Б. А. Трофимов

Вид материала

Книга

Содержание Экология в исследованиях института Делать целлюлозу учимся у природы Перспективы развития института Научные школы Оперативная перестройка тематики института Полувековой задел фундаментальных и прикладных результатов – основа устойчивого развития института Химия ацетилена Химия возобновляемого сырья. Теоретические исследования.

Подобный материал:

• Токсубаева Лидия Сергеевна доцент кгу трофимов Анатолий Михайлович профессор кгу конференция, 336.82kb.
• Издание Смоленского Губернского Статистического комитета. Смоленск, 1905 г. Ocr сергей, 810.48kb.
• Беус Алексей Александрович назвал свой учебник, 109.36kb.
• Рабочая программа Разработал Доцент сф ргуитп п. А. Трофимов 2002 г. Принято на заседании, 55.96kb.
• Название программы, 377.15kb.
• А. А. Трофимов Петрозаводский государственный университет, 54.42kb.
• Студент группы сэу-52 Трофимов, 47.63kb.
• Методические рекомендации адресуются студентам 4-6 курсов Хроническое легочное сердце, 247.42kb.
• Ю. В. Трофимов, Б. И. Шар,, 6414.7kb.
• Темы курсовых проектов по дисциплине «Теория принятия решений», 35.1kb.

Разработан новый общий подход к синтезу наноразмерных материалов различных классов (металлы, оксиды и др.) на основе уникальных природных стабилизирующих матриц: гемицеллюлозы (например, арабиногалактан), гепарин, лигноуглеводный комплекс и др.

Получаемые нанобиокомпозиты проявляют характерный синергизм свойств как природной матрицы (оптическая активность, регулируемая водорастворимость, биосовместимость, мембранотропность по отношению к живой клетке, иммуномодулирующие свойства, суперабсорбентные свойства, пролонгированность биологического действия), так и материала ядра: каталитическая активность в случае использования переходных металлов, заданный магнетизм (суперпарамагнетизм) в случае применения оксидов железа, нелинейно-оптические свойства при использования металлов или полупроводников, дефицитвосполняющие свойства для живого организма в случае использования соединений соответствующих элементов, универсальное антимикробное действие (Б. А. Трофимов, Б. Г. Сухов) [38]. Все перечисленные свойства получаемых нанокомпозитов можно закономерно комбинировать в широких пределах, получая материалы с необычным комплексом заданных свойств. Благодаря этому новые наноразмерные биокомпозитные материалы будут востребованы в качестве нового поколения наноразмерных катализаторов и “нанореакторов”, материалов для когерентной и нелинейной оптики, а также при создании “фотонных” компьютеров (нанокомпозиты с плазмонным резонансом), магнитных нанопорошков и нанонаполнителей (магнитных носителей информации, компонентов радиопоглощающих покрытий, преобразователей электромагнитных колебаний в иного рода колебания), растворимых магнитов и магнитных жидкостей, биодеградируемых магнитоконтрастных средств для томографии, магнитоуправляемых лекарственных средств (магнитолокализуемых, магнитодинамически контролируемых, в том числе, для магнитодинамической термотерапии рака), флуоресцентных биологических меток, атромбогенных антимикробных материалов, дефицитвосполняющих средств, суперабсорбентов с антимикробным действием и др.


Экология в исследованиях института


По уровню развития лесной, химической, целлюлозной и гидролизной промышленности Иркутская область находится в числе ведущих регионов страны. Такая насыщенность региона предприятиями химико-лесного комплекса, безусловно, отражается на состоянии окружающей среды. Известно, что экологическая ситуация в крупных городах области остается неблагополучной.

Систематические фундаментальные исследования института создают научную базу не только для снижения или нейтрализации вредного воздействия хозяйственной деятельности предприятий области, но и в значительной степени для его предотвращения. Такой подход соответствует современной стратегии защиты окружающей среды (pollution prevention pays – предотвращение загрязнения окупается).

