Н.А.Платэ, академик

В настоящее время трудно кратко сформулировать название уходящего столетия - век атомной энергии, век электроники, век компьютеров и т.д. Впрочем, он может быть назван и веком новых технологий и материалов, которые полностью преобразили всю сферу деятельности человека (состояние промышленности, сельского хозяйства, быта, медицины, здравоохранения и др.). В то же время, XX столетие может быть названо веком накопления отходов и загрязнения окружающей среды, ликвидация которых (например, химического оружия), требует огромных средств, что нарушает нормальное развитие мировой цивилизации.

Процессы устойчивого развития общества и государства прямо связаны с решением основных глобальных проблем человечества - безопасностью проживания, обеспечением населения экологически чистыми продуктами питания и питьевой водой, созданием должного баланса между решением социально-экономических проблем и сохранением окружающей среды. Они зафиксированы в решениях Конференции ООН по окружающей среде и устойчивому развитию в Рио де Жанейро (1992 г.) и на Специальной сессии Генеpальной Ассамблеи ООН по вопpосам экологии и устойчивого pазвития в июне 1997 г. Государственная стратегия устойчивого развития Российской Федерации, разработанная в соответствии с Указом Президента, в которой вопросам развития научно-технической сферы уделено серьезное внимание, одобрена Правительством Российской Федерации 11 ноября 1997 г.

Реализованные в последнее время современные технологические процессы получения различных веществ и материалов, а также обработки отходов и сточных вод, как это не покажется странным, увеличивают общий объем отходов. Существующая мировая статистика свидетельствует о том, что в настоящее время только 7-12% исходного сырья преобразуется в конечный продукт, а, примерно, 90% на разных стадиях производства и потребления переходят в отходы, которые в то же время могут быть ценным сырьем, представляющим собой полуфабрикат, переработка которого может быть в несколько раз рентабельней, чем стандартного сырья, конечно, при условии реализации экологически безопасных технологий и получения при этом высококачественных конкурентоспособных продуктов. В этой связи уже сегодня можно сделать предположение, что XXI век будет в значительной степени посвящен созданию экологически безопасных и, самое главное, малозатратных экономически и технологически обоснованных процессов переработки материалов, отходов и получения на их базе полезных и необходимых для общества продуктов.

Одной из первых, если не самой первой среди таких технологических процессов следует отнести мембранные, другие нетрадиционные и комбинированные процессы обработки веществ и материалов. Мембранные методы разделения жидких и газообразных сред уже сегодня заняли прочное место в арсенале промышленных технологических процессов, хотя полное становление и отдача мембранной науки и технологии ожидается в ХХI веке. Существуют области, где мембранная технология вообще не имеет конкурентов. Здесь следует упомянуть аппарат "искусственная почка", создание сверхчистых веществ и зон в микроэлектронике, выделение термолабильных биологически активных веществ и др.

Значение мембранной технологии в последние годы резко возросло прежде всего как технологии, способной навести мост через пропасть, разделяющую промышленность и экологию. Решением Правительственной комиссии по научно-технической политике от 21 июля 1996 г. мембранная технология получила статус критической технологии федерального уровня, также как катализ, молекулярный дизайн, новые материалы, генная инженерия и другие мировые приоритеты. К этому необходимо добавить взаимосвязь или, если так можно выразиться, взаимопроникновение, взаимообеспечение этих технологий, причем, в отличие от ряда других, мембранная технология обслуживает не только все критические технологии федерального уровня в рамках своего приоритетного направления развития науки и техники "Новые материалы и химические продукты", но и еще несколько десятков критических технологий федерального уровня в рамках всех 7, утвержденных Правительством приоритетных направлений развития науки и техники и, в первую очередь, такие как "Экология и рациональное природопользование", "Топливо и энергетика", "Информационные технологии и электроника", являясь одной из крупнейших проблем межотраслевого характера. К этому необходимо добавить полное исключение возможных негативных последствий ее использования, что невозможно гарантировать, например, при неконтролируемой реализации генной инженерии.

Глобальный характер воздействия и влияния мембранной технологии на реализацию других российских и мировых научно-технологических приоритетов в последнее время получил свое дальнейшее подтверждение. Критическая технология федерального уровня "Мембраны" вошла в 17 приоритетных для российской науки направлений, в которых российские ученые опережают мировой уровень, причем, без использования мембранных процессов невозможно обеспечить поддержание необходимого научно-технического уровня в 12 приоритетах. К этому необходимо добавить серьезные возможности мембранных процессов в решении важнейшей задачи современного этапа развития нашего общества - технологического обновления отечественной промышленности, что особенно актуально в период последствий резкого обострения известных кризисных явлений 1998 года.

