В мире сегодня ежегодно используют 15 миллионов тонн органических растворителей и еще большее количество воды или водных смесей - таковы требования разных технологических процессов. Однако есть возможность такую "мокрую" химию заменить "сухой", основанной на СО₂. Об этом говорится в работе доктора Иозефа Де Симоне, обладателя премии Президента США, учрежденной за успехи в химии, не приносящей вреда природе. Сейчас ученый создает экологически безупречный растворитель для промышленности. На двух примерах Де Симоне показывает, как углекислый газ становится основой новой химии.

***

На фирме "Дюпон" (США) заканчивается сборка огромного агрегата для производства тефлона, известного многим как покрытие "непригорающих" сковородок. До настоящего времени слой тефлона изготавливался при участии соединений фтора - элемента, получившего название "убийца озонового слоя" нашей планеты. Разработчики фирмы предложили ввести в прцесс двуокись углерода: выигрывает экология, а тефлон, получаемый по более простой технологии, станет значительно дешевле.

***

Неожиданное применение СО₂: он способен служить чистящим средством. Немецкая фирма "Мицелл" уже готова внедрить оборудование для сухой очистки посуды в многолюдных ресторанах "Макдоналдс". Но это лишь одно из направлений работ. Наиболее серьезный проект - очистка с помощью СО₂ металлов от жиров и масел, которые применяют при резании, точении и фрезеровании деталей. Здесь масштабы утилизации углекислого газа поистине грандиозны.

Текстиль - материал, совсем не похожий на металл, но оказалось, что и его можно отмывать с помощью СО₂ в специальных машинах, заменяющих стиральные.

"Сухая" стирка происходит таким образом. Клиент кладет грязные вещи в мешок (в нем же он затем получит исполненный заказ). Процесс состоит из двух либо трех периодов по четверти часа, во время которых одежда находится в барабане, в принципе, такой же конструкции, что и в обычной стиральной машине, но только большего размера и, главное, герметически закрывающемся.

Барабан, в который заложены мешки с грязной одеждой, заполняют углекислым газом, находящимся под давлением, в результате чего он переходит в жидкое состояние. Стирка происходит, когда содержимое барабана нагревается до 31^оС, а давление в нем достигает 72,9 атмосферы (именно потому, что обработка материалов идет при сравнительно низких параметрах, химию СО₂ и называют "мягкой"). Жидкий углекислый газ энергично закипает, наступает состояние равновесия жидкости и газа, в котором они становятся неотличимыми друг от друга. Ученые называют такое фазовое состояние двуокиси углерода сверхкритичес ким (сокращенно - ск; и такая двуокись углерода обозначается как скСО₂).

В этом-то сверхкритическом состоянии углекислота и становится превосходным моющим средством. После "стирки" в барабан добавляют детергент - вещество, похожее на обычный стиральный порошок, и ткань "прополаскивается" в этой смеси. Потом давление снижают, СО₂ снова становится газом, который уходит из ткани, захватывая с собой частички грязи и детергента (они остаются на фильтрах). Чистую двуокись углерода после каждой "стирки" улавливают, сжимают, и она снова готова к обработке следующей партии одежды. За каждый цикл улетучивается лишь два процента СО₂.

Через 40-45 минут клиент получает белье, очищенное от жира, пятен, грязи, прохладное, свежее, словно обдутое морозным ветром.

У нового способа чистки много достоинств . Низкая температура сохраняет ткань, ее волокна не рвутся; скСО₂, словно взрывная волна, проникает в поры и внутрь волокон и так же мгновенно при снижении давления в барабане удаляется из них. Это дает возможность "стирать" очень "деликатные" вещи, которые обычно не доверяют машине и химчистке. Ткани после стирки ничем не пахнут, тогда как запах обычных моющих и чистящих средств, например перхлорэтилена, стойко держится на вещах. А ведь он относится к вредным и для окружающей среды, и для нервной системы человека. К сожалению, у перхлорэтилена есть важное преимущество: он дешев. Да и машина для стирки с помощью двуокиси углерода стоит пока дорого - 150 000 долларов. Новый метод выдерживает конкуренцию лишь благодаря льготным налогам, поскольку во многих странах такого рода предприятия относятся к экологически чистым и поддерживаются правитель ствами.

