Один процесс вместо четырех промышленных

Исследования азербайджанских ученых способствуют нетривиальному решению актуальных химико-технологических задач

В одном из бакинских издательств вышла в свет монография известного ученого, вице-президента НАНА, заведующего отделом когерентно-синхронизированных реакций окисления Института катализа и неорганической химии Министерства науки и образования, директора Научного центра «Национальная азербайджанская энциклопедия» НАНА академика Тофика Нагиева «Сопряженные реакции в контексте современных идей».

В издании отражены полученные за последние годы результаты по углубленному исследованию кинетических аспектов химического вмешательства одной реакции в протекание другой, которое ранее получило общее для этого явления название «Химическая интерференция». Также критически рассмотрен ряд подходов к трактовке механизма явления, известного как «сопряженные процессы». Об этом и о многом другом автор книги Тофик Нагиев рассказал корреспонденту нашей газеты.

- XXI век характеризуется своими вызовами ко многим сохранившимся промышленным технологиям, которые не согласуются с современными требованиями, предъявляемыми к новым и альтернативным технологиям. В каких аспектах они сегодня находят решение?

- Главным образом в рамках устойчивого развития, с опорой на принципы «зеленой» химии. Реализуемые в природе биохимические процессы оптимально отвечают требованиям этих основополагающих принципов. Поэтому, черпая идеи у природы, химики, начиная со второй половины XX века, настойчиво ищут и находят рациональные пути для их успешной реализации в конкретных технологических процессах. Если в прошлом прикладной процесс считался инновационным, например, синтез азотной кислоты через аммиак (процесс Габера-Боша, 1913 г.), состоящий из четырех отдельных технологических процессов, в настоящее время в связи с экологическими и энергетическими проблемами является анахронизмом и нерентабельным. На сегодняшний день сопряженные или когерентно-синхронизированные реакции в природных процессах (целостный подход) позволяют реализовывать их не по отдельности, а в согласованном и едином биотехнологическом процессе. В этом аспекте подавляющее большинство биохимических реакций носит сопряженный характер - сопряженные процессы являются частью когерентно-синхронизированных реакций, в формате которых в сложных химических системах решаются вопросы их самоорганизации и саморегулирования.

- Что лежит в основе целостного подхода к исследованию механизма взаимодействия и взаимовлияния различных химических реакций?

- В его основе лежит теория когерентно-синхронизированных реакций. Такой подход в соответствии с вызовами XXI века способствует нетривиальному решению актуальных химико-технологических задач, столь необходимых для устойчивого развития химической промышленности.

- Тофик муаллим, в зарубежной научной литературе весьма распространен термин «эффект Нагиева». Можно ли подробнее об этом?

- Зарубежные ученые при проведении квантово-химических исследований механизма реакции фиксации молекулярного азота пероксидом водорода подтвердили факт образования в системе закиси азота и теоретически доказали образование относительно устойчивого HOO-N=N-OOH интермедиата, что явилось теоретическим обоснованием полученных ранее мною экспериментальных результатов. Этот процесс и был ими назван «эффектом Нагиева».

- А кто именно дал такое название?

- Это случилось в 70-е годы прошлого столетия в Москве - я стал доктором химических наук в 32 года. Моя тема газофазного окисления пероксидом водорода была фактически не исследована к тому времени. В 1970-м я целый год был на стажировке во французском Институте нефти, собрал хороший материал, провел ряд исследований и практически к 1973 году подготовил докторскую диссертацию. Я защищал ее в Москве, в Институте нефтехимического синтеза им.А.В.Топчиева АН СССР. В рамках подготовки к защите, во время семинара, на котором присутствовали ведущие специалисты в области кинетики и механизма окислительных процессов практически из всех академических учреждений Москвы и где обсуждались многие аспекты диссертации, мне было задано более 50 вопросов, мою работу приняли. Во время защиты выступили замечательные оппоненты - помимо Штерна (крупнейшего в мире специалиста по реакциям окисления), еще и академик-секретарь отделения химии РАН Николай Маркович Эмануэль, а также известный профессор МГУ Клавдия Васильевна Топчиева. Штерн, отличающийся своей принципиальностью, во время защиты в своем заключительном слове назвал предложенную мной элементарную реакцию «реакцией Нагиева.

- С тех пор прошло много лет, на какой стадии сейчас ваши разработки?

- Действительно, почти 40 лет назад была успешно осуществлена реакция связывания азота в виде N2О (закиси азота) через взаимодействие N2 c перекисью водорода при среднетемпературных условиях - именно то, что в зарубежной научной литературе называется «эффектом Нагиева», - однако эти экспериментальные результаты до недавнего времени оставались незамеченными в научной литературе. В 2013 году в Журнале структурной химии были опубликованы результаты квантовых химических расчетов, проведенных украинскими учеными, в которых они фундаментально подтверждают возможность и эффективность азотфиксации в виде N2О.

