На сегодняшнем этапе промышленного производства особое внимание уделяется не только основным свойствам конечного продукта, но также ресурсо- и материалоемкости производства, экологической чистоте и возможности утилизации, переработки и вторичного использования этого продукта. Также известно, что материалы, покрытия и различные реагенты производятся химической промышленностью. А это подразумевает серьезную экологическую опасность, токсичные отходы, выбросы вредных промежуточных продуктов, повышенную энергоемкость и так далее. Поэтому интерес к разработке новых технологических процессов с пониженной энергоемкостью, высокой производительностью и малым количеством отходов и побочных продуктов, то есть к так называемой "зеленой" химии, высок и устойчив. Работы по поиску одного из таких методов переработки органических соединений были начаты академиком Н.М. Эмануэлем, именем которого сейчас назван институт биохимической физики РАН.
Коллективом лаборатории окисления органических веществ ИБХФ РАН разработаны научные основы технологии одностадийного каталитического окисления растительного сырья кислородом.
Суть технологии состоит в окислительной модификации кислородом крахмала и других полисахаридов в присутствии ионов меди и оснований. Основными продуктами процесса являются полиоксикислоты. Причем свободные радикалы в этом процессе не образуются. Достижением данной технологии является то, что окисление производится именно газообразным кислородом, а не применяемыми прежде для окисления полисахаридов гипохлоритами, периодатами или перекисью водорода. Реакция протекает на больших скоростях, при комнатной температуре с практически стопроцентной селективностью образования конечных продуктов. Степень окисления регулируется количеством введенной щелочи. Таким образом можно регулировать вязкость конечных продуктов, клеящую способность, растворимость в воде и так далее, то есть получать продукты определенного назначения.
Использование окисленных крахмалсодержащих реагентов при производстве древесно-волокнистых и древесно-стружечных плит позволяет отказаться от токсичной фенолоформальдегидной смолы (на фото). Сами плиты от этого становятся только прочнее
Фото: ИТАР-ТАСС
Разработанная технология олицетворяет собой весьма популярную на Западе так называемую "one-pot technology" (дословно "технология одного горшка"). Это значит, что технологический процесс протекает в одном химическом реакторе, на выходе которого получается готовый продукт. При этом все промежуточные продукты не имеют контакта с окружающей средой и оператором, и, соответственно, исключается их утечка и загрязнение окружающей среды. Само собой разумеется, что это огромный плюс разработанной технологии. Вторая особенность - безотходность. Непрореагировавшее сырье может быть использовано при следующей загрузке реактора, и вместо того, чтобы перерабатываться в отдельном процессе или складироваться, оно превращается в полезный продукт по все той же технологии. Эти особенности дают возможность относить разработанный процесс к "зеленой" химии.
Данная технология позволяет получать множество продуктов для разнообразных отраслей. Это водорастворимые клеи для производства бумаги и картона, экологически чистые реагенты в производстве ДСП и ДВП, компоненты буровых растворов и нефтевытесняющих жидкостей, компоненты строительных смесей, антипирены (коксообразующие огнегасители), компоненты моющих средств, стимуляторы роста растений и т.д. Такие материалы широко распространены и производятся в больших объемах, поэтому удешевление их производства, упрощение технологии и улучшение экологических показателей будут иметь значительный положительный эффект.
В качестве сырья могут быть использованы не только высокоценные продукты, содержащие полисахариды, например доступные зерновые (кукуруза, рис, овес), но и отходы целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности, а также некондиционные сельскохозяйственные продукты (пораженные грибковыми заболеваниями зерна, отходы мукомольных комбинатов, отходы шлихтования риса и т.д.), которые невозможно использовать по прямому назначению. Все эти продукты являются промышленными отходами, и их хранение и утилизация требуют огромных ресурсов, да и экологическая опасность этих мероприятий весьма высока — например, самопроизвольное возгорание хранилища с некондиционным зерном может считаться экологической катастрофой для целой области. Технология, о которой мы говорим, позволяет не только перерабатывать эти отходы с минимальными затратами ресурсов и с минимальной экологической опасностью, но и получать при этом ценные продукты различного назначения. Причем себестоимость их производства будет низкой.
