Официальный сайт журнала "Экология и Жизнь"

Всё об экологии ищите здесь:

   
Сервисы:
Каналы:
Каналы:
Блоги:
Дайджесты,
Доклады:

ЭКО-ВИДЕО



Реклама


Translate this page
into English

Translate.Ru PROMT©


Система Orphus


Главная О НАС / ABOUT US Статьи Кремнегель - расследование процесса очистки / Технология в жанре экологического детектива

Кремнегель - расследование процесса очистки / Технология в жанре экологического детектива

История одного преступления в обычном научном исследовании

Введение

Сырье – основа любого производства. Для котельных требуется уголь, для автомобилей – бензин. Чем сложнее технология, тем более высокие требования предъявляются к сырью. Заправлять бензин АИ 92 в болид формулы один – очень плохая идея. Сырье должно быть высокочистым и дешевым. Эти требования, как правило, являются взаимоисключающими. Однако, современные проблемы ставят проблемы, которые нельзя решить традиционными способами.

Традиционные дешевые источники сырья со временем истощаться, поэтому нужно обратить свой взор на вещи, от которых большинство из нас предпочитает не видеть. Эта статья о промышленном отходе и открытым мной способе его переработки. Однако, за ней скрывается история не только об одном маленьком научном открытии, но и о становлении ученого, полное ошибок, обмана и заблуждений. Лично для меня эта работа превратилась в одну большую детективную историю в центре которого убийство, но обо всем по порядку.

 

История одного большого «рода»

Прежде всего несколько слов надо сказать о действующих лицах. Наш главный герой – диоксид кремния. Вещество, которое хорошо всем известно. Особенно он любим в летний период, потому что одна из его разновидностей заполняет большинство пляжей мира. Речь конечно же идет о песке. Правда эта история не совсем о нём.

Диоксид кремния можно представить в виде большого и известного рода. Он включает в себя множество семей. Среди них горные породы (песок), а также минералы (кварц) и его разновидности (аметист) и другие.

Однако, в каждой большом роду есть семьи, о которых хотят побыстрее забыть – это промышленные отходы. Как раз о таком виде диоксида кремния и пойдет речь. Его называют кремнегель.

Кремнегель – это отход производства фтористых солей. Теперь Вам стало ясно, что этот рассказ о не самой благополучной семье. Она имеет совсем не благородное происхождение и обитает большую часть времени в шламонакопителе – то есть свалке.

Обратимся к официальным источникам. В качестве примера возьмем один крупный завод «ФосАгро Череповец», который производит 47 тыс. тонн. в год фторида алюминия. В результате, по самым скромным оценкам, образуется свыше 39 тыс. тонн. кремнегеля в год только с одного завода!

Мы имеем перед нашими глазами постоянно растущую семью. Разве это плохо? Вот тут-то и начинаются проблемы, связанные с происхождением. Несмотря на своё количество у отходов есть очень один, но очень большой недостаток. Нестабильность химического состава.

Вернемся к примеру с семьями. Минералы, тот же кварц, можно сравнить с законопослушными семьянинами: имеют постоянную должность, проводят на работе по 8 часов в день, каждое лето возят близких на море, задолженностей по кредитам не имеют.

Промышленные отходы – непредсказуемы: сегодня они успешные бизнесмены и летают на Бали, а завтра их ищут коллекторы дома у мамы в Иваново. Почему так происходит? На производстве технологи следят за качеством продукта, что там происходит с отходами никого не волнует, кроме экологов, конечно. Тем более кремнегель по большей части не токсичен и его достаточно убрать с глаз долой.

Что же с ним делать? В первую очередь изменить отношение. Отход годится только лишь для того, чтобы быть выброшенным на свалку, это конец пути, а сырье – это только начало. Можно сказать, что я выступил в роли социального работника. Решил помочь кремнегелю в сложной жизненной ситуации.

 

Трудная семья

Семья кремнегеля (то есть его химический состав) была крайне разношерстной. Установил я это при помощи обычных для химии методов: инфракрасной спектроскопии,рентгенофазовым идериватографическим анализами и многими другими. Другими словами, я собрал фотографии членов семьи, провел анкетирование, опросил соседей и коллег на работе. На основе полученных данных я составил «портрет семьи» кремнегеля.