Утилизация хлор- и серосодержащих отходов. Исследования института (С. В. Амосова, Э. Н. Дерягина, А. К. Халиуллин) наметили новые направления использования серосодержащих отходов в качестве сырьевых ресурсов для производства полимерных материалов при одновременном использовании хлорорганических отходов. В основе предложенных процессов, проверенных в масштабе пилотных установок на примере кубовых остатков ряда производств (галовакса, эпихлоргидрина, винилхлорида и др.) или боевых отравляющих веществ, таких, как иприт (Н. К. Гусарова), лежит конденсация органических полихлоридов или ацетилена с сульфидом или полисульфидами натрия, метилмеркаптаном или диметилдисульфидом.

На основе вредных отходов и боевых отравляющих веществ получен широкий круг сорбентов и экстрагентов, эффективно удаляющих из воды и воздуха различные загрязнители: синтетические моющие вещества, органические соединения (фенолы, альдегиды, кислоты, спирты, фурфурол и т.п.), ртуть и другие тяжелые металлы. Возможности указанных реагентов проверены при очистке некоторых стоков и выбросов предприятий нашего региона. Они могут оказать существенную помощь в устранении вредных последствий хозяйственной деятельности, в частности, внести вклад в решение проблемы ртутного загрязнения Ангары и Братского водохранилища.

Эффективные сорбенты ртути ученые института получили также на основе гидролизного лигнина, отвалы которого в области ежегодно увеличиваются примерно на 130 тыс. т. Ряд сорбентов и экстрагентов, разработанных в ИрИХ, могут найти применение при добыче и переработке цветных, редких и благородных металлов, обеспечивая их более полное извлечение из водных растворов низкой концентрации.

Утилизация лигнина. Как отмечалось выше, на основе гидролизного лигнина в институте выпускается лечебный препарат полифепан, применяемый в медицинской и ветеринарной практике, разработаны также компосты, существенно увеличивающие плодородие сельскохозяйственных угодий. Организация производства компостов позволит ликвидировать гигантские отвалы лигнина (ориентировочно, они достигают миллионы тонн), состояние которых внушает серьезные опасения (возможность возгорания).

Очистка сточных вод, предотвращение вредных выбросов. Исследования интерполимерных реакций в водных средах (А. К. Халиуллин) привели к созданию технологических процессов очистки промышленных и коммунальных стоков с помощью водорастворимых поликатионов. На примере целлюлозных производств Усть-Илимского лесопромышленного комплекса, Байкальского целлюлозно-бумажного комбината и Селенгинского целлюлозно-картонного комбината показано, что обработка сточных вод поликатионами приводит к образованию нерастворимых интерполимерных комплексов поликатиона с сульфатным лигнином (основной загрязнитель стоков), легко удаляемых из водной фазы. Образование таких комплексов сопровождается потерей заряда частицами и их гидрофобизацией, что влечет за собой захват из сточных вод других органических загрязнителей.

Следующие два примера иллюстрируют возможность принципиального повышения экологической безопасности отдельных отраслей хозяйственной деятельности в результате умелого применения достижений той самой химии, в которой некоторые даже образованные люди видят главного врага природы и человека.

В последние годы реализация известного лозунга: “Автомобиль – не роскошь, а средство передвижения!” - быстрыми темпами приближает Россию к уровню автомобилизации развитых стран и, соответственно, существенно повышает степень загрязнение атмосферы. В США, наиболее моторизованной стране мира, именно автомобиль, а не какая-либо отрасль промышленности является главным источником загрязнения воздуха. Традиционные патроны дожигания выхлопных газов (нейтрализаторы), используемые для превращения вредных компонентов автомобильных выхлопов в диоксид углерода и воду, требуют расхода благородных металлов. В США на эти цели уже расходуется большая часть добываемой платины. И при этом неизбежно снижается мощность двигателя. Но принципиальный недостаток автомобильных нейтрализаторов заключается в том, что они предназначены для борьбы со следствием, а не порождающей его причиной.

Разработанная в институте (А. И. Михалёва, А. М. Васильцов) добавка к моторным топливам ЭКО-2 (экология + экономия) обеспечивает более полное сгорание топлива. За счет этого уменьшается содержание вредных веществ в выхлопных газах. Испытания, проведенные на стенде НИИ автотранспорта, показали, что введение в бензин всего 0.7% ЭКО-2 вдвое снижает содержание в выхлопах токсичной окиси углерода (угарного газа). Одновременно за счет улучшения сгорания снижается расход бензина до 20% (в зависимости от типа двигателя).