Как уже писалось выше, возможно использование окисленных крахмалсодержащих реагентов (ОКР) для производства экологически чистых связующих в изготовлении ДВП и ДСП. В их производстве используются различные связующие материалы, наиболее популярный из которых — фенолоформальдегидная смола. Основные проблемы при ее использовании — выделение из нового изделия непрореагировавших компонентов, или же выделение продуктов распада связующего (если изделие используется длительное время, и на ламинированной поверхности появились несплошности). Данные продукты, безусловно, токсичны и не прибавляют здоровья пользователю. Утилизация этих изделий вызывает много вопросов. Также высокую опасность имеет и производство связующего. Полная или частичная замена связующего в ДСП на ОКР позволяет решить все эти проблемы. Замена части фенолформальдегидной смолы на ОКР приводит к снижению токсичности на 30-40%. Кроме того, применение ОКР в данном случае приводит к существенному улучшению физико-механических характеристик.
Применение окисленных крахмальных реагентов в нефтедобывающей промышленности также имеет ряд существенных достоинств. Широко распространенное использование в качестве основного компонента буровых растворов карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) весьма дорого, так как сама по себе КМЦ не дешева в производстве, а буровых растворов требуется много. Производство КМЦ требует чистого сырья и некоторых токсичных компонентов. Кроме того, буровой раствор собрать и утилизировать полностью невозможно — какое-то количество все равно попадет в окружающую среду. Замена КМЦ на ОКР решает все эти проблемы. При применении ОКР улучшаются технологические характеристики буровых растворов и повышается коррозионная стойкость оборудования, так как ОКР являются высокоэффективными ингибиторами коррозии черных металлов. Также повышается диспергирующая способность буровых растворов, регулирующая поддержку минимально допустимой концентрации твердой фазы в растворе.
Как показали исследования, крахмалсодержащие реагенты обладают высокими пожаротушащими свойствами. Таким образом, становится возможным их применение для повышения огнетушащей способности воды и в качестве антипиренов. При покрытии деревянных конструкций составами на основе ОКР на поверхности образуется пленка, которая при нагреве в пламени вспенивается и образует кокс. Этот слой обладает малой теплопроводностью и, соответственно, защищает основной материал от воздействия высокой температуры, а также препятствует доступу кислорода к поверхности материала. В результате использования крахмалсодержащих реагентов в качестве антипиренов происходит снижение всех показателей пожарной опасности, таких, как воспламеняемость, горючесть, распространение пламени по поверхности, дымообразующая способность и токсичность продуктов горения. Введение ОКР в воду в количестве 0,5-1,5% по массе позволяет сократить время тушения очага возгорания в 2-3 раза.
Проведенные исследования показали целесообразность использования ОКР также в качестве пленкообразующего вещества в предпосевной обработке семян, включающей в себя обработку ядохимикатами, ростостимулирующими веществами, микроэлементами. Применение ОКР решает такие проблемы, как слипание семян из-за высокой вязкости применяемых растворов на основе натриевой соли КМЦ и низкую адгезию, обуславливающую осыпаемость пестицидов с семян.
Возможно использование крахмальных реагентов и в строительной промышленности. Введение ОКР в цементные и бетонные растворы приводит к повышению пластичности и прочности. При добавлении в состав гипса и бетона ОКР служат замедлению затвердевания. Использование ОКР в сухих штукатурных смесях в качестве связующего способствует повышению эластичности и уровню адгезии к поверхностям.
Еще одним примером возможного использования окисленных крахмалсодержащих реагентов является использование ОКР в качестве моющего средства. Причем в данном случае их использование приводит не только к значительному удешевлению, но и к повышению их эффективности.
Резюмируя, нужно отметить, что разработанная технология является перспективной к применению во многих отраслях: она экологична, сырьем являются продукты растительного происхождения, то есть в результате обработки не образуется никаких токсичных продуктов; экономически выгодна, так как в качестве сырья можно использовать любые крахмалсодержащие продукты, причем возможно использование и некондиционного сырья; уровень потребления электроэнергии минимален; технологична; есть возможность получения широкого спектра продуктов и модификации свойств исходных соединений.