Жизненная небходимость широкомасштабного внедрения мембранных процессов определяется многими факторами и, прежде всего, их прямым влиянием на обеспечение национальной безопасности, решение наиболее острых социально-экономических проблем м перспективах их практического использования.

Высокий авторитет российских ученых-мембранщиков, общепризнанный мировой уровень фундаментальных и прикладных исследований, высокая степень готовности разработок, близкий срок реализации и непреходящая актуальность являются весомым подтверждением необходимости сосредоточения усилий федеральных органов для принятия мер для интенсификации процессов ее промышленной реализации.

1. Мембранные процессы очистки сточных вод с выделением ценных компонентов в машиностроении, целлюлозно-бумажной, текстильной и пищевой промышленности, коммунальном хозяйстве и других отраслях.

2. Экологически безопасные и ресурсосберегающие процессы получения ценных нефтепродуктов из природного газа и газового конденсата, отходящих газов нефтепереработки, селективное выделение биогаза при переработке органических отходов,

3. Переработка вторичного пищевого сырья с выделением ценных компонентов (в т.ч. продуктов детского и диэтического питания) из молочной, сырной и творожной сыворотки, кукурузного и картофельного крахмала, рапса, сои и других пищевых продуктов, очистка пищевых масел от фосфолипидов и следов металлов.

4. Катионпроводящие полимерные мембраны для электрохимических генераторов.

5. Мембранные сенсоры и биосенсоры для компактных высокочуствительных систем управления и приборов.

6. Мембранные дозаторы и пролонгаторы лекарственных препаратов с контролируемой скоростью дозировки в ткани и органы, покрытия на раны и ожоги, искусственная поджелудочная железа.

7. Мембранные процессы для бактериологического контроля воды, анализа сыворотки крови, аппараты для плазмофереза и оксигенации крови.

8. Процессы селективного массопереноса с использованием жидких мембран для извлечения и концентрирования химических продуктов из различных сред (мембранная экстракция, пертракция, курьерный механизм).

9. Научные основы получения мембранных катализаторов и мембранных каталитических реакторов, методы исследования проницаемости и дефектности мембранных систем для разделения и концентрирования компонентов. Мембранные реакторы для безотходных процессов получения продуктов при минимальных энергозатратах без сбросов сточных вод и выбросов в атмосферу.

10. Научные основы получения новых классов термически и химически стойких мембранообразующих полимеров с функциональными группами разной природы (ароматических полиамидов, полиимидов, полиамидоимидов, полигетероариленов и др.).

11. Принципы направленного конструирования керамических и композиционных высокотемпературостойких, химически стойких и высокоселективных мембран для микро-, ультра- и нанофильтрации, первапорации и газоразделения.

Анализ завершенных и выполняемых в рамках приоритетов Миннауки России НИОКР в сопоставлении с наработками фундаментальной науки еще раз подтвердил, что без использования мембранной науки и мембранных процессов реализация многих критических технологий потребует больших материальных и временных затрат. Так, например, из 15 критических технологий федерального уровня, получивших высокий рейтинг по показателям состояния и перспективам развития ("Известия" от 15 августа 1998 г.) мембранные процессы необходимо использовать в 11, а из 21 критической технологии (по результатам экспертного опроса Миннауки России) - 16. Перечисленные факты еще раз подтверждают глобальный и межотраслевой характер мембранных процессов, что дает нам основание говорить о мембранной науке и технологии как авангардном направлении исследований XXI века, реализующим структурообразующие и социальнозначимые технологии и обеспечивающим инновационный характер развития отечественной промышленности.

Наша страна имеет все возможности в кратчайшие сроки не только подойти к решению ряда проблем промышленности, производства продуктов, водоснабжения и др. на основе мембранных технологий, но и выйти на мировой рынок мембранной техники с оригинальными конкурентоспособными разработками.

Российская мембранная наука продолжает занимать ведущие позиции в мире. Благодаря многолетней государственной поддержке уже к концу 80-х годов удалось получить ряд фундаментальных результатов в области физико-химии мембранного разделения, создать производства мембран разных типов, мембранных модулей, установок. Сформировалась отечественная научная школа, теоретические и прикладные работы наших ученых и инженеров получили широкое признание в России и в мире, установились рабочие контакты с зарубежными университетами и фирмами.