Большую часть составлял, конечно, диоксид кремния. Однако нельзя забывать и о других членах семьи – примесях. Две пары соединений: кремнефтористоводородная кислота и фторид алюминия, которые попали в эту «семью» только лишь по недосмотру технологов. Первая состоит из кремнефторид ионов и водорода, второй из фтора и алюминия.

Все эти вещества, очень с очень разными свойствами и структурой, вдруг оказались заперты в коммунальной квартире. Что может случиться страшного?

Начиная с «рождения» первого килограмма кремнегеля и по сегодняшний день, самым популярным способом решения проблемы заключалось в очередном «переселении». Иными словами, его пытались применить вместо привычных добавок, например в резине или бетоне.

Однако, социальное происхождение давало о себе знать. То размер частиц диоксида кремния оказывался слишком велик, то фтора и алюминия было больше установленных норм. Каждый раз кремнегель ухудшал свойства продукта или незначительно улучшал, что не давало надежду на его «реабилитацию».

Я решил пойти другим путем. Сначала нужно расселить семью. Мои предшественники оставили большое количество литературы, в которой утверждалось, что данный способ не даст результатов, но я все же решил попробовать, так как привычные способы эффекта тоже не возымели.

План был прост – растворить примеси или диоксид кремния и снова их осадить, но по отдельности и нанометрового размера. После такой «реабилитации» получается широко востребованный продукт в том числе и в нанотехнологиях. Правда все это было только в теории.

Разделять молекулы руками я, конечно, не мог, поэтому мне пришлось прибегнуть к мудрости прошлых поколений. Я использовал данные ранее проводимых экспериментов и повторил их. Результаты были шокирующими.

 

Череда ошибок

 

Во-первых, часть из них была дорога, малоэффективна или трудозатрата, иными словами, не рациональна. Во-вторых, что более страшно, другая часть не воспроизводилась – вообще. В этот момент внутри меня что-то  надломилось. Статьи и патенты всё то, что я считал незыблемым фундаментом научной деятельности, представляли собой не цемент, а муляж из папье маше. Доверие к научному сообществу было подорвано. Всё пришлось многократно перепроверять.

Самым проверенными и надежными «компаньонами по переселению примесей» мне представлялись минеральные кислоты: соляная, азотная и серная. Результаты азотной кислоты были неплохими, но после экономических расчетов надежд совсем не осталось. «Переселение» примесей выходило слишком дорогим.

Каждому соединению хочется предоставить «жилье» соразмерное с их потребностями, но нельзя построить замок каждому, чем-то  приходится жертвовать, каждая технология должна приносить прибыль.

Когда невозможно решить проблему простым путемв ход идут всяческие ухищрения. Зачем использовать дорогих профессиональных рабочих для переезда, когда можно попросить мужиков из соседнего подъезда за символическую плату? В мои руки попали отходы, содержащие, по счастливой случайности, большое количеств азотной кислоты.

В этом случае с экономической частью все было отлично, но появлялась другая проблема. Несмотря на то, что данная технология подразумевала применение одних отходов для утилизации других отходов, но возникала новая сложность. Как вы уже догадались – это новые отходы. Представьте себе, вы хотите расселить коммунальные квартиры только лишь для того, чтобы пересилить жильцов в другие такие же, но поменьше.

Что же в итоге? Испытанные методы переработки – не эффективны или дороги, а новые недостаточно экологичны. Пришлось искать совершенно нетрадиционные пути.

 

Список подозреваемых

 

Первый вариант – убрать примеси в лице кремнефтористоводородной кислоты и фторида алюминия провалились. Остался второй – переселить диоксид кремния.

План прост. Берем гидроксид натрия смешиваем с кремнегелем. Диоксид кремния растворяется с образованием силиката натрия. Более известным под название жидкое стекло. Примеси остаются в осадке и могут быть использованы вторично. Иными словами, сначала расселяем из коммунальных квартир многочисленный диоксид кремния, а затем всех остальных. Однако, практика сильно разошлась с теорией.

