Водный гиацинт в гептиловом болоте
Постановка задачи
Дано: лучшее в мире ракетное топливо, с помощью которого на орбиту выводят космические корабли. Через некоторое время от ракетоносителя отделяется первая ступень и падает на землю. Поскольку топливо наливают с запасом, оно сгорает не полностью и после падения выливается.
Проблема: топливо очень ядовито. Там, где случались крупные аварии и на землю попало много топлива, лес остается мертвым на протяжении десятилетий. Обычно же в первой ступени ракеты остается полторы тонны топлива, и оно образует пятно диаметром в сотню метров. Поскольку ежегодно на космодромах Байконур и Плесецк происходит несколько десятков запусков, каждый год в районах падения появляется несколько десятков новых пятен с отравленным грунтом или, что еще неприятнее, водой.
Вопрос: как бороться с рукотворным бедствием?
Загнанные ракеты сдают в металлолом — не правда ли?
Первая ступень ракеты падает с высоты примерно двадцать километров. После падения ступень, а она представляет собой длинный цилиндрический топливный бак с двигательным отсеком, может разрушиться. (А может и остаться целой, это уж кому какое счастье выпадет.) К моменту падения в баке еще есть топливо — керосин или гептил (несимметричный диметилгидразин — (CH3)2NNH2), а также окислитель — жидкий кислород либо оксид азота. Если ступень разрушилась, то окислитель довольно быстро испарится, а вот горючее выльется на месте падения. И дальше начинаются многолетние проблемы. Например, исследования, которые провели ученые из Института биологии Коми НЦ УрО РАН, показали, что лес в месте больших проливов топлива полностью восстанавливается лишь спустя двадцать лет, а до этого деревья растут значительно медленнее, чем положено.
Вообще-то упавшую ступень положено отыскать, вертолетом доставить к месту сбора, где нейтрализовать и утилизировать: ведь она содержит много ценных материалов. Однако в нынешние времена судьба ступени зависит от того, где она упала. Например, в Казахстане это — ценнейшая добыча «черных» сборщиков цветных металлов, которая способна обеспечить безбедное существование целой бригады в течение года. Поэтому неудивительно, что, когда расчет поиска упавших ступеней прибывает к месту падения, они порой застают людей, режущих обломки прямо в рыжем дыму испаряющегося оксида азота.
В Архангельской области или Республике Коми так утилизировать упавшие ступени народу не удается — по тайге ездить на вездеходе столь же свободно, как по степи, невозможно. Поэтому здесь упавшие ступени успевают собирать и складировать.
А вот с разливом топлива на севере бороться значительно сложнее — там много воды, а разлившийся по болоту или озеру гептил прекрасно растворяется в ней. Если полторы тонны топлива растворятся в озере диаметром в сотню метров и глубиной метра в три, то в одном литре воды его окажется 50 мг. В литре воды километрового озера концентрация будет меньше — 0,5 мг. Это все равно очень много, ведь ПДК для гептила равна 0,02 мг на литр воды и 0,1 мг на килограмм грунта. Кроме того, часть топлива успевает окислиться. Вещества, которые при этом получаются — нитрозодиметиламин, диметиламин, формальдегид, —в свою очередь не менее ядовиты, да еще и канцерогенны.
Три пути борьбы с топливом
С топливом, которое осталось в баке, можно бороться по-разному. Во-первых, попробовать его выжечь. Во-вторых, попытаться собрать. А в-третьих — дезактивировать на месте разлива.
Довольно скоро после возникновения проблемы оказалось, что первый путь к безусловному успеху не ведет — система выжигания топлива оказалась не такой простой и эффективной, как хотелось бы. Ведь надо успеть завершить процесс за те пять минут, которые нужны баку, чтобы упасть на Землю. Несколько больше шансов на внедрение имеет способ превращения за это время жидкого топлива в твердое вещество. Ученые из 4-го ЦНИИ Минобороны, что в подмосковном городе Юбилейном, предлагают использовать для этого чрезвычайно легкое и пористое вещество. После того как двигатель закончил работать, а ступень ракеты отделилась и начала падать, в бак вдувают высокопористый графитовый пух. Его получают в легком компактном генераторе из интеркалированного графита (см. «Химию и жизнь», 2001, № 7–8). Это вещество приходит в соприкосновение с топливом и, благодаря огромной поверхности пор, полностью вбирает в себя несгоревшие остатки. Теперь при падении гептил из бака не вытекает. Графит же можно собрать и потом выжечь из него топливо на полигоне.
