КАТАЛИЗ НА ВЫСОТЕ
Людмила Юдина,
"НВС"
Особый вес и смысл приобрело сегодня понятие "интеграция". И
деятельность того или иного коллектива нередко оценивается по
числу партнеров, которых удалось приобрести в подходах к
проблеме.
Когда в Институте химической кинетики и горения обращались к теме
аэрозолей, а это случалось неоднократно, то среди исполнителей
"химкинетики" неизменно отмечали Институт катализа, лабораторию
спектральных методов, руководимую доктором физико-математических
наук Д.КОЧУБЕЕМ.
Чем же привлекли аэрозоли каталитиков — об этом разговор.
— Дмитрий Иванович, какую проблему решала лаборатория,
обратившись к такому необычному для вас объекту как атмосферные
аэрозоли?
— Начнем с того, что лет так десять назад В.Пармоном и
К.Замараевым было выдвинуто следующее предположение: наличие в
атмосфере твердых аэрозолей может стимулировать — под
воздействием солнечного света — возникновение фотохимических
реакций. И как результат — изменение состава атмосферы,
появление новых соединений, в том числе и ведущих к загрязнению
окружающей среды. То есть здесь мы уже выходим на экологические
проблемы. На экологический катализ.
Предположение следовало проверить, выводы — подтвердить и
объяснить, что там, в атмосфере, происходит на самом деле, какие
реакции идут на поверхности аэрозольной твердой частицы. Каков
он, катализ, на высоте!
Стандартным методам исследования аэрозолей — изучению
элементного состава их объема методом оптической эмиссионной
спектроскопии, или методом рентгеновской флюоресценции при
исследовании тяжелых примесей в аэрозоле, подвластно далеко не
все. Дальше я объясню почему.
Мы предложили нечто принципиально новое. Дело в том, что
сотрудником лаборатории Вячеславом Ивановым, который недавно
защитил докторскую диссертацию на эту тему, была разработана
уникальная методика послойного анализа элементного состава
непроводящих образцов методом вторичной ионной-масс-спектрометрии
(ВИМС), которой в настоящее время никто более не владеет.
— Применительно к чему разработана?
— Для исследования катализаторов. И мы искали области более
широкого ее применения. Так вышли на Константина Петровича
Куценогого, из Института химической кинетики и горения, активно
занимающегося аэрозолями Сибири.
— То есть включились в интеграционный проект "Аэрозоли Сибири"?
— Скажем так — интеграционный проект инициировал развитие
работ. Согласно методу, предложенному В.Ивановым, исследуется
поверхностный состав аэрозолей и "наблюдаются" происходящие там
превращения. Ведь что составляет основу твердых аэрозолей?
Грунтовые почвы в виде пыли. А к ним уже прилипают органические
частицы, металлы и прочее — последствия пожаров, техногенных
загрязнений.
Поверхностный состав аэрозолей стало возможным определять с
использованием так называемого метода вторичной ионной
масс-спектроскопии. С поверхности аэрозольной частицы под
действием мощного ионного аргонового пучка стравливаются
тончайшие слои и затем производится соответствующий анализ
распыленных ионов в широком диапазоне масс, с исследованием
большей части фрагментов.
Этот метод вторичной ионной масс-спектроскопии впервые
использован для изучения непроводящих частиц и реальных
аэрозолей. И здесь предстояло решить массу разного рода
методических проблем. С К.Куценогим мы работали три года. Нам
предоставляли образцы аэрозолей. Мы исследовали различные
техногенные загрязнения вокруг Новосибирска. И показали, что
действительно на поверхности твердых частиц под воздействием
солнечного света проходят фотохимические реакции и образовываются
новые соединения, которые вносят, иной раз, существенные
изменения в характеристику атмосферы.
А еще — что состав поверхности и состав объема имеют
существенные различия, т.е. наши исследования были не напрасными
и действительно давали принципиально новую информацию. Кроме
того, нами было обнаружено, что крупные и мелкие частицы имеют
существенные различия по составу. И поскольку поверхность в
основном определяется мелкими частицами, то раздельное
определение элементного состава поверхности также дает новую
информацию об экологической опасности аэрозолей. В чем здесь
суть? Те мелкие частицы, что составляют основную часть
поверхности и дают мелкие вклады в общую картину, незаметны при
стандартных методах анализа. А ведь реакции, приводящие к
превращениям, идут именно на поверхности. И данный факт находит
подтверждение.