Поначалу все было хорошо. Диоксид кремния растворялся, как и положено. На следующий день я обнаружил страшное. Проблему на столько вопиющую, что её можно сравнить с убийством. «Безжизненный» осадок диоксида кремния образовывался на дне колбы. Раствор разделялся на твердую и жидкую части и был совершенно не пригоден для использования. День за днем, раз за разом, история повторялась.

Я менял время реакции, объем и концентрации веществ, температуру, интенсивность перемешивания. Результат был всегда один и тот же. Кто же мог совершить это ужасное преступление?

Итак, имена подозреваемых ионов вам уже известны: водород, кремнефторид ион, алюминий и фтор. Каждый из этих элементов и ионов мог нанести смертельный удар по процессу. Водород определяет реакцию среды. Растворение диоксида кремния происходит только в щелочной среде, а ионы водорода делают ее кислотной. Кремнефторид ион вообще является отвердителем жидкого стекла. Алюминий образует с диоксидом кремния цеолиты, но только в особых условиях, а фтор является известным злодеем, вредителем и отравителем, но обо всех по порядку.

Первыми веществами, которые подверглись проверке стали водород и кремнефторид ион. Они легко удаляются при помощи воды, поэтому на момент убийства у них было железное алиби – они отсутствовали в квартире.

Следующим на очереди стал фтор. Фтор (9-ый химический элемент) занимает особое место в Периодической системе. Из-за своей высокой химической активности его очень долго не могли выделить в чистом виде. Фтор очень активно сопротивлялся своему открытию. В попытке найти его умерли или получили увечья 9 ученых с мировым именем! Помимо убийств фтор знаменит своей диверсионной деятельностью. Он является «отравителем» катализаторов, то есть замедляет химические реакции на производстве. Это далеко не полный список злодеяний 9-го элемента!

После недолгих расспросов все, с кем я общался на эту тему: научный руководитель, другие преподаватели, инженеры с производства – в один голос говорили: «Фтор – убийца». Я, поверив авторитету окружающих, начал собирать доказательную базу.

Несмотря на «очевидность» личности преступника расследование не задалось. Фтор имеет способность связываться с диоксидом кремния и удалить его из кремнегеля было очень сложно. Иными словами, как только фтор совершал убийство я заходил в комнату, но найти орудие преступления, то, как именно он осаждает диоксид кремния из раствора, я понять не мог.

На дне

 

Чем дольше шло «расследование», тем больше оно заходило в тупик. Раз за разом попытки удалить фтор проваливались. Варианты, предлагаемые в литературе, были или дороги, или нерациональны. Дальше – больше.

Я решил обратиться к физико-химическим данным исследования кремнегеля с целью найти зацепку. Можно сказать, что я изучал квартиру и место убийства по фотографиям, чтобы по обстановке и мелким деталям выявить убийцу и орудие преступления. Может он тихонечко стоит в углу, а окровавленный нож лежит на столе?

После общения со специалистами я узнал следующее. Некоторые из проведенных мной физико-химических исследований были выполнены не так, как следовало. Представьте, Вы делаете фотографию улицы в автоматическом режиме и совершенно забываете, что сейчас ночь и на фото кроме фонарей ничего не видно.

Именно в такой ситуации я оказался, а возможность переделать исследования у меня уже не было. Конечно, не все они были безнадежны. Например, я точно выяснил, что в моем кремнегеле отсутствуют кремнефторид ионы, но любая другая деталь, любая мелочь могла мне помочь. В результате я оказался на том же месте, с которого и начинал.

Подведем промежуточный итог. Есть убийство – осаждение диоксида кремния из раствора. Есть подозреваемый – фтор. Есть большое количество косвенных доказательств – литературные данные, мнение «авторитетов». Нет только одного – результата. В моем случае жидкого стекла.

В отличие от гуманитарных наук, естественные всегда упираются в фундаментальные законы, которые не обманешь и не купишь. Они не терпят ни допущений, ни ухищрений. Сколько бы я не пытался удалить фтор и растворить диоксид кремния результат всегда был плачевный.

Примерно полтора года я потратил на поиски и удаление неуловимого фтора.

Пришло отчаяние. Работа казалась невыполнимой. На просьбу о помощи к профессору, которая занималась этим вопросом десять лет мне последовал ответ – это невозможно. Никто не мог мне помочь. Я достиг дна. Откуда, в прочем, существует только одна дорога.