Созданные в институте закалочные среды на основе водорастворимых полимеров (М. Г. Воронков, В. З. Анненкова), вместо применяемых обычно минеральных масел, позволяют повысить экологическую безопасность термического производства предприятий машиностроения, улучшить условия труда при сохранении и даже повышении качества закаливаемых металлоизделий. Эта разработка была внедрена на ряде заводов страны.

Органо-минеральные удобрения. Потребности региона в органических удобрениях, по данным отдела растениеводства Главного управления сельского хозяйства Иркутской области, составляют 5.2 млн. тонн в год, а воспроизводство плодородия почв входит в состав критических технологий федерального уровня. Современные тенденции в законодательстве по охране природы указывают на все большее значение технологий, позволяющих снизить техногенную нагрузку на биосферу.

В институте разработана и запатентована (С. А. Медведева) экологически безопасная биотехнология переработки возобновляемого, а также ископаемого органического сырья (лигноцеллюлозные отходы, щепа, опилки, низкокачественные угли) в полноценные органо-минеральные удобрения с использованием ассоциации непатогенных микроорганизмов, выделенных из природной среды (актиномицеты, грибы, дрожжеподобные грибы и др.). Превращение органического сырья в удобрение осуществляется за счет интенсификации естественных микробиологических процессов биотрансформации и гумификации в присутствии минеральных добавок. Процесс реализуется в течение одного летнего сезона, не требует применения дорогостоящего оборудования, может быть модифицирован и легко привязан к месту реализации. Многолетними испытаниями показано, что применение нового удобрения улучшает структуру почв, способствует накоплению там гумуса, подвижного фосфора, обменного калия, нитратного азота и дает высокую прибавку (до 60%) урожая ячменя, пшеницы, гороха, овса, картофеля и зеленой массы кукурузы с оптимальным содержанием азота, фосфора, калия в продукции.

Актуальность проведения этих исследований связана еще и с тем, что они направлены на поиск рациональных путей ликвидации отвалов гидролизного лигнина, которые часто самовозгораются, принося этим непоправимый вред окружающей среде.

Большинство разработок института в интересах экологии (как рассмотренные, так и те, что остались за рамками главы) все еще ждут своего применения на территории Иркутской области.


Делать целлюлозу учимся у природы


Целлюлозно-бумажные предприятия загрязняют окружающую среду. Это - аксиома. Поэтому принципиально новые подходы к высвобождению целлюлозы из древесины, над которыми долгое время работал институт, заслуживают специального рассмотрения. Эти исследования можно считать особенно актуальными для Иркутской области, где сосредоточено три целлюлозно-бумажных комбината, притом два из них, Байкальский (БЦБК) и Усть-Илимский, осуществляют сброс сточных вод непосредственно в Байкал и реку Ангару. Например, только в 1996 г. со стоками БЦБК в Байкал поступило легкоокисляемых органических веществ - 428 т, лигнина - 296 т и фенолов - 520 кг (Государственный доклад, 1997).

Кардинальным решением проблемы является создание схем отбелки, исключающих использование хлорсодержащих соединений или, по крайней мере, элементного хлора. Для достижения нужной белизны товарного продукта требуется снижение содержания остаточного лигнина в целлюлозе перед отбелкой. Одно из направлений осуществления этого условия связано с использованием в качестве делигнифицирующих агентов микроорганизмов и их ферментов (лигнин “съедается”, целлюлоза остается). Такая биотехнология широко используется природой. Не грех у нее и поучиться. Начиная с 80-ых годов, разработки технологий биоделигнификации активно ведутся за рубежом. В России систематическому развитию этого направления послужили работы института, начатые в 1987 г. (В. А. Бабкин, С. А. Медведева).

Исследователи института, как и их коллеги за рубежом, остановились на группе наиболее активных дереворазрушающих микроорганизмов - базидиальных грибах. Были выбраны такие их представители, которые, по сравнению с известными, в том числе и с наиболее активным Phanerochaete chrysosporium, отличались высокой избирательностью по отношению к лигнину. Например, гриб Phanerochaete sanguinea способен за 30 суток разрушать 9% лигнина древесины, а гриб Trametes villosus за 14 суток - 17%, почти не затрагивая при этом целлюлозу. В институте найдены оптимальные условия культивирования гриба Phanerochaete sanguinea, в которых удалось довести деструкцию лигнина в небелёной сульфатной лиственной целлюлозе до 46%.

