Академик Алексей Хохлов: может ли мегапроект российских ученых спасти от мусорной катастрофы?
Об этом корреспондент Российской газеты беседует с академиком Алексеем Хохловым. Он является руководителем проекта "Фундаментальные основы создания безотходных производств полимеров и полимерных материалов с программируемым сроком службы, отвечающих современным экологическим требованиям (Полимеры будущего)", который выиграл грант в 100 миллионов рублей.
Алексей Ремович, сегодня о горах из пластика, о пластиковых "островах" в Тихом океане наслышаны многие. Пластик является лидером по засорению планеты: на его долю приходится 40 процентов бытовых отходов. Но ситуация парадоксальная. С одной стороны, горы и острова, а с другой - пример Швеции, которая перерабатывает и повторно использует 80 процентов всех отходов, в том числе и пластика, а 18 процентов сжигает. Выходит, проблема мусора с точки зрения науки в принципе решена. Технологии созданы. Нужно только желание внедрять. Ну и, конечно, деньги.
Алексей Хохлов: Я вас понял. Наука вроде бы свое дело сделала? Более того, ваши примеры можно продолжить. Уже есть технологии, которые превращают старые пластиковые бутылки в новые, создаются биоразлагаемые полимеры, одноразовые изделия из пластика заменяются многоразовыми и т.д. Так что вы правы, технологии есть. Но, с другой стороны, мусорные горы с каждым годом становятся все выше. Только один пример: в самой богатой стране мира США перерабатывается всего 9 процентов мусора. Львиная доля отправляется на свалки.
В чем тут дело?
Алексей Хохлов: Вот вы привели пример успешной Швеции, где отходы, в том числе пластик, перерабатывается во вторичные изделия. Хорошо? Конечно. Но пластика, как ни парадоксально, меньше не становится. Дело в том, что его нельзя эксплуатировать вечно. Делая из него "вторичку", мы увеличиваем его жизнь, превращаем в долгожителя. Но рано или поздно он все равно попадет на свалку либо его сожгут. То есть за счет переработки проблему отходов мы кардинально не решаем. А ведь чтобы пустить отходы в переработку, их надо тщательно отсортировать. Это до сих непростая задача даже для ведущих стран.
А биоразложение пластика? В СМИ периодически появляются сообщение о разработках все новых полимеров, которые после использования быстро разлагаются.
Алексей Хохлов: Да, и такие исследования есть в нашем проекте. Но здесь масса проблем. Скажем, пластик может разлагаться, но не полностью. На нем могут оставаться следы различных красителей, соединений, которые опасны для нашего здоровья. Кроме того, такие полимеры довольно дороги. Их массовое внедрение по карману только богатым странам, остальные вряд ли смогут себе это позволить. Как, кстати, и сжигание отходов на экологически безопасном уровне. Да, в городах Европы работают мусоросжигательные заводы, которые практически не дают вредных выбросов. Почему? Там установлены очень дорогие катализаторы для дожигания всей вредности, обеспечивая высочайшую чистоту выбросов. Но, повторяю, все очень дорого. Вывозить отходы на свалку во много раз дешевле.
Понятно. Каким бы хорошим ни был полимер, последнее его пристанище на свалке. Сюда прежде всего надо обратить внимание науки. Как это реализовано в вашем проекте?
Алексей Хохлов: В проекте три крупных блока. Свалки - лишь один из них. Можно сказать, финальный. А первый блок - это экологически чистые и безопасные методы получения самих полимеров, в том числе из органического сырья, которые после использования должны распадаться на безопасные компоненты. Второй - новые методы получения различных изделий из полимеров, скажем, с помощью 3D-печати. Это позволяет минимизировать отходы, а в идеале работать вообще без них. Третье направление - создание полимеров, которые позволят свести к минимуму вред природе от собранных на свалки отходов. Задача проекта - найти новые научные идеи, чтобы решить все эти проблемы. В нашей команде 20 научных групп из пяти институтов РАН и трех вузов, сотрудничающих с большим числом промышленных предприятий.
Работа этой команды началась два года назад. Понятно, что обо всех результатах сейчас рассказать просто невозможно. Представьте хотя бы несколько из каждого блока.
Алексей Хохлов: Как известно, более половины полимеров на мусорных островах - это различная упаковка из полиэтилена и полипропилена. Эти материалы очень плохо разлагаются в окружающей среде и при неконтролируемом захоронении наносят урон природе. Так вот, ученые Института элементоорганических соединений РАН разработали новую технологию, которая позволяет такую пластиковую упаковку не отправлять на свалки или мусоросжигательные заводы, а использовать в качестве сырья для получения уксусной кислоты. Этот результат позволит создать в нашей стране технологию экологически безопасной переработки пластиковых отходов для получения полезных продуктов.
В самой богатой сегодня стране мира - Соединенных Штатах Америки - перерабатывается всего 9 процентов мусора. А львиная доля отправляется на свалки.
Еще одно исследование тоже связано с упаковкой. В Институте синтетических полимерных материалов РАН разработаны композиционные материалы на основе полимеров молочной кислоты, которые разлагаются в почве всего за 2-3 месяца. Они обладают высокой прочностью и, что важно, дешевые, поскольку основным наполнителем является очень доступный природный крахмал.
Помимо упаковки такие материалы могут применяться в сельском хозяйстве. Если в капсулы из этих полимеров поместить удобрения, то они будут дозировано в течение длительного времени поступать в почву по мере разложения материала. Это позволит вести подпитку растения более рационально.
В Институте высокомолекулярных соединений РАН разработан оригинальный подход к дизайну перерабатываемых полимерных сеток. На пальцах суть в следующем. Скажем, у вас есть какое-то изделие, выполняющее определенные функции. Но вам вдруг понадобилось что-то новое... Вы можете его не искать, а взять свое "старое" изделие и провести с ним определенные операции. Самое простое - нагреть, получив новый материал с необходимыми свойствами.
Это то, что сегодня называют "умными" полимерами?
Алексей Хохлов: Совершенно верно. Несколько научных групп разрабатывают технологии получения полимерных изделий методом 3D-печати. Это композиты самой сложной формы и конфигурации. Такая печать практически не дает отходов, не использует экологически вредные растворители. Скажем, наши ученые таким способом создают прочные термо- и криостойкие полимерные композиты, которые могут применяться в самых разных областях современной техники - от авиа- и судостроения до машиностроения и медицины. Подчеркну, что такой результат достигнут впервые у нас в стране и может составить конкуренцию лучшим зарубежным аналогам.
Также на 3D-принтерах печатаются детали из полимеров, которые получены на основе бурых водорослей. Они сшиваются и затвердевают за счет ионов кальция. Главное достоинство этого полимера для 3D-печати в том, что после завершения эксплуатации детали из "дружественных" природе компонентов быстро разлагаются и не причиняют вреда окружающей среде. Третий блок проекта занимается в том числе рекультивацией свалок.
Именно сюда в конце концов во многих, даже ведущих, странах попадает огромное количество отходов, нанося серьезный вред природе. Что предложено в вашем проекте для решения проблемы?
Алексей Хохлов: Принцип работы со свалкой такой. Ее сначала выравнивают, затем наносят слой плодородной почвы и высевают растения. На химическом факультете МГУ разработаны принципиально новые технологии стабилизации почвы с использованием так называемых полиэлектролитных комплексов. Их получают, добавляя в почву водные растворы двух полимеров: один дает "цепочки" с положительными зарядами, другой с отрицательным зарядами. Когда эти полимеры взаимодействуют друг с другом и частицами почвы, формируется прочное покрытие. Оно надежно сохраняет почвенный слой и при этом не мешает прорастанию зеленых насаждений. После такой обработки свалка постепенно приобретает вполне "цивилизованный" вид и может быть использована как территория для отдыха, спортивных занятий и т.д.
В целом в рамках программы "Полимеры будущего" разработаны научные основы новых методов синтеза и регулирования свойств полимеров. Они позволят нашей стране создавать экологически чистые производства полимеров с минимальным воздействием на окружающую среду, а также технологии утилизации, точнее, запрограммированной самоликвидации таких материалов после окончания срока службы.
Мировое производство пластмасс выросло с 2 млн т в 1950-х годах до 367 млн т в 2020 г. В течение более чем 50 лет лидером в полимерной отрасли были США. В 2005 г. первенство перешло к Китаю, его доля сейчас - более 30% мирового производства полимеров.
Сегодня в мире повторно используется от 9 до 30% пластмасс. Остальной пластик оказывается на свалках, мусорных островах и полигонах, где разлагается десятки и сотни лет, нанося вред окружающей среде. Ежегодно в мире на свалках оказываются более 200 млрд пластиковых бутылок, 58 млрд одноразовых стаканчиков и миллиарды полиэтиленовых пакетов.
В Мировой океан каждый год попадает от 4 до 12 млн т полимеров, где распадается на мелкие фрагменты. Сейчас в океане находится от 5 до 50 трлн фрагментов микропластика.
Самый большой мусорный остров в Тихом океане, больше похожий на "пластиковый суп", имеет площадь более 1 млн км2.
В России ежегодно образуется около 70 млн тонн твердых коммунальных отходов, прирастая ежегодно на 2 процента. На долю пластиковых отходов приходится от 3,5 до 5 млн тонн. Перерабатывается не более 7%, остальной мусор вывозится на лицензированные полигоны и стихийные свалки.