Procese și aparate de tehnologii chimice

8.5. Activarea mecanică în dispersia materialelor solide

8.5.1. Esența activării mecanice a materialelor și a domeniului de utilizare a acestora

Îndoirea subțire și ultrafină este întotdeauna însoțită de o creștere a rezervelor de energie liberă (internă și de suprafață) a produsului zdrobit. Această energie poate fi utilizată cu succes pentru creșterea eficienței proceselor tehnologice ulterioare (accelerarea reacțiilor chimice, creșterea extracției componentelor valoroase, obținerea de noi materiale etc.). Un interes semnificativ pentru metode mecanice de accelerare a reacțiilor chimice, în special între solide, a început să apară la sfârșitul secolului al XIX-lea. DI Mendeleev, studiind reacțiile dintre solide, a subliniat că "este necesar să le ștergem și să le amestecăm cât mai puțin posibil. Prin această interacțiune este foarte accelerată "[86].







Conform definiției date Rebinder academician care a angajat în mod activ reacții mecano care însoțesc procesele de strivire „Scopul mechanochemistry este de a utiliza chimice sau prevenirea acestor reacții care sunt cauzate sau accelerate prin activare mecanică.“

Un interes deosebit îl reprezintă activarea mecanică a substanțelor solide și reacțiile cu participarea lor, deoarece se constată că o parte din energia mecanică furnizată corpului solid în timpul activării este asimilată acestuia sub forma unei noi defecte de suprafață, liniară și punctuală. În plus, se știe că proprietățile chimice ale cristalelor sunt determinate de prezența defectelor în ele, a naturii și a concentrației acestora. Cu ajutorul activării mecanice, un număr de fenomene fizice care apar în substanțele solide pot fi utilizate în chimie la rate mari de solicitare. Acestea includ: o modificare a structurii solide; accelerarea proceselor de difuzie în timpul deformării plastice; formarea de centre active pe suprafața proaspăt formată; apariția pulsurilor de temperaturi și presiuni locale ridicate etc. Pentru prima dată, cercetătorii care au studiat efectul undelor de șoc și presiunilor mari cu deformări de forfecare asupra proprietăților solidelor au abordat utilizarea acestor efecte în chimie. Totuși, aceste efecte pot fi obținute și cu ajutorul echipamentului de măcinare, care este mult mai practic și fezabil din punct de vedere practic, în special pentru procese continue. Ca urmare a îmbunătățirii acestui echipament, au apărut dispozitive cu o intensitate mare de aprovizionare cu energie, iar rolul acestor efecte în măcinarea a crescut considerabil.

Baza tehnică pentru activitatea în domeniul de măcinare ultra-fin este un mașini de rectificat de mare viteză. Modelul compact și de mare viteză, efectele de înaltă frecvență pe materialul fiind măcinat și o densitate mare de energie pe unitatea de volum de lucru, de lucru în stare de șoc și într-o operațiune abraziunea, această tehnică permite să studieze și să practice efectele datorate micronizarea substanțelor.

Este cunoscut faptul că o substanță într-o stare fin divizată caracterizate prin proprietăți nu destul de obișnuite - ele devin mai reactive, rapid, uneori reacționează exploziv cu alte substanțe se topesc la temperaturi mai mici, mai bine sinterizata da specificatii mai puternice, etc. Schimbarea proprietăților .. substanțele supuse mărunțirii, uneori atât de importantă încât, în literatura de specialitate sunt parametri termodinamici substanțe concasarea (de exemplu, MgO și MgO cristalin fin).

In mod similar, este cunoscut faptul că substanța își schimbă compoziția sau structura sa sub acțiunea forțelor mecanice. De exemplu, halogenurile de mercur se descompun la triturare într-un mojar pentru a forma un metal, dioxid de siliciu reacționează cu var, oxid mercuric galben este transformat în modificarea ei roșu, etc. Un exemplu frapant al reacțiilor chimice inițiate de frecare, - .. Aprinderea cap chibrit sau explozie arsenic iodură cu blând Smetanin pasăre pană cu o placă de oțel neted.