Найденный в институте вариант бесхлорной отбелки с использованием хелатирующего агента и катализатора позволяет получать целлюлозу с белизной 80-82% при сохранении достаточной степени её полимеризации. При этом вклад биологической ступени в белизну лиственной целлюлозы сохраняется после воздействия химических реагентов и составляет 4.5 %.

Совместно с отраслевым институтом ЦБП разработаны технологическая схема и режим отбелки хвойной сульфатной целлюлозы без применения элементного хлора с использованием ферментных препаратов ксиланазного типа для делигнификации небеленой целлюлозной массы перед отбелкой. Последующая отбелка предусматривает применение пероксида водорода и диоксида хлора. В этих условиях на стандартном технологическом оборудовании была получена целлюлоза с белизной 86% и хорошими механическими характеристиками. При этом удается сократить энергозатраты на 35%, а расход химреактивов - на 5%.

По технологическим схемам, предусматривающим ферментативную ступень отбелки с использованием ксиланазных ферментов, уже производят бесхлорную целлюлозу в Финляндии и других скандинавских странах. Исследованные в институте ферменты не уступают по эффективности зарубежным коммерческим препаратам. Таким образом, в институте были созданы научные основы производства бесхлорной целлюлозы в Иркутской области.


Перспективы развития института

Перспективы развития института неотделимы от перспектив развития Российской академии наук в целом. Академия переживает сейчас период реформ, направленных на существенные изменения порядка вещей, сложившихся в Академии наук за два с половиной века ее существования. Поэтому говорить о будущем института сейчас особенно трудно, поскольку неясно будущее самой Академии. Тем не менее, очевидно, что для существования и процветания академического института необходимы следующие условия:

• сильные, устоявшиеся, конкурентно способные научные школы;
  
• адекватное финансирование фундаментальных исследований;
  
• значительная (не менее 30%), устойчивая, активно работающая молодежная прослойка;
  
• быстрая адаптация тематики института к изменяющимся тенденциям мировой химической науки.
  

Часть этих условий в нашем институте имеется. К сожалению, не все. Развитие института будет определяться тем, в какой степени перечисленные требования смогут сохраниться и реализоваться в будущем.


Научные школы


В институте две официально признанные, поддерживаемые грантами правительства научные школы: школа академика М. Г. Воронкова (химия кремнийорганических соединений) и школа академика Б. А. Трофимова (синтез на базе ацетилена). Обе школы, особенно по химии ацетилена возникли в русле крупной классической Российской школы академика А. Е. Фаворского. Статус их подтвержден не только соответствующими Российскими министерствами и ведомствами, организующими конкурс научных школ и распределяющими Гранты, но и объективно признан во всем мировом научном сообществе. Это активно работающие коллективы ученых, объединенные общей тематикой исследования, общими идеями, методологиями и традициями, включающие несколько поколений – от студентов до академиков, между которыми существует преемственность знаний, опыта, целей и задач. В школах это все передается от поколения к поколению, как по эстафете.

Школы воспитывают учеников. У нас это – кандидаты и доктора наук – кадры высшей научной квалификации. Активная образовательная функция наших двух научных школ ярко подтверждается количеством вышедших из них учеников: 24 доктора и 65 кандидатов наук (в ацетиленовой школе) и 30 докторов и более 100 кандидатов наук в школе академика М. Г. Воронкова (причем большинство из них – сотрудники его иркутской научной школы). Наверное, нет ни одного ВУЗа в городе, где бы не работали профессорами и доцентами выпускники наших школ.

Таким образом, институт располагает важнейшим условием для своего динамичного развития – активно работающими научными школами.


Финансирование


Оно будет все больше основываться на принципах конкуренции. Все большая часть бюджета Академии будет распределяться по интеграционным и междисциплинарным проектам и комплексным целевым программам, связанным с приоритетными направлениями и критическими технологиями. Соответственно, в институте неизбежно, и даже возможно, вопреки намерениям директора (научного руководителя), будут укрепляться и развиваться конкурентно способные направления, получающие наибольшее финансирование по конкурсам. Что будет с другими направлениями? – Предсказать не трудно. Но это только одна сторона многогранника под названием бюджетное финансирование.