В России в настоящее время выпускается достаточно широкий ассортимент мембран, мембранных элементов и установок, в т.ч. установки для разделения и очистки жидкостей на базе современных неорганических мембран, аппараты для газоразделения, мембранные системы для отделения плазмы крови, мембраны и мембранные элементы для очистки воды и органических жидкостей, мембраны и мембранная аппаратура для современных методов анализа воды и др. Обращает на себя внимание разработанный и изготовленный в соответствии с заданием тендера Миннауки России передвижной исследовательско-технологический мембранный комплекс. Его использование для отработки новых технологий позволит получать исчерпывающий набор экспериментальных результатов с последующим выбором оптимальных параметров основных стадий процесса и схемы в целом; разработать математические модели, алгоритмы и программы на их основе, которые позволят провести предварительный расчет выбора того или иного процесса (или их комбинации), ускорить выход на оптимальные параметры и сократить ттем самым время на предпроектную проработку. Этот комплекс уже сегодня вызвал серьезный интерес в российских регионах (Саратов, Владимир, Нижний Новгород) и за рубежом (Германия, Нидерланды).

Вместе с тем, в настоящее время объем продаж мембранной продукции составляет около 20% от уровня 1990 г. Достаточно широкий ассортимент выпускаемой конкурентоспособной мембранной продукции свидетельствует о наличии в этой области востребованных промышленностью разработок, а незначительный объем ее продаж говорит о необходимости принятия комплекса мер для резкого расширения объемов производства.

Это не так просто сделать в современных условиях, хотя мощности по выпуску мембранной продукции удалось сохранить. Для решения этого вопроса осуществляется ряд мероприятий, которые позволят достаточно резко ускорить как объем производства, так и выход на российский и мировой рынок этой наукоемкой продукции.

Второе - поиск внебюджетных средств для реализации завершенных НИОКР и получения дополнительных источников финансирования научных исследований. Здесь упор делается на регионы через специально создаваемые структуры и программы. Так, в Саратове совместно с Правительством области и Миннауки России разработана и утверждена региональная программа внедрения мембранных технологий, которая будет финансироваться за счет средств областного бюджета и предприятий и которая обеспечит технологическое перевооружение промышленности области с последующим распространением на Нижневолжский регион.

Третье - грамотное использование накопленной интеллектуальной собственности. С этой целью во Владимире образован ЗАО НТЦ "Владипор" - дочернее предприятие АО "Полимерсинтез", куда передана в качестве нематериальных активов вся интелллектуальная собственность области мембран бывшего НПО "Полимерсинтез" - головной организации МНТК "Мембраны". На опытной и научной базе ЗАО НТЦ "Владипор" с ее уникальным комплексом стендов и установок успешно работают организации РАН, ряд ГНЦ РФ и ВУЗов. Консолидация этого мощного интеллектуального и технологического потенциала в области мембранной науки, техники и технологии, позволит при минимальной государственной поддержке занять нам достойное место на мировом рынке мембран и мембранной техники.

Четвертое - международное сотрудничество. Главная задача - полный переход на контрактную систему. Для этого есть серьезные основания, наши ученые и технологи имеют серьезный авторитет за рубежом. Подтверждением этого являются уже заключенные контракты, широкое представительство ведущих мировых ученых на российских мембранных конференциях.

Пятое - серьезное переосмысление соотношения инженеры-исследователи - менеджеры. Этому вопросу ряд институтов сегодня уделяют особое внимание, во Владимире, Саратове и других точках в создаются специальные подразделения. Эта работа будет проводится также совместно с РХТУ им. Д. И. Менделеева.

Шестое - вопросы сертификации и лицензирования разрабатываемой продукции. Для решения этих проблем планируется создание по крайней мере двух сертификационных лабораторий или органов по сертификации мембранной продукции в Москве и Владимире.

Основная задача предлагаемой программы состоит в разработке мембран новых поколений с целенаправленно формируемой структурой, что позволит при выборе определенных режимов разделения повысить проницаемость и избирательность мембран по целевым компонентам с достижением стабильности функциональных характеристик мембран. При этом предполагается также осуществить широкий поиск новых возможностей мембранных технологий как по разработкам новых мембранных процессов для решения актуальных прикладных проблем, так и по оптимизации технологических схем существующих процессов.