***

Развитие новой, безопасной для природы химии идет по разным направлениям, правда, пока чаще в лабораторных и полупромышленных условиях. Вот перечень отраслей, в которых ожидаются революционные перемены: пищевая промышленность, изготовление лекарств и косметичес ких средств, биохимические производства, создание пластмасс, переработка природных материалов.

В семидесятых годах Курт Цозель, сотрудник нобелевского лауреата Карла Циглера, занялся изучением свойств СО₂ в сверхкритическом состоянии. Работы проводились в сотрудничестве с известной кофейной фирмой "Хааг". Цозель выяснил, что углекислый газ в сверхкритическом состоянии может выборочно растворить одно из веществ, находящихся в смеси, а потом, при понижении давления, выделить его из смеси. Он использовал это свойство для извлечения кофеина из бобов кофе. Способ оказался весьма удачным, и теперь в Германии именно так обрабатывают 100 000 тонн зеленых зерен ежегодно.

На пивоваренных заводах скСО₂ позволяет усиливать или ослаблять характерный для пива аромат. А в Австрии виноделы использовали это его свойство для сохранения букета вин. Потребность в природных ароматических добавках, получаемых из трав, пряностей, лекарственных растений, с каждым годом растет. Пока при их извлечении применяют высокое давление, но не далек тот день, когда скСО₂ сможет решить многие задачи индустрии запахов без помощи повышенных давлений, значит - дешевле.

***

Сотрудники Института угля в Руре доктор А. Фюрстнер и профессор В. Лейтнер на базе все той же двуокиси углерода в ее сверхкритическом состоянии создают новую химию растворителей. Как известно, многие химические реакции идут только в присутствии катализатора, без него процесс либо очень замедляется, либо вовсе не начинается. Такие классические катализаторы, как платина, родий или никель, нерастворимы в скСО₂. Поэтому химики считали его лишь средством, "вытягивающим" какое-либо вещество из смеси, но никак не растворителем. Сейчас ситуация изменилась. Ученые нашли простой способ заставить многие металлы-катализаторы растворяться в скСО₂ и "плавать" в нем, как рыба в воде. Для этого к ним присоединяют своего рода "плавники" из полимерных фторсодержащих молекул. Теперь можно проводить каталитические процессы, не используя вредные органически е растворител и.

***

Реакциями в среде скСО₂ легко управлять. Это позволило получать многие органические вещества, представляющие собой относительно крупные циклические (кольцеобразные) молекулы, например антибиотики, намного проще, чем привычными способами. Циклы-кольца образуются из длинных молекул при смыкании их концевых участков. Но не все молекулярные цепочки смыкаются в кольца при химической реакции. Иногда концы соседних молекул сращиваются и образуют длинные молекулярные нити, так называемые линейные полимеры. При производстве антибиоти ков такая полимеризация крайне нежелательна.

В сверхкритической двуокиси углерода удается этот процесс прервать. В среде скСО₂, так же как и при высоком давлении, реакционная смесь делается "плотнее": молекулы заметно теряют подвижность, в результате чего они реже сталкиваются с соседними молекулами, а чаще замыкаются сами на себя, формируя кольца. Очень важно и то, что в среде двуокиси углерода кольца получаются правильной формы.

***

Ближайшая задача - научиться получать на основе скСО₂ различные виды пластмасс для производства мебели, упаковочных материалов, ковров, обоев и даже деталей автомобилей. Все эти изделия будут дешевле производимых сегодня и, что важно, без характерных запахов, присущих употребляемым ныне растворителям.

Вполне возможно, что мир стоит на пороге решительных перемен в производстве пластмасс. Эта отрасль, как известно, развивается наиболее быстрыми темпами, опережая металлургию чугуна и алюминия. Сегодня объем ее продукции в мире измеряется сотнями миллионов тонн.

Приходит экологически чистое и более дешевое химическое производство, основанное на использовании двуокиси углерода, которая до сих пор считалась отходом энергетики, виновником возникнове ния "парникового эффекта" и связанных с ним серьезных климатических катастроф.

Можно надеяться, что именно здесь человечество найдет один из надежных и недорогих "складов", куда запрячет излишки СО₂.

№6, 2001