Вторая сторона – это объем средств, выделяемых институту Академией. Он должен быть достаточен, чтобы удержать молодежь: сейчас для этого нужно 20-30 тысяч рублей в месяц, в дальнейшем – больше. Если в самое ближайшее время этого достигнуть не удастся, вряд ли можно рассчитывать на сбалансированное развитие академических институтов.

Для химического института зарплата еще далеко не все: нам нужны дорогостоящие новые приборы, компьютеры, реактивы, стеклянное оборудование, научные журналы и книги. В настоящее время объем и структура выделяемого институту бюджета не адекватны задачам его сохранения и развития. Существенное увеличение доли внебюджетных поступлений (более 50%) от хоздоговоров и контрактов с зарубежными фирмами грозит потере статуса академического института, ориентированного в основном на фундаментальные исследования.

Главное - стратегия бюджетного финансирования академической науки - не зависит от институтов и всегда будет определяться правительством и руководством РАН.


Молодежь


Очевидная и наиболее трудно решаемая проблема. Самое главное здесь – доступное жилье для молодых ученых, а это опять – финансирование. Если в ближайшее время молодым сотрудникам института действительно будет обеспечена заработная плата на уровне 20-30 тысяч в месяц, то острота жилищной проблемы во многом сгладится: молодые семьи получат возможность снимать квартиры. Понятно, что увеличить молодежную прослойку до 20-30% при сохранении современной численности невозможно.

Мы видим, что реформа (“пилотный проект”) направлена в основном на “выдавливание” пенсионеров. Для института это грозит большими издержками. Наши пенсионеры – основные носители знаний, опыта и традиций в области классического органического синтеза – науки, на которой стоят вся современная промышленность, приоритетные направления и критические технологии.

В этом смысле, чтобы у института было будущее, нужно отбирать и пестовать талантливых молодых синтетиков, буквально поштучно, создавать им условия для быстрого профессионального роста.

Реформированный институт должен не просто иметь много молодых сотрудников, но это должна быть талантливая молодежь, увлеченная наукой. Такой молодежи никогда не было много. Поэтому в перспективе весь институт должен становиться все более компактным. Это в идеале должно быть сообщество влюбленных в науку энтузиастов – молодых и ветеранов, передающих эстафету своим талантливым ученикам.


Оперативная перестройка тематики института


Жизнеспособный современный химический институт должен уметь быстро адаптировать свои базовые направления к меняющимся тенденциям в химической науке: прорывы в металлокомплексном катализе, асимметричесий синтез, микроволновая активация, ионные жидкости, супрамолекулярная химия, нанотехнологии и наноэффекты, химия фуллеренов и нанотрубок, органический катализ, солнечная, водородная и метанольная энергетика… Все это так или иначе взаимодействует с направленным органическим и элементоорганическим синтезом, во многом определяется этим взаимодействием.

Хочется надеяться, что институт в будущем будет более оперативно подстраивать свой богатый синтетический потенциал и свои фундаментальные достижения для участия в прорывных исследованиях других дисциплин. Все крупные современные проекты по своей природе мультидисциплинарны. И нет более мультидисциплинарной науки, чем химия.

Полувековой задел фундаментальных и прикладных результатов – основа устойчивого развития института


За 50 лет институтом наработан огромный массив фундаментальных и прикладных результатов. Это вывело институт в число лидеров в области органической и элементоорганической химии. Наиболее крупные и значимые его открытия, достижения и разработки будут служить основой развития института в последующие годы, естественно, с учетом мировых тенденций развития химической науки и региональных задач.