 

Правда, сокрытая на поверхности

 

В момент отчаяния первым делом следует пересмотреть начальные установки. Физико-химические данные объективные, пусть и не полные. Они не могут сами по себе назвать виновника, но могут очертить круг подозреваемых. Поиск виновного оставался за мной, но свой выбор я основывал только на авторитете окружающих меня преподавателей.

Однако, оставался один вопрос, на каком основании «авторитеты» делали свой вывод? Ответ на этот вопрос был удручающим, но логичным. НИ НА КАКОМ. В их ответах не было ни капли фактов, «только ощущения» и «личный опыт». Тогда я обратился к последнему подозреваемому, который всегда оставался в тени своего знаменитого соседа – к алюминию.

13-ый химический элемент не имеет такой богатый послужной список, как фтор. Более того, алюминий крайне распространен вокруг нас, что внушает ложное чувство безопасности.

Я решил рассмотреть полученные данные с нового угла. Без установок, внушенных мне «сверху». Для этого я решил разбить процесс получения жидкого стекла на несколько этапов: 1) смешение кремнегеля с водой;

2) добавление щелочи;

3) увеличение температуры до 95 оС.

Только после проведения всех трех операций происходило растворение диоксида кремния, что можно было определить по изменению цвета и вязкости раствора, и выпадение его в осадок.

Вернемся к сравнению с убийством. Представьте, 31 декабря. Жители коммунальной квартиры собираются за новогодним столом. Водород и кремнефторид ион позвонили и сказали, что не придут (первый этап). Праздник в самом разгаре. Его участники наполнены яствами и напитками (второй этап). Напряжение за столом приближается к точке кипения, когда речь заходит о имущественных правах на жилье (третий этап). После этого происходит убийство. Правда каким именно образом – не известно.

Я очень долгое время наблюдал за первым этапом. Опять же под давлением авторитетов. По их мнению, именно в момент сбора всех подозреваемых за столом (при контакте с водой) уже можно установить виновника. Видимо я должен был увидеть, как он проносит яд или нож (новое химическое соединение). Проблема заключалась в том, что убийца обладал выдержкой и стальными нервами (в воде не растворялся) поэтому никак себя не выдавал.

Следующим шагом стало наблюдение за подозреваемыми во время праздника. Прежде, я пристально следил за фтором. Пытался найти малейшие изменения в его поведении (в количестве). Однако, ничего так я и не обнаружил. Я решил перевести свое внимание на алюминий и обнаружил нечто интересное.

Подмена

 

Концентрация алюминия в растворе после добавления щелочи при комнатной температуре значительно увеличилась, что несколько противоречило литературным данным. Причем она увеличилась на столько, что можно было сказать, что весь алюминий перешел в раствор. Возвращаясь к новогоднему столу, выглядело это так. После того как еда была съедена, а напитки выпиты, элементы тихо сидели за столом (оставались в твердом виде). Все, кроме алюминия. Он метался по квартире (перешел в раствор) и готов был резко отреагировать на любое слово (вступить в реакцию).

Как только речь заходила о том, чья это квартира (температура поднималась до 95 оС) алюминий в порыве ярости убивал диоксид кремния. Загадкой оставалоськаким образом совершалось злодеяние (каким образом алюминий осаждал диоксид кремния). Правда, как это часто бывает находилась на виду, но на неё нужно было обратить внимание.

После выпадения диоксида кремния в осадок, он больше не растворялся при повторной попытке. То есть, во время следующего празднования нового года диоксид кремния вместо того, чтобы сесть за стол ложился спать в девять вечера, что совершенно на него не похоже. Может это и не диоксид кремня вовсе?

Самым простым способом определить кто это на самом деле был физико-химический анализ. Условно говоря, сравнить две фотографии диоксида кремния и нового осадка и понять кто есть кто. Однако, как я уже говорил выше доступа к оборудованию у меня уже не было. Что же еще можно было сделать?

Так как подозрения пали на алюминий я решил узнать, изменяется ли его количество в растворе после выпадения в осадок диоксида кремния. Иными словами, не скрылся ли алюминий из вида во время преступления. Тут я впервые схватил удачу за хвост! Количество алюминия в растворе изменилось! Таким образом мне удалось восстановить картину преступления.