- А как получают из азота азотсодержащие соединения? И почему это так важно?

- Аммиак служит сырьем для получения аммония и его соединений, азотной кислоты, а из нее - различных нитратов и многих других продуктов химического производства. Вот почему фиксация атмосферного азота в виде химического аммиака позволила совершить в XX веке вторую «зеленую» революцию - создание синтетических азотных удобрений резко подняло урожайность и позволяет накормить вот уже более 7,5 млрд людей.

- Это тот самый процесс синтеза аммиака Габера-Боша, при котором атмосферный азот «связывается», превращая воздух в… деньги?

- Вот именно. Однако этот процесс сегодня в условиях, когда цены на нефть и природный газ достаточно высоки, технологически отнюдь нерентабельный. В нем недеятельный азот из атмосферы в несколько технологических стадий превращается в полезный аммиак в присутствии катализаторов, высоких температур и давлений. Затем из полученного аммиака синтезируют азотную кислоту, необходимую для получения сельскохозяйственных удобрений. Синтез аммиака восстановлением азота молекулярным водородом не ограничен только фиксацией исходного сырья - азота. С этой точки зрения предприятия желательно располагать там же, где расположены потребители, способные обеспечивать платежеспособный спрос. Речь идет о производствах, которым синтез аммиака необходим для производства удобрений, позволяющих повысить урожайность в сельском хозяйстве, или предприятиях, производящих порох, и т.д.

- А почему процесс нерентабелен?

- Потому что протекает в нескольких технологических стадиях, как минимум, в четырех: из метана получают водород, который затем очищается от СО и СО2 с последующим восстановлением азота в аммиак, а из него синтезируют азотную кислоту, которая используется для получения удобрения. В случае синтеза закиси азота необходимо из аммиака и азотной кислоты получить нитрат аммония, разложение которого дает нам закись азота. Это еще два дополнительных технологических процесса.

- Вы можете предложить альтернативу?

- Да, мы как раз этим и занимаемся. Если процесс Габера-Боша носит восстановительный характер, то мы решили этот вопрос окислением. Я понимал, что надо обязательно внедрять, потому что это решение вопроса, позволяющее синтезировать закись азота - N2O (веселящий газ) и азотную кислоту гораздо более рентабельным путем в одну технологическую стадию, а не в 4-6, как у них. Это был своего рода наш научный прорыв. В 80-е годы я решил внедрить этот процесс, но чтобы выйти на промышленный уровень, надо было апробировать его на пилотной установке, ведь процессы в лабораторных микрореакторах трудно масштабировать в крупные.

В 1985 году в СКБ нашего Института молекулярной биологии и биотехнологий мы заказали 4-литровую пилотную установку для окислительной азотфиксации, через два года она была готова и мы приступили к экспериментам, стали запускать установку. Но тут у меня случились длительные загранкомандировки (США, Швеция), потом наступили тяжелые 90-е, некоторые сотрудники лаборатории ушли зарабатывать на жизнь в другие сферы, потом - нулевые, ремонт во всей академии, многие учреждения НАНА стали избавляться от старого оборудования. Но я берег свой реактор как зеницу ока и, даже заняв должность директора Научного центра «Азербайджанская национальная энциклопедия», продолжал работать над темой окислительной азотфиксации. Разделил лабораторию на две самостоятельные лаборатории, одна из которых занимается азотфиксацией и окислением закисью азота, а другая - окислением углеводородов перекисью водорода в газовой фазе.

Как видите, хоть процесс и затянулся, но он всегда был в моей голове. В 2016 году мы получили грант от Фонда развития науки (ФРН) при Президенте страны. И за два года разработали альтернативный способ фиксации азота, то есть получаем закись азота, азотистую, азотную и азотноватистую кислоты в одном реакторе, а не в четырех-шести, как в процессе Габера-Боша. Кроме того, новизна нашей работы в том, что у нас на выходе фиксируется более 50% азота, а у них (процесс Габера-Боша) - только 15-25%.

- Осталось только внедрить это в производство?

- Вот именно. Мы встретились со специалистами ПО «Азеркимья», обсудили с ними все очень подробно и очень конкретно, показали им наш реактор. Всем все понравилось, но оказалось, что у них недостаточно средств для внедрения этой технологии в промышленное производство. Но, согласитесь, каким бы дорогим ни был этот процесс, он не может быть в принципе дороже многостадийной технологии Габера-Боша.

- Вся надежда на частное инвестирование?

- Совершенно верно.

Галия АЛИЕВА

Бакинский рабочий.-2022.- 18 ноября.- С.6.