4 Механохімічні методи

4.1 Теоретичні уявлення про механохімічні процеси

Механохімічні методи на даний час тільки починають застосовуватись в технологічних процесах переробки сировини та відходів виробництва. Механохімія – це наука про змінення хімічних властивостей речовин під дією механічних сил та ефективний спосіб інтенсифікації фізико-хімічних процесів. Найкраще механохімічні явища спостерігаються при тонкому і надтонкому подрібненні або при диспергуванні речовин.

Механохімія як наука знаходиться на межі фізики та хімії. Тому теоретичні уявлення та теоретичні викладки включають та поєднують як фізичні, так і хімічні параметри, що практично здійснити складно. Теорія механохімічних процесів тільки створюється, але їх практичному застосуванню це не заважає.

Відомо, що речовини в тонкодисперсному стані характеризуються досить незвичайними властивостями: вони стають більш хімічно активними, бурно, іноді з вибухом, реагують з іншими речовинами, плавляться при більш низьких температурах, краще спікаються тощо. Змінення властивостей речовин, які подрібненні, іноді настільки показове, що в літературі наводяться окремо термодинамічні характеристики речовин після їх подрібнення (наприклад, МgО кристалічний і МgО тонкодисперсний).

Також відомо, що речовини змінюють свій склад або будову під дією механічних сил. Один з прикладів хімічних реакцій, які виникають в результаті тертя, - це запалювання сірникової головки та її горіння.

Таким чином, суто фізичні процеси (тертя або удар), які пов’язані з застосуванням механічних сил, можуть бути причиною хімічних реакцій або змінення реакційної здатності твердих речовин, а метод підвищення хімічної активності речовин механічними силами називається методом механоактивації.

Основний акт механічної обробки матеріалів - контактна взаємодія частинок одна з одною і з робочими органами подрібнювача. При цьому різниця кінетичної енергії до і після взаємодії витрачається на нагрівання матеріалу і робочих тіл, руйнування частинок, а також на підвищення їх внутрішньої енергії за рахунок структурних, фазових та інших перетворень. Зростання поверхні матеріалу і виділення вільної енергії мають таке співвідношення:

∆Е = Q х ∆S

де Е – загальне змінення вільної енергії поверхні матеріалу, Дж;

Q – поверхневий натяг, Дж/м²; S – змінення площі поверхні, м².

Іноді механоактивацію пояснюють зростанням поверхні дисперсної системи. Проте, з накопиченням поверхневої енергії за рахунок подрібнення матеріалу та з збільшенням поверхневої енергії за рахунок зростання поверхні дисперсних частинок значно важливішу роль відіграє підвищення внутрішньої енергії внаслідок зростання концентрації дефектів і напруженого стану структури. Саме такі явища лежать в основі механічної активації, яка сприяє інтенсифікації подальших фізико-хімічних процесів.

Подрібнення при механоактивації – це не просто змінення розмірів частинок, це складний фізико-хімічний процес збільшення потенційної енергії речовин і підвищення її хімічної активності внаслідок збільшення поверхневої енергії та енергії внутрішньої будови. Змінення енергетичного стану речовини при її подрібненні прийнято називати активацією.

Основні способи механічної дії на тверде тіло при подрібненні - це удар і тертя. Вони викликають такі фізичні явища:

1. порушення суцільності матеріалу і збільшення вільної поверхні речовин;

2. викликають пружні та пластичні деформації;

3. порушують кристалічну гратку матеріалів, що викликає утворення точкових дефектів, лінійних дислокацій, які мають запас надлишкової енергії;

4. через порушення суцільності матеріалу ведуть до розриву хімічних зв’язків речовини;

5. нагрівають матеріали, які подрібнюються;

6. ініціюють випромінювання електромагнітних хвиль в широкому діапазоні, в тому числі звукових та світлових;

7. стимулюють емісію електронів і створюють різницю потенціалів;

8. при тонкому подрібненні ведуть до аморфізації речовини з відповідним зміненням всіх її термодинамічних характеристик і реакційної здатності.

Ці фізичні явища, які супроводжують удар і тертя, ведуть до хімічних перетворень, тобто до механохімічних реакцій.

Активацію речовин при подрібненні можна умовно поділити на такі стадії:

перша стадія передує руйнуванню, коли формуються зони залишкових напружень;

друга стадія утворює нові поверхні, в результаті чого відбувається трансформація механічної енергії апарату в поверхневу енергію матеріалу без порушення внутрішньої структури;

третя стадія - стадія тонкого подрібнення, коли із збільшенням вільної поверхні відбувається змінення внутрішньої структури матеріалу;

четверта стадія - стадія надтонкого подрібнення, коли вихідний матеріал перетворюється в зовсім нову речовину з іншою будовою, властивостями і навіть елементним складом.

Таким чином, механічні дії на тверді тіла ударом або тертям викликають ряд змінень хімічного порядку, що і є основою механохімії і методологічною основою розробки технологічних процесів на базі ефектів механічної активації речовин.