КАТАЛИЗ НА ВЫСОТЕ

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.

Людмила Юдина, "НВС"

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.