Концептуальная основа данной программы - выход на сильно неравновесные режимы массо- и электромассопереноса через селективные мембранные слои с усилением роли внешних управляющих факторов (градиенты давления, температуры, электрического потенциала; контролируемое изменение состава среды; нестационарность воздействий) в процессах разделения. В этих условиях эффективность разделения в высшей степени оказывается зависящей от особенностей структуры мембран на различных пространственных масштабах, как это имеет место в самых эффективных - биологических мембранах. Такой подход к проблемам мембранного разделения в отличие от традиционных сегодня квазиравновесных подходов открывает принципиально новые возможности для повышения проницаемости и избирательности целевых компонентов при их переносе через мембрану. Для этого прежде всего требуется разработка новых подходов к синтезу мембранных материалов, к формированию мембранных слоев, к их модификациям.

Принципиально новые возможности мембранного разделения могут быть достигнуты при формировании бездефектных мембранных слоев субмикронной толщины. В этом случае, как следует из теоретических результатов наших ученых, могут быть достигнуты аномально высокие значения избирательности переноса по целевым компонентам при общем высоком уровне проницаемости. Фактически речь идет о технике нанометровых масштабов для мембранного разделения, аналогичной наноэлектронике. Трудности практической реализации такой техники очевидны, и требуются значительные средства для постановки таких работ. В предлагаемом проекте программы такие работы планируются лишь в поисковом плане, для выявления возможных принципов новых технологий. При выделении финансирования можно было бы открыть конкурс на проведение таких работ, как и ряда других принципиальных для мембранной технологии пионерских исследований.

Таковыми, например, могут стать работы по использованию указанных выше внешних управляющих воздействий на перенос целевых компонентов, вплоть до реализации их активного переноса. Обычно такая ситуация реализуется при ионном транспорте (при концентрировании ионов в условиях электродиализа). В данной программе проблема ставится шире. Как показано нашими исследователями, в мембранных системах может реализовываться активный перенос и нейтральных, в частности, паровых компонентов (процесс "электропервапорации"). Фундаментальные и поисковые работы в этом направлении также могут привести к новым принципиальным результатам, к открытию новых мембранных процессов.

Впервые в государственную программу по мембранному направлению вводятся разделы по разработке химических мембранных сенсоров. Создание мембранных барьерных слоев на поверхности чувствительных элементов таких устройств позволяет существенно повысить селективность сенсоров и расширить тем самым возможности их эффективного применения в разнообразных производствах, при мониторинге состояния природной среды. В отличие от стандартных подходов к проблеме химических сенсоров в планируемых работах впервые для повышения чувствительности и избирательности сенсоров используются динамические методы анализа ("фликкер-шумовая спектроскопия").

В Программу включен также ряд традиционных для мембранной проблематики работ, в которых процессы переноса анализируются с квазиравновесных позиций. О молекулярном дизайне при синтезе мембран говорить пока сложно, однако все представленные в Программе проекты отвечают самым высоким профессиональным требованиям как по разрабатываемым новым мембранным материалам (полимерным органическим, керамическим и др.) с высокими функциональными показателями (химическая и термическая стойкость, стабильность свойств), так и по идеям интенсификации процессов мембранного разделения, по характеру предлагаемых новых мембранно-каталитических процессов, по разработкам мембранных реакторов и других комбинированных систем.

Выполнение работ в рамках единой программы с совместными обсуждениями, с координацией усилий различных групп ученых позволит не только выработать общие позиции участников по концептуальным основам программы, но и обеспечит высокий научно-технический уровень всех прикладных разработок, создаст условия для их практической реализации.

Решению проблем широкомасштабной реализации мембранной технологии будут способствовать следующие факторы:

- государственная поддержка мембранной науки и технологии, зафиксированная в указах Президента Российской Федерации, постановлениях и распоряжениях Правительства и его Комиссии по научно-технической политике;

- наличие в России квалифицированных исследователей, технологов, техников и рабочих, имеющих большой опыт по разработке, созданию и реализации в промышленности мембран, мембранной техники и технологии;

- высокая конкурентоспособность российских мембран, мембранных элементов и аппаратов, а также наличие их промышленных производств, которые при необходимости могут быть легко расширены;

