47. Основы радиационно-химической технологии

За последние два десятилетия сформировалась новая область химической технологии — радиационно-химическая технология (РХТ). Ее предшественницей следует считать ядерную технологию, интенсивное развитие которой (с начала 40-х гг. XX в.) стимулировала необходимость срочного решения ряда задач, связанных с практическим использованием атомной энергии.

Целью радиационно-химической технологии является разработка методов и устройств для наиболее экономичного осуществления с помощью ионизирующего излучения физических, химических и биологических процессов, позволяющих получать новые материалы или придавать им улучшенные свойства, а также для решения экологических проблем. Выделение этого направления в отдельную область технологии обусловлено прежде всего особенностью действия ионизирующего излучения на вещество.

Радиационно-химические процессы обуславливаются энергией возбужденных атомов, ионов, молекул. Энергия ионизирующего излучения превышает в сотни тысяч раз энергию химических связей. Механизм радиационно-химических процессов объясняется особенностями взаимодействия излучений с реагирующими веществами.

В качестве источников ионизирующего излучения используются потоки заряженных частиц большой энергии (электроны, а, р, частицы, нейтроны, у-излучение).

Первоначально ионизирующее излучение применяли для производства уникальных продуктов и продуктов улучшенного качества, что было продиктовано ценами на них. Случаи экономии сырья и энергии при этом являлись единичными.

Сегодня наблюдается явное смещение приоритетов использования ионизирующих излучений: от получения продуктов с уникальными и улучшенными свойствами к экономии сырья и энергии.

В настоящее время разработаны и находятся на различных стадиях опытно-промышленной реализации более пятидесяти радиационно-химических технологических процессов, например:

радиационная полимеризация и сополимеризация, включающая получение древесно-полимерных и бетонно-полимер-ных материалов;

радиационное отверждение покрытий;

радиационные сшивание полимеров и вулканизация эластомеров;

радиационно-химический синтез (радиационное хлорирование, сульфохлорирование углеводородов);

радиационное модифицирование неорганических материалов (улучшение адсорбционных и каталитических характеристик, радиационное легирование);

радиационная очистка сточных вод.

Основные преимущества РХТ можно сформулировать следующим образом:

возможность получения уникальных материалов, производство которых другими способами невозможно;

высокая чистота получаемых продуктов;

смягчение условий проведения процесса (температуры, давления);

возможность регулирования скорости процесса за счет изменения интенсивности излучения, а следовательно, — легкость автоматизации процесса;

возможность замены в некоторых случаях многостадийных процессов синтеза одностадийными.

48. Основы плазменной и элионной технологии

Плазменная технология основана на обработке исходных материалов концентрированными потоками энергии — плазмой.

Плазма — значительно ионизированная и нагретая до 10 000—30 000 °С смесь нейтральных молекул, ионов, которая в отличие от газа ярко светится, обладает электропроводностью и активно взаимодействует с магнитными нолями.

Ныне известно более 50 плазменных технологий. Сформировалась и научная база этой группы технологий — нлазмохи-мия, изучающая процессы, протекающие при сверхвысоких температурах, когда вещество находится в состоянии плазмы.

В машиностроении плазменным методом обрабатывают изделия из любых материалов, выполняя прошивание отверстий, резку, наплавку, напыление тугоплавких, износостойких, кор-розионноустойчивых покрытий, сварку и т.д. С помощью плазмы сваривают тугоплавкие металлы, а также неэлектропроводные материалы (стекло, керамика).

В металлургии вместо доменных печей для процесса восстановления железа вполне можно использовать плазмотроны. При этом вместо кокса или природного газа для процесса восстановления железа могут использоваться самые дешевые топливно-энергетические ресурсы, по существу отходы — угольная пыль и древесная стружка. К тому же плазменные металлургические технологические процессы, в отличие от традиционных, экологически чисты, не выделяют в окружающую среду сернистые и иные вредные газы.

В разных отраслях успешно используется метод плазменного напыления — нанесения на поверхность деталей упрочняющих, термостойких, антикоррозионных, защитных, декоративных и других покрытий. Такие покрытия позволяют улучшить качество, повысить ресурс и надежность машин. Методом плазменного напыления можно восстанавливать изношенные поверхности деталей.

На базе плазменной технологии можно организовать резку стальных плит толщиной до 25 см и плит из цветных металлов толщиной 10—15 см.

При высокой температуре в струе плазмы происходит разложение отходов на элементы с последующим синтезом новых продуктов. Так открывается путь к безотходным экологически чистым технологиям.

Можно назвать и другие сферы высокоэффективного применения плазменных технологий. Однако широкое использование плазменных технологий тормозится слабой изученностью данного класса процессов, иногда слишком большой скоростью их протекания, сравнительно высокой энергоемкостью производства.

Элионная технология использует действие электронных, ионных и рентгеновских остросфокусированных пучков. Одним из важнейших процессов элионной технологии является ионная имплантация.

Ионная имплантация — высокоэффективный физический метод научных исследований и технологической обработки, основанный на взаимодействии управляемых потоков высокоэнергетических ионов с поверхностью твердого тела для направленного изменения его свойств, связанных с атомной структурой. При ионной имплантации обрабатывающие ионы преодолевают поверхностный энергетический барьер, внедряются в поверхностный слой, вызывая повышение концентрации атомов обрабатывающего вещества в последнем; внедрению сопутствует мощное радиационное воздействие, связанное с рассеянием кинетической энергии ионов в сопротивляющейся среде обрабатываемого материала и приводящее к дефектообра-зованию.

Использование элионной технологии, несмотря на ее высокую энергоемкость, весьма перспективно для создания новых конструкционных материалов и улучшения свойств традиционных.