. Здесь все бетонные элементы значительно тоньше, чем обычно бывает в таких конструкциях, и они гораздо жёстче, и колеблются с более высокой частотой. Это хорошо слышно: звук высокий и звонкий, почти как у стальной плиты. Наш бетон по своим механическим свойствам уже очень близок к стали и имеет мало общего с обычным бетоном.

Самое поразительное, что внутри конструкций из ультравысокопрочного бетона нет стальной арматуры – того стабилизирующего металлического каркаса, который составляет основу любой железобетонной плиты. Сталь добавляется непосредственно в бетономешалку, – поясняет Томас Тайхман:

Здесь, при возведении этого моста, были использованы стальные волокна длиной 17 миллиметров и диаметром 0,15 миллиметра. Если сунуть руку в пакет с такими волокнами, несколько штук обязательно сразу вопьются в кожу, это очень больно. Но когда они в бетоне, снаружи ничего острого, конечно, нет.

Зато эти стальные волокна не только стабилизируют и упрочняют бетон, но и делают его более гибким и пластичным. Так, верхнее перекрытие моста через Фульду было отлито как прямая плита, а затем уложено и натянуто на изогнутые стальные опоры. Хотя эта конструкция имеет в толщину всего несколько сантиметров, она обладает достаточной несущей способностью, поскольку ультравысокопрочный бетон гораздо плотнее обычного. Его компоненты математически оптимизированы с таким расчётом, чтобы пор в материале не оставалось. Томас Тайхман поясняет:

Цемент перемешивается с силикатным песком, очень мелкодисперсным, практически пылью, диаметр частиц составляет около 0,2 микрометра, то есть это уже почти наноматериал. В состав раствора добавляются также различные кварцевые порошки очень тонкого помола. Чрезвычайно важно правильно подобрать и сорт песка, и сорт цемента.

Поскольку стальная арматура, диктующая форму конечного изделия и существенно ограничивающая свободу выбора архитектора, в ультравысокопрочном бетоне отсутствует, ему можно придать практически любую конфигурацию, – говорит Грегор Циммерман (Gregor Zimmermann), коллега Тайхмана по Кассельскому университета. Он изобрёл для ультравысокопрочного бетона новую опалубку. Она состоит не из деревянных досок, а из полимерных плёнок, образующих что-то вроде надувного павильона:

На этот надувной павильон наваривается сверху ещё одна мембрана, и в результате образуются ячейки, воздушные камеры, словно в надувном матраце. И в эти камеры закачивается бетон.

Бетон затвердевает, и конструкция готова. Этот метод позволяет не только в кратчайшие сроки возводить огромные помещения, но и сэкономить немало материалов, поскольку несущая способность нового бетона гораздо выше и все детали можно делать значительно тоньше. Грегор Циммерман говорит:

Можно всё построить круглым. Или како-то иной формы, почти любой. Конечно, законы статики накладывают определённые ограничения, но в целом такая технология позволяет реализовать совершенно невероятное многообразие форм.

А если опалубка собрана из стекла, стена из ультравысокопрочного бетона обретает почти зеркальную поверхность. Новые возможности открываются не только перед архитекторами и строителями, но и перед дизайнерами. Они уже подумывают об использовании такого бетона для изготовления мебели и сантехники – столов и стульев, раковин и унитазов.