- высокая степень подготовки для промышленной реализации. К настоящему времени изготовлены и испытаны на реальных средах головные образцы мембранного оборудования для очистки сточных вод, часть которого уже поставляется заказчикам, в т.ч. для регенерации отработанных моющих растворов и смазочно-охлаждающих жидкостей, разделения водомасляных эмульсий, стоков масложиркомбинатов, трюмовых вод судов, балластных вод танкеров, нефтесодержащих вод от очистки акваторий портов и платформ для добычи нефти в море и др. Производительность этих установок находится в диапазоне 150-6000 л. в час. Созданные станции комплексной очистки сточных вод от красителей и ПАВ обеспечивают 95% степень оборотного использования воды при диапазоне производительности от 5 до 50 куб. м.в час. Установки для очистки сточных вод гальванических производств обеспечивают 98% очистку от солей тяжелых металлов с диапазоном производительности от 1 до 25 куб. м. в час;

- наличие региональных экологических и социальных программ, где уже в настоящее время используется мембранная технология (Москва, Владимир, Саратов, Нижний Новгород и др.).

В то же время, в связи с общим спадом производства, сложностями с оплатой мембранных установок промышленными предприятиями (проще и дешевле эти воды, более или менее разбавляя, сбрасывать), наблюдается резкое падение спроса на мембранную технику, хотя она сейчас в 2-3 и более раз дешевле импортных аналогов при одинаковом качестве. К этому необходимо добавить отсутствие какой-либо регулирующей системы закупки импортных мембран, мембранных элементов и установок; очень часто при наличии высококачественных отечественных аналогов, закупается импортная продукция (иногда по демпинговым ценам), забывая при этом, что расходы на заменяемые узлы и элементы установок через год-два будут сопоставимы с их полной стоимостью. С этим явлением ряд отечественных организаций столкнулись уже в 80-х годах, когда наши автомобильные заводы закупили ультрафильтрационное оборудование для регенерации грунтов после их нанесения на различные окрашиваемые автомобильные детали. Тогда НПО "Полимерсинтез", г. Владимир в соответствии с рядом постановлений Правительства разработал и создал производства ультрафильтрационных элементов, которые с успехом заменили импортные аналоги. Вообще говоря, сколько либо серьёзная реализация мембранной техники и технологий в настоящее время без поддержки государства или регионов в настоящее время проблематична. Там, где органы государственной власти уделяют этому вопросу достаточное внимание, налицо и соответствующий результат. Например, во Владимире при поддержке местной администрации практически во всех детских лечебных учреждениях, родильных домах, ряде клиник и школ установлены мембранные установки для получения высококачественной питьевой воды.

Необходимым и обязательным условием реализации законченных научно-исследовательских работ в области критической технологии федерального уровня "Мембраны" является разработка механизма привлечения на рыночных условиях негосударственных инвестиций, которые совместно с государственным сектором финансирования и поддержки этого направления обеспечат решение федеральных задач промышленной реализации наиболее эффективных научных разработок на рыночных условиях, повышения на этой основе её экономической эффективности и усиление социальной и экологической направленности.

Суммируя концепцию инновационной политики в области реализации критической технологии федерального уровня "Мембраны" необходимо подчеркнуть, что только комплексная реализация фундаментальных, прикладных и производственных проблем в сочетании с грамотной инновационной политикой позволят, в достаточно полном объёме, реализовать мембранные процессы, внеся свой вклад в обеспечение структурной перестройки и восстановления российской экономики. Успешная реализация мембранных проектов позволит поднять материальное положение и престиж ученых и производственников, что будет гарантировать возможность "утечки мозгов" в этом важнейшем направлении мировой науки, где авторитет российских учёных чрезвычайно высок. Ориентация фундаментальных и прикладных исследований на рыночные принципы реализации (с частичной государственной поддержкой) создаст условия для селекции научных учреждений, коллективов и отдельных учёных, что должно привести к структурной перестройке научных учреждений и повышению эффективности всей научной сферы. В конечном счете, на базе предлагаемой концепции должна сформироваться российская модель бизнеса, которая на равных должна конкурировать с американской, европейской и японской моделями. Как только главными условиями для жизненного успеха станут интеллект, квалифицированный труд и облагороженная предпринимательская деятельность, улучшится отношение основных слоёв населения к бизнесу. Реализация научных проектов критической технологии федерального уровня "Мембраны" является важной составной частью решения перечисленных в настоящей статье проблем.