Я веду речь о тех случаях, когда рассматриваются ничем не
отягощенные аэрозоли. А когда сыграли роль дополнительные
факторы — пожары, выбросы химических комбинатов, то примеси тяжелых
элементов, переходных элементов настолько ощутимы, что они сами
уже могут выступать в качестве катализаторов. В частности,
некоторые специалисты Института химии и химической технологии СО
РАН (Красноярск) используют выбросы дымов электростанций в
качестве катализаторов, ибо они содержат значительное количество
железа.
— Есть ли удовлетворение от проводимой работы?
— Несомненно! Прежде всего, мы удовлетворили свое любопытство по
целому ряду позиций — я упоминал, что были методические
проблемы. Потом подтвердили предположение, что происходящие в
атмосфере процессы могут влиять на фотокатализ. Да попросту
втянулись в саму проблему, расширили круг партнеров, завязанных
на ней, и в ходе ведения работы постоянно пополняем его.
— С кем еще сотрудничаете в этой области?
— С Лимнологическим институтом. Хотелось посмотреть, каковы
байкальские аэрозоли, чем отличаются они от аэрозолей,
формирующихся вокруг промышленного города Новосибирска и
отличающихся большим количеством техногенных загрязнений.
— Как вы формулируете на сегодня свою задачу?
— Она, в общем-то, остается неизменной. Получить дополнительную
информацию от самих аэрозолей и, соответственно, о них. Важно
знать, как могут влиять они на все окружающее и на людей.
Вот вам один из примеров. В атмосферных аэрозолях всегда
присутствует никель. Но мало сказать, сколько там его — важно, в
каком состоянии он пребывает. Скажем, никель металлический в
несколько раз более канцерогенен, чем никель окисленный.
А для этого-то мы, в кооперации с Центром синхротронного
излучения, где я руковожу группой EXAFS-спектроскопии, используя
рентгеновские методы абсорбции, смотрим образцы с этой точки
зрения. Определяем количество вещества и то состояние, в котором
металлы там находятся. Что и позволяет затем оценивать
воздействие аэрозолей на окружающие объекты.
— Но как я поняла, особое внимание обращается на никель?
— Это естественно! С никелем возникают большие проблемы. На
нашем Севере масса предприятий данного профиля, и воздушные
выбросы — хвосты от никелевых комбинатов тянутся на Западную
Европу. Никель ведь является одним из тех металлов, которые
жестко контролируются по ПДК в атмосфере.
— Итак, сформулируем. Благодаря разработанному в лаборатории
методу имеется возможность проводить элементный анализ на
поверхности частиц твердых аэрозолей, невозможный ранее, и
отслеживать превращения, которые возникают там в ходе химических
реакций...
— И сделаем вывод, что если активные частицы находятся на
поверхности, значит будет получаться химически более активное
вещество, а стало быть, более вредное. Если же частицы равномерно
распределены по объему, значит вещество не столь активно и
вредно.
И второе — глубокое изучение валентности позволяет определить,
насколько вредны те или иные примеси.
И вот что надо еще иметь в виду. Во всех случаях речь идет об
исследовании в микроскопически малых количествах. Потому
стандартные методы здесь не всегда срабатывают. Мы смогли
установить, что отходы от промышленных предприятий вредны даже не
столько сами по себе. Они выступают в роли катализаторов,
инициирующих реакции, в ходе которых получаются новые соединения
с новыми свойствами, которых изначально не существовало.
Как я уже упоминал, наша основная задача была — посмотреть,
отличается ли поверхность от объема. Именно на поверхности в ходе
химических реакций происходят самые вредные нежелательные
явления. Стандартные методы, снова обращусь к сравнению, дают в
основном картину внутреннего состояния, дают объем, показывают
состав крупных частиц, которые имеют малую удельную поверхность и
приносят сравнительно малый вред. А самый большой вред приносят
малые частицы, у которых развитая поверхность и которые могут
активно взаимодействовать, скажем, с дыхательными путями
человека. И так далее...
— Вопрос традиционный — как дальше будет идти развитие метода?
— Ответ тоже традиционный — будем работать, искать новые
области приложения сил. Ближайшая задача? Хотелось бы посмотреть
аэрозоли Алтая. Разные регионы — разные и составы аэрозолей. И
разные методические задачи. А это всегда любопытно.
стр.
| 