Химия ацетилена остается одним из главных направлений исследования института (академик Б. А. Трофимов). Ацетилен, как универсальное химическое сырье и важнейший строительный блок органического синтеза, может производиться различными путями из природного газа и угля – природных ресурсов, которыми богата Иркутская область. Поэтому дальнейшее развитие химии ацетилена и других легких углеводородов с привязкой к природному газу соответствует долгосрочным интересам региона. Следующие оригинальные технологии на базе ацетилена, созданные в институте с применением суперосновных катализаторов, располагают большим потенциалом:

• винилирование спиртов, многоатомных спиртов, сахаров, целлюлозы, лигнина;
  
• винилирование азотистых гетероциклов (пирролов, индолов, имидазолов и др.);
  
• этинилирование карбонильных соединений;
  
• пиррольный синтез (из кетоксимов и ацетилена);
  
• синтезы на основе цианацетилена и его производных;
  
• синтезы на основе гетероалленов;
  
• синтезы гетероциклов и олигомеров на основе кремнийацетиленов.
  

Химия кремния. Институт занимает лидирующие позиции в области химии кремния необычной валентности: открыты новые виды химической связи с участием атома кремния, синтезированы оригинальные биологически активные кремнийорганические препараты (академик М. Г. Воронков). Задел здесь огромен и потенциал для развития неисчерпаем. Можно ожидать новых крупных достижений в следующих направлениях:

• химия силатранов и драконоидов;
  
• химия силанонов;
  
• химия силоксанов;
  
• химия карбофункциональных кремнийорганических соединений;
  
• дизайн новых типов кремнийорганических соединений необычной валентности.
  

Химия фосфора и серы. В институте создана уникальная химия фосфорорганических соединений, основанная на использовании элементного фосфора в сверхосновных средах, открыты более простые и безопасные пути образования связи углерод-фосфор. Возможности этого направления только начинают раскрываться, и оно, безусловно, будет активно развиваться в ближайшие годы.

Институт традиционно считается ведущим в России в области органических соединений серы. Миллионы тонн этого сырья, выделяемого при нефте- и газоочистке, а также при переработке сульфидных руд, настоятельно требуют своей утилизации. У нас есть большой научный задел в этой области, который позволит использовать серу в производстве различных многотоннажных материалов – осерненного битума, асфальта и бетона. Это тоже одна из возможных точек роста института.


Химия возобновляемого сырья. Для Иркутской области с ее огромными лесными богатствами химия древесины всегда будет актуальной. Вышедший из института антиоксидант и капилляропротектор дигидрокверцетин (диквертин), получаемый из древесины сибирской лиственницы, выпускается сейчас несколькими Российскими фирмами. На смену ему идут новые антиоксидантные композиции, выделяемые из древесины экстракцией. В самое ближайшее время в институте будут созданы оригинальные и высокоэффективные лекарства на базе природного полисахарида – арабиногалактана, также продукта переработки сибирской лиственницы. Эти препараты представляют собой нанокомпозиты с биологически активными металлами (железом, цинком, серебром, палладием, платиной) и благодаря своей особой структуре легко проходят через мембраны клеток. Это направление сейчас бурно развивается во всем мире, и у института есть хорошие шансы закрепить здесь свое место среди лидеров.

Во многих странах все большее внимание сейчас уделяется переработке лигнина – отхода целлюлозно-бумажной и гидролизной промышленности. Для Иркутской области эта проблема является перезревшей. Поэтому институт сейчас начал систематические исследования по разработке на основе лигнина эпоксидных смол и конструкционных пластмасс, разрабатываются лигно-минеральные удобрения. В будущем эти направления имеют предпосылки для ускоренного развития, особенно если учесть экологические проблемы, создаваемые лигнохранилищами.


Теоретические исследования. В институте работают сильные теоретики (специалисты в области квантовой химии), исследования которых признаны на мировом уровне. Изучаются особенности связывания в соединениях кремния необычной валентности, рассчитываются неэмпирическими квантовохимическими методами параметры спектров ЯМР, разрабатываются новые подходы к стереохимическим задачам, создаются расчетные методы молекул в возбужденных и ионных состояниях. Эти работы часто выполняются в сотрудничестве с известными зарубежными коллективами и публикуются в престижных международных журналах. Они имеют хорошие перспективы развития и очевидно, что в ближайшие годы можно ожидать здесь новых значимых результатов.


Самое главное для того, чтобы институт жил и развивался – это наличие у него актуальной и оригинальной тематики, а также задач, решение которых ждет общество. Такая тематика у института есть, и то, что он может решать крупные задачи, доказано всей его пятидесятилетней деятельностью.