Во время новогодней ночи алюминий метался из стороны в сторону (после добавления щелочи в раствор). Когда речь зашла о имущественных правах (при температуре 95 оС), он вышел на лестничную клетку (алюминий перешел в раствор) и стал там поджидать диоксид кремния (то есть перехода SiO2в раствор). Дождавшись момента, алюминий «душит» диоксид кремния, а дальше пользуется вещами «убитого», чтобы завладеть квартирой (алюминий образует с диоксидом кремния новое вещество, нерастворимое в воде и щелочи). Вещество, которое я так долго считал диоксидом кремния им вообще не являлось! Убийца найден – алюминий. Способ – образование нового соединения. Условия – раствор щелочи при температуре 95 оС. На этом можно было бы закончить историю, но вернемся к нашей первоначальной цели – расселить жильцов коммунальной квартиры.

Скрытые очевидности

 

Цель работы – переработать кремнегель в жидкое стекло, причем таким образом, чтобы это было экономически выгодно. Применение минеральных кислот и других побочных продуктов приводит к образованию большого количества отходов. Образуется замкнутый круг. Утилизация одного «ненужного» вещества, ведет к образованию другого. Как же разорвать этот порочный круг?

Многие месяцы мне понадобились, чтобы увидеть очевидное. Зачем приводить наряд полиции в квартиру (вводить новые вещества), когда алюминий сам её покидает во время новогоднего застолья (после введения щелочи в раствор)? Если не поднимать температуру до 95 оС он не встретит диоксид кремния и не образует новое вещество. Надо просто прервать праздник отключением воды и электричества (слить раствор щелочи с алюминием и заменить его чистой водой). Таким образом, удаляется главная причина всех бед!

Возникает новая проблема, что делать с раствором? Вылить в канализацию его нельзя. Выделить из него алюминий – тоже, концентрация небольшая. Ответ прост – использовать раствор снова! Алюминий «безвреден» для диоксида кремния при комнатной температуре, а после того, как концентрация значительно увеличиться выделить его из раствора в нужной форме. Таким образом, мне удалось решить проблему переработки кремнегеля в лабораторных условиях. Конечно, работа еще не завершена. Должны пройти испытания на полупромышленной установке, а затем – внедрение на производстве, но свой маленький вклад в науку я уже сделал.

 

Вместо заключения

 

Здесь я хочу рассказать не о том, что было сделано в моей работе, с этим мои научные статьи справятся значительно лучше, а о том, как научное исследование повлияло лично на меня. Может один из читателей тоже захочет пройти по этой тернистой тропе или, наоборот, окончательно отговорю и быть может даже разочарую.

Во-первых, в моих глазах любые авторитеты потерпели крах. Я не верю ни одному человеку на слово, если в поддержку нет каких-либо объективных фактов. Всем людям свойственно ошибаться. Без исключений. Одни находятся в плену собственных иллюзий, другие пытаются обманом получить свою выгоду. В любом случае абсолютно все нужно перепроверять, не только теоретически, но и практически.

Побочным эффектом стало полное отрицание суеверий и мистики. Когда день за днем проводишь одни и те же опыты, приходит понимание того, что существует только материальные факторы, которые можно измерить и, соответственно, на которые можно повлиять. В противном случае любая попытка сделать что-нибудь  новое просто обречена на провал.

Во-вторых, ошибаться – это нормально. В нашем мире, где во главу угла ставиться успех, принять этот факт очень сложно. Мне понадобилось несколько лет, чтобы свыкнуться с этой мыслью. До сих пор, установки моих родителей учителей и родственников, что все надо делать хорошо и с первого раза не дают покоя моему разуму. Без ошибок нет поиска, без поиска не будет успеха.

В-третьих, простые и «очевидные» решения становятся таковыми только после долгих дней, месяцев, а то и лет мучительного поиска. Нельзя винить себя в долгом поиске решения проблемы, если все было бы так просто, то самой проблемы не существовало.

Возвращаясь к теме моего исследования, следует сказать, что переработка промышленных отходов до сих пор находится на периферии человеческого внимания. Однако, было бы ошибочным считать, что она не важна и не актуальна. Миллионы тонн отходов ждут своего часа в шламонакопителях. Однажды придет время, когда они сыграют решающую роль в истории людей. Вопрос только в том, будет ли человек готов к этому.