Astfel, procesele pur fizice de frecare sau măcinare, asociate cu aplicarea forțelor mecanice, provoacă reacții chimice sau schimbări în reactivitatea solidelor.

V. Ostwald în 1887 a introdus în literatura de specialitate termenul "mecanochimie", format pe același principiu ca și termenii "fotochimie" sau "electrochimie". Aceste nume reflectă dependența cauzală a reacției chimice pe calea inițierii sale.

O nouă etapă în dezvoltarea mecanochemiei substanțelor anorganice este asociată cu apariția mașinilor de măcinat cu duritate ridicată de energie și cu creșterea cerințelor industriei în materialele fin dispersate. Direcția științifică modernă în domeniul studierii și utilizării sistemelor fin dispersate și a proceselor fizico-chimice cauzate de dispersie este creată de o serie de oameni de știință de vârf: V.V. Boldyreva, B.V. Deryagina, N.A. Krotova, V.D. Kuznetsova, P.A. Rebinder, A.N. Frumkina, E.D. Shchukin și alții. Cercetarea lor se bazează pe idei științifice moderne despre proprietățile specifice ale substanțelor datorate stării dispersate.

Diferitele fenomene fizice care însoțesc șocul sau frecarea sunt, în final, transformate în fenomene chimice. Impactul și frecarea sunt principalele metode de acțiune mecanică asupra solidelor în timpul măcinării. Ele provoacă următoarele fenomene fizice [87]:

Inițierea emisiei de unde electromagnetice într-o gamă largă;

produce căldură, ceea ce provoacă încălzirea materialului care trebuie zdrobit;

stimularea emisiei de electroni și crearea unei diferențe de potențial;

conduc la o întrerupere a continuității materialului și la creșterea suprafeței libere a substanței;

induce elastic și deformare plastică (relaxarea tensiunilor reziduale și deformațiilor în solide la temperatură scăzută are loc suficient de lent și, prin urmare, substanța supusă acțiunii forțelor mecanice, o marjă de timp are „exces“ de energie);







distorsionează grâul de cristal al mineralelor, sunt cauza apariției defectelor de punct și a dislocărilor liniare care poartă un stoc adecvat de energie "în exces";

prin măcinarea materialului discontinuitatea duce la ruperea legăturilor chimice substanței (format la legături chimice acest decompensate sau radicalii liberi au marja „exces“ de energie).

Fenomenele fizico-chimice cauzate de acțiunea mecanică asupra substanțelor solide sunt deosebit de pronunțate atunci când materialele sunt zdrobite. ideile moderne despre natura interioară a transformărilor mecano substanțelor atunci când măcinarea fină se bazează pe conceptul de activare a reactanților solizi forțe mecanice (activare mecano, activare mecanică). Conceptul de "mecanoactivare" a fost introdus în literatura de specialitate de A. Smekal. Acest proces este definit ca o schimbare a stării energetice, structura fizică și proprietățile chimice ale mineralelor sub influența forțelor mecanice în timpul dispersiei, schimbarea stare energetică se referă la un sistem heterofazic, componentele solide care au fost supuse la solicitări mecanice. Introducere în determinarea stării de energie sistem de activare mecanică deschide posibilitatea de exprimare matematică și cuantificarea activării: mechanoactivation numeric egal cu variația energiei libere a sistemului sub acțiunea forțelor mecanice.

Una dintre principalele prevederi este că poate exista o mecanoactivare fără măcinare, dar nu poate fi măcinată fără activare. Rezultă că, în primul rând, este imposibil să se împartă măcinarea și activarea: activarea oricărei măcinare acolo, ca și sub influența forțelor externe crește alimentarea cu energie a materialului sfărâmat cel puțin prin creșterea energiei de suprafață; în al doilea rând, orice mașină de rectificat este un mecanoactivator.