Другой способ убрать пролившееся топливо — засыпать его сорбирующим веществом. Здесь тоже весьма подходит пористый графит, из которого делают порошок сорбента для сбора с поверхности воды нефтяной пленки. В число современных способов входит и использование полимерных пен. Их можно получать прямо на месте с помощью переносного пеногенератора. Один кубометр такой пены собирает до 300 кг горючего. Увы, с растворенными компонентами ракетного топлива сорбенты справиться не могут.
 |
| Так уменьшается концентрация несимметричного диметилгидразина |
Обезвреживание токсичного ракетного топлива химическими реактивами — традиционный способ защиты окружающей среды. Раньше для этого применяли хлорку, она же гипохлорит кальция, — жесткий окислитель, который в основном нейтрализует гептил за несколько месяцев. После обработки грунта или болота такими химикалиями получается мертвое вещество. Однако недавно разработан и прошел полевые испытания способ очистки грунта от гептила с помощью другого окислителя, пероксида кальция. Грязное пятно грунта засыпают реактивом на его основе, перепахивают и обильно поливают водой. Через 2–3 месяца содержание гептила и токсичных продуктов его окисления оказывается близким к предельно допустимым концентрациям. И растительность, и грунт, а равно и прочая живность, обитающая в нем, продолжают свою обычную жизнь, так как продукт разложения пероксида кальция — окись и гидроокись кальция. В отличие от хлорки эти вещества — не враги живого. Однако опять то, что хорошо в степи, трудно сделать в тайге или тундре. Значит, нужно идти другим путем.
Химик-ботаник
Выход из наметившегося тупика подсказал опыт очистки сточных вод. Правда, при этом химикам-топливникам пришлось переквалифицироваться в ботаников.
Внимательно изучив возможные биологические способы очистки, они выяснили, что, во-первых, существует группа растений, которые очищают водоемы, обогащая воду кислородом. В список таких растений-оксигенаторов входят: элодея канадская, фонтиналис противопожарный, болотник, болотница игольчатая, или тиллея. Они борются с органическим загрязнением пассивно, то есть вырабатывая окисляющий органику кислород.
Во-вторых, оказалось, что многие водоросли и некоторые высшие водоплавающие растения питаются солями и органическими веществами, которые растворены в воде. С помощью корневой системы и лежащих на воде листьев растения усваивают неорганический углерод карбонатов, минеральные соли, низкомолекулярные углеводы, аминокислоты. На фоне многочисленных примесей органических веществ, содержащихся в водоемах, ядовитые компоненты топлива не представляют собой чего-то выдающегося. Это такие же органические вещества, они состоят из азота, кислорода и углерода, выстроенных в не очень длинную углеводородную цепочку. То есть растение вполне может воспринимать их как обычную пищу и бороться с загрязнением уже активно, поглощая, расщепляя на составляющие и используя для своих нужд.
И тут пора начать рассказ об одном из рекордсменов в деле утилизации растворенной в воде органики — об эйхорнии из семейства понтедериевых, или водном гиацинте.
Родина эйхорнии — тропики Латинской Америки. Каждый, кто смотрел фильмы о путешествиях в дебрях Амазонки, видел, как люди на лодках плывут по обширным заводям, заселенным изящными растениями. Их кустики легко скатываются с весел и быстро затягивают оставленный лодкой след. Именно так, подобно привычной нам ряске, эйхорния живет на поверхности воды. Правда, с тропическим размахом: величина взрослого растения измеряется десятками сантиметров. На воде эту кучу листьев удерживают воздушные пузыри — раздувшиеся основания черешков. У этих же черешков зарождаются и маленькие водные гиацинты, которые потом отпочковываются от взрослого растения. Вегетативный способ размножения и дает возможность растению быстро распространяться по поверхности любой воды, лишь бы она была богата пищей. Корни эйхорнии, похожие на бороду, висят в толще воды, извлекая оттуда корм.
Как оказалось, это растение практически всеядно. Эйхорния хватается за любую органику, с легкостью ее усваивая. Более того, выбрав все питание из воды, скажем, пруда, оно станет извлекать вещества со дна, растворяя придонный ил. За сезон водные гиацинты способны углубить дно грязного водоема на добрых полметра, и сейчас прожорливость эйхорнии используют при очистке прудов.
Вот эти необычные свойства и обеспечили растению большую популярность в нашей стране. Шествие водного гиацинта началось в конце восьмидесятых годов, когда ставропольский селекционер и изобретатель Борис Рыженко предложил с его помощью утилизировать нечистоты. С тех пор выяснилось, что это растение поглощает фенол, сульфаты, фосфаты, нефтепродукты и поверхностно-активные вещества. Как это ни удивительно, тропическое растение благодаря долгому летнему дню неплохо прижилось даже в Заполярье, где оно чистит от дубильных веществ сточные воды Сыктывкарского целлюлозно-бумажного комбината. Еще в список промышленных подвигов эйхорнии в нашей стране входит работа на Братском деревоперерабатывающем комплексе, Кудряшовском свинокомплексе и на доочистке стоков перед их возвратом в производство на «ЛУКОЙЛ-Пермьоргсинтезе». Эйхорния весьма охотно накапливает и ионы металлов, поэтому она неплохо чистит воду от радионуклидов.
Самое главное, что водный гиацинт в наших условиях не способен ни давать семян, ни переживать зиму. Поэтому нет угрозы, что агрессивный пришелец, вырвавшись на свободу, заполонит российские пруды и озера, как это получилось в более теплых странах. Не случайно большая часть научных публикаций в мире про водный гиацинт посвящена не способам его выращивания, а, наоборот, методам уничтожения.
Зеленая смерть гептила
Итак, именно эйхорнию военные химики, переквалифицировавшиеся в ботаников, и решили применить для очистки северных болот и озер в районах падения ракет. Идея была проста: взять несколько тонн водного гиацинта, благо, его уже выращивают в промышленном количестве, на вертолете доставить до места да там и выбросить. Два месяца растения будут бороться с остатками топлива, а зимой погибнут, оставив очищенный водоем и перегной. Однако сколь чистой будет после этого вода?
Чтобы это выяснить, провели эксперименты. Оказалось, что эйхорния способна жить в болоте, где концентрация несимметричного диметилгидразина составляет 300–400 мг/л. При большей концентрации растения все же гибнут. Продукты распада гептила оказывают на эйхорнию более губительное действие: для диметиламина предельная доза оказалась равна 80–100 мг/л, для формальдегида — 10 мг/л, а для нитрозодиметиламина — 5–10 мг/л. Однако если концентрация вредного вещества в воде составляет половину этой дозы, то уже через пятнадцать дней растение его сокращает на 90%, а спустя 25 дней вода приходит в норму. Если ничего с водой, в которой растворилось топливо, не делать, то концентрация ядов тоже уменьшается, но через те же 25 дней их содержание превышает ПДК в сто раз, а кривая выходит на плато (см. рисунок). Дальнейшая самоочистка растягивается на годы. Расчет показал: чтобы за лето полностью удалить из воды десять граммов диметилгидразина, требуется один килограмм водных гиацинтов. Самое главное в том, что растение разлагает компоненты топлива на составляющие, которые потом использует для строительства собственных клеток. Оно не накапливает в себе яды и не выделяет их через листья.
Так себя вела эйхорния в лаборатории. Однако на воле все может быть по-иному: вдруг гептил покажется растению менее вкусным, чем компоненты донного ила, и будет оно питаться этим илом, а топливо останется целым и невредимым? Ответ на этот вопрос дала вторая серия экспериментов, которые провели на природной болотной воде. В общем-то, поведение растения не изменилось: за положенный месяц вода была очищена.
От топлива к биотехнологии
За время работы с эйхорнией химики-ботаники накопили немалый опыт. В частности, сумели добиться от любимого растения редкостного результата: оно буйно зацвело в неволе.
Закончив с исследованием отношений между эйхорнией и гептилом, ученые задумались: а где бы еще можно применить полученные знания? Ведь в их руках оказалась готовая технология содержания водного гиацинта круглый год в закрытом помещении. Если растение разлагает и гептил, и формальдегид, и диметиламин, значит, есть смысл попробовать уничтожать еще какую-нибудь неприятную органику, то есть заняться нейтрализацией промышленных стоков. Главное условие эффективности технологии — чтобы стоков было не очень много, а состав растворенных веществ — сложен. Нейтрализовать химическими методами коктейль из активных органических веществ весьма непросто, а для растения всё едино — это пища.
Как может выглядеть такая очистная станция? Как каскад небольших бассейнов в теплице, в которые высаживают водной гиацинт. Сточная вода подается в первый бассейн и перетекает из одного резервуара в другой, постепенно очищаясь. На выходе в ней нет ни органических веществ, ни солей, ни ионов тяжелых металлов. Размножившиеся растения переселяют в другой бассейн. Теплица поддерживает комфортную температуру, а лампы дневного света обеспечивают освещение с правильным спектром.
По мнению авторов идеи, затраты на такую теплицу с эйхорнией не идут ни в какое сравнение со стоимостью других методов очистки, а пригодится эта экологически совершенно чистая технология, скорее всего, в фармацевтической промышленности, где есть стоки, содержащие целый букет сложных и вредных веществ.
Казалось бы, дело нехитрое — купил водный гиацинт на Птичьем рынке в Москве, сделал теплицу и чисти себе сточные воды предприятия. Однако следует иметь в виду, что в каждом отдельном случае технологию надо отлаживать: ведь растению то или иное вещество может показаться несъедобным. И необходимые методики для отладки придется либо разрабатывать самому, либо воспользоваться знаниями тех людей, которые уже изучили множество нюансов поведения водного гиацинта.
Справка
Технологии сорбции гептила в баках ракет, детоксикации грунта от гептила пероксидом кальция и очистки воды водоемов с помощью эйхорнии разработали химики-топливники 4-го ЦНИИ Минобороны под руководством доктора технических наук Николая Александровича Кручинина и кандидата технических наук Ивана Ивановича Глухарева. С ними можно связаться по адресу org@sipria.msk.ru.