 

Список научных публикаций, которые легли в основу рассказа:

 

  1. Мамченков Е. А., Акаев О. П., Акаева Т. К. Исследование температурно-временных характеристик взаимодействия модифицированного микрокремнезема с гидроксидом натрия // Химия в интересах устойчивого развития Издательство Сибирского отделения РАН – 2015. Т. 23. №   1. С. 97-102. https://www.sibran.ru/upload/iblock/2df/2dffc84e408b84f0fbc717d0f5105fe9.pdf 2.
  2. Мамченков Е. А. Прокофьев В.Ю, Получение силиката натрия из модифицированного силикагеля, побочного продукта фторида алюминия // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. – 2019. – Т. 62 – №   3. – С. 89-93 https://doi.org/10.6060/ivkkt.20196203.5949
  3. 3. Мамченков Е. А., Прокофьев В. Ю., Кочетков С. П. Экологические аспекты воздействия примесей в техногенном микрокремнеземе при его переработке // Экология и строительство. – 2019. – №   1. – P. 4-14 https://doi.org/10.35688/2413-8452-2019-01-001 4. Патент RU 2660040 C1 https://www1.fips.ru/publicationweb/publications/document?type=doc&tab=IZPM&id=45D632E9-1B73-4F2D-A33FC40328A40762

исследованиеэкологиявещества 

13.05.2020, 789 просмотров.


Нравится

SKOLKOVO
24.08.2020 23:48:50

В России разработали «антиковидную» пропускную систему

В России готовят к выпуску модификацию «антиковидных» тепловизоров, которые смогут распознавать лица и даже самостоятельно принимать решения.

система, Разработчики, Сотрудники

03.08.2020 22:35:18

80% тяжелых больных Covid-19 имели другие инфекции

У подавляющего большинства пациентов с тяжелыми формами Covid-19 проявляются дополнительные бактериальные или вирусные инфекции, которые часто становятся причиной смерти. Их источником, в том числе, служили медицинские инструменты и системы искусственной вентиляции легких. Предварительные результаты исследования ученые опубликовали в электронной научной библиотеке medRxiv.

COVID19, пациенты, болезни

01.08.2020 15:19:00

КТ - не око Саурона

Китайцы, изучившие коронавирус вдоль и поперёк, изрекли новую истину. Оказалось, что проявления COVID-19 и гриппа на компьютерной томографии невозможно отличить друг от друга. Признаки COVID-19, видимые на КТ оказались неспецифичными.

COVID19, обнаружили, исследование

27.07.2020 16:56:20

Тест на эффективность самодельной маски

Пандемия коронавируса продемонстрировала проблему тотальной нехватки сертифицированных средств защиты и поставила вопрос об их адекватной замене.

пандемия, тест, маски

26.07.2020 16:49:00

Исследовано повреждение нейронов коронавирусом/Потеря обоняния

Ученые выяснили, почему при COVID-19 пропадает обоняние. Оказалось, что вирус не повреждает обонятельные нейроны и потому потеря запаха продолжается недолго.

COVID19, изменения, ученые

25.07.2020 23:25:55

Выводы и уроки, извлечённые из обработки медицинских отходов во время распространения COVID-19 в Ухане

В январе 2020 года у многих людей в Ухане были такие симптомы, как жар, усталость и кашель, но только некоторые из них обратились в больницу. Однако до 20 января никто ничего не знал о COVID-19. Поскольку после 20 января число пациентов резко возросло, нехватка мест в больницах стала довольно серьезной, и многим пациентам пришлось возвращаться домой, чтобы лечиться самостоятельно.

COVID19, уроки, выводы, нехватка

23.07.2020 15:54:57

Covid-19 может оказаться сосудистым, а не респираторным заболеванием

В большинстве случаев основные симптомы Covid-19 — это лихорадка, кашель, затрудненное дыхание. Но если заболевание переносится тяжело, к ним могут прибавиться острая почечная недостаточность, повреждения внутренних органов и непонятные сгустки крови.

Воспаление, COVID19, болезнь

RSS
Архив "#ПроЗдоровье"
Подписка на RSS
Реклама: