Мир механохимии

 

 

Механохимия изучает влияние механических воздействий на физико-химические свойства и химические реакции веществ.

Некоторые сведения о механохимии

Основатель современной физической химии В.Ф. Оствальд предложил термин «механохимия», образованный по тому же принципу, что и термины «фотохимия» или «электрохимия». В этих названиях отражается причинная зависимость химической реакции от способа ее инициирования.

В доисторические времена люди занимались механохимией, высекая огонь из кремней. В XVII-XVIII веках применялись кремневые ружья и пистолеты.

Механохимия

Кремневые дуэльные пистолеты

Превращения, обусловленные трением, иногда выделяют в самостоятельный раздел механохимии, называемый трибохимией; разделами механохимии считаются также химия ультразвука, химия ударных волн и др.

Механохимия

Модель процессов, происходящих
при соударении частиц. Хайнике, 1984.

При обработке порошков в мельницах, дезинтеграторах и аналогичных измельчительных аппаратах веществу передается механическая энергия. В результате происходит диспергирование (уменьшение размеров частиц), образуется новая поверхность частиц. Однако, это не единственный результат механической обработки. Кроме этого, могут наблюдаться:

Деформация кристаллов
Образование большого количества дефектов
Сдвиговые напряжения
Изменение размеров микроблоков, образующих кристалл
Агрегация кристаллитов
Выделение тепла
Локальный подъем температуры и давления
Эмиссия света и электронов
Фазовые превращения
Аморфизация
Разрыв химических связей
Ускорение процессов диффузии
Формирование центров с повышенной активностью
на вновь образованных поверхностях

Эти явления можно отнести к эффектам механической активации.

Активность твердых тел при деформировании, трении или разрушении
вызвана возникновением колебательно- и электронно-возбужденных состояний
межатомных связей, механически напряженных и разорванных связей,
в том числе свободных радикалов, координационно ненасыщенных атомов, различных структурных дефектов, а также ионизацией частиц вещества и стабилизацией электрически заряженных центров.

Поглощение механической энергии может инициировать разложение веществ (в том числе деструкцию полимеров), полиморфные превращения, гетерогенные реакции твердых тел с газами и жидкостями, твердофазный синтез в смесях порошков и другие реакции. С поглощением механической энергии связан также химический износ поверхностей трения и рабочего инструмента в процессах механической обработки, разрушение конструкционных материалов, работающих при статических или динамических нагрузках в активных средах, например, коррозия напряженного металла.

Механически активированные вещества обладают высокой реакционной способностью, что важно для многих практических применений:
Спекание механически активированных порошков происходит при температурах на десятки и сотни градусов ниже, чем для неактивированных веществ;
Возможно проведение механохимических реакций непосредственно в измельчительном аппарате (например, в планетарной мельнице), возможен твердофазный механохимический синтез;
Повышается растворимость и скорость растворения твердых тел в жидкостях;
Возможно повышение каталитической активности катализаторов.

Выявление факторов, ответственных за увеличение реакционной способности, – важная задача в исследовании физико-химических свойств механически активированных соединений.

Применение механической активации

Активация измельчением как новый способ ускорения физико-химических процессов находит все более широкое применение. Она уже вышла из рамок лабораторных исследований и используется как средство ускорения технологических процессов или как способ изменения технологических параметров режимов обработки минерального сырья.

Активация минеральных веществ измельчением с успехом применяется в технологии угля, для интенсификации гидрометаллургических процессов, при производстве удобрений, стройматериалов, композиционных смесей и т. д.; открывает перспективу вторичной переработки минерального сырья, складируемого в отвалы, повышения комплексного и рационального использования минеральных ресурсов, а также ослабления вредного воздействия промышленности на окружающую среду.

Перспективно использование активации измельчением в процессах выщелачивания, экстракции, селективного и валового растворения веществ. Снятие лимитирующих стадий процесса позволяет многократно ускорить перевод твердых компонентов в растворенное состояние. Энергетические затраты на активацию окупаются экономией времени и более полным извлечением растворяемых компонентов.

Другое перспективное направление использования активации измельчением — подготовка композиционных смесей. Композиционные смеси широко используются в самых различных отраслях промышленности. Их готовят в виде шихты перед пиропроцессами; применяют при подготовке пресспорошков; используют при подготовке твердых растворов для катализаторов или других целей; на их основе работает керамическая промышленность; их применяют при подготовке формовочных земель, флюсов; для покрытия электродов; для штамповки металлокерамических деталей, клеевых композиций и т. п.

Активация измельчением должна найти применение при решении вопросов комплексного использования минеральных ресурсов и снижения вредного воздействия продуктов переработки промышленности на окружающую среду. В частности, это могут быть: утилизация отходов производства и ликвидация отвалов; очистка сточных вод с улавливанием на активированной поверхности ценных (и вредных) компонентов; облагораживание торфа, угля и горючих сланцев перед сжиганием с одновременным извлечением металлов, серы и других ценных компонентов; замена обжига сульфидных и мышьяксодержащих концентратов безобжиговым процессом, основанным на механоактивации.

Активация измельчением, по всей видимости, получит дальнейшее развитие как новый способ химического синтеза неорганических веществ.

Наконец, активация измельчением может оказаться основой принципиально новых технологических процессов, когда вспомогательная операция становится основной.

В настоящее время в связи с наличием на рынке высокоэнергонапряженного измельчительного оборудования промышленного типа (планетарных мельниц) есть все основания для широкого промышленного использования достижений механохимии.

Конференции


По механохимии проводятся международные конференции:

INCOME

INTERNATIONAL CONFERENCE
ON MECHANOCHEMISTRY AND MECHANICAL ALLOYING
2003 Braunshweig, Germany
2006 Новосибирск
2008 Индия

ISMANAM
International Symposium
on Metastable and Nano Materials
2006 Warsaw, Poland
2008 Buenos-Aires, Argentina

Механохимики

Старшее и среднее поколение механохимиков – доктор химических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Евгений Григорьевич Аввакумов и доктор химических наук Александр Михайлович Калинкин. Брауншвейг, Германия, 2003 г.

Текст носит ознакомительный характер. Использована литература:
Химическая энциклопедия   http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2606.html
НОВЫЙ СПРАВОЧНИК ХИМИКА и ТЕХНОЛОГА. Процессы и аппараты химических технологий. Л.Ф.Биленко
http://chemanalytica.com/book/novyy_spravochnik_khimika_i_tekhnologa/09_protsessy_i_apparaty_khimicheskikh_tekhnologiy_chast_I/5252#8.5.
Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. Новосибирск: Наука. 1986. 305 с.
Болдырев В.В. Экспериментальные методы в механохимии твердых неорганических веществ. Новосибирск: Наука. 1983. 64 с.
Бутягин П. Ю., "Успехи химии", 1984, т. 53, в. 11, с. 1769-89.
Чайкина М.В. Механохимия природных и синтетических апатитов. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2002. 203 с.
G. Heinecke, Tribochemistry. Akademie-Verlag, Berlin, 1984.

Некоторые другие ссылки приведены на странице «Публикации».

 

 
Active-nano (Andrey V. Petrov)