Efectul dimensiunii particulelor materialului zdrobit pe starea și fizico-chimice, proprietățile sale nu pot fi ignorate. Rationamentul reprezintă un alt tip de abstract măcinare în care materialul este distrus strict pe avioane cristalografice, și astfel nu creează defecte în rețeaua cristalină și nu rămâne în particulele de tensiuni reziduale. Chiar și cu o astfel de măcinare există o anumită limită a dimensiunii particulelor la care au loc modificări de substanță în mod inevitabil, măcinate. De îndată ce dimensiunile transversale ale particulelor vor fi proporționale cu parametrii zăbrele, astfel încât odată ce materialul cristalin pentru a schimba structura, rămânând corpul cristalin, dar cu parametri zabrele mai mici, sau transformat într-o substanță amorfă, cu absorbție de energie, egală cu energia rețelei cristaline, fie se întâmplă substanță de distrugere (mehanoliz , cracare mecanică, disociere și m. p.). Experiența extrafin măcinarea materialelor minerale în mori planetare indică faptul că schimbările profunde în materia primă se realizează cu dimensiunea particulelor este de sute de ori mai mare decât parametrii de cristal cu zăbrele [87].

Prevederi pentru factor de scalare sugerează că dimensiunea particulelor atunci când mineralele dispersate sunt una dintre cauzele substanțelor schimbări profunde, împreună cu alți factori, cum ar fi defectele cu zăbrele și tensiunile reziduale. În plus, face posibilă determinarea limitelor dintre măcinarea subțire și ultrafină. O măcinare fină trebuie să fie considerată un astfel de grad de dispersie, la care nu se observă schimbări profunde în structura și compoziția elementară a materiei prime. Cu ultrafine de măcinare, minerale originale încetează să mai existe în structura sa originală sau compoziția chimică, transformându-se într-o substanță nouă cu diferite proprietăți, structură și chiar compoziție elementară.

Unii cercetători explică fenomenele fizice și chimice care apar în timpul distrugerii mecanice a substanțelor solide, natura valurilor atât a distrugerii în sine, cât și a proceselor chimice inițiate de întreruperea solidității. Distrugerea sub influența impulsurilor slabe, dar adesea repetitive, a forțelor mecanice este considerată ca o adăugare a unor valuri de coincidență de prelungire a compresiei care se produc în timpul impactului sau al frecarii.

Din mecanismul de undă adoptat de distrugere, urmează câteva consecințe:

distrugerea poate fi cauzată de impulsuri arbitrare de acțiune mecanică, departe de a atinge chiar și limita de elasticitate, dar adesea urmări una de cealaltă;

distrugerea poate să apară atât de departe de punctul de aplicare a forțelor mecanice, dar, cel mai probabil, de-a lungul limitelor omogenității materiei, de-a lungul limitelor de reflexie și refracție a undelor;

Condițiile de distrugere a solidelor sunt determinate de legile stochastice, fluctuațiile în acest caz joacă un rol decisiv.

Activarea prin măcinare ca o nouă metodă de accelerare a proceselor fizice și chimice este din ce în ce mai utilizată. Acesta a părăsit deja cadrul cercetării de laborator și este utilizat ca mijloc de accelerare a proceselor tehnologice sau ca modalitate de reducere a parametrilor tehnologici ai regimului de tratare a materiilor prime minerale. Singurul obstacol în calea aplicării pe scară largă a activării mineralelor în timpul măcinării lor este absența unei producții în serie de dispozitive de înaltă performanță fiabile - activatori mecanochemici sau activatori-mașini de tundere.

Activarea mineralelor prin măcinare este utilizată cu succes în tehnologia cărbunelui, pentru intensificarea proceselor hidrometalurgice, pentru producerea de îngrășăminte, materiale de construcție, amestecuri compozite etc .; deschide perspectiva prelucrării secundare a materiilor prime minerale depozitate în gropile de gunoi, creșterea utilizării integrate și raționale a resurselor minerale, precum și reducerea impactului dăunător al industriei asupra mediului.

Cea mai promițătoare este utilizarea activării prin măcinare în procesele de leșiere, extracție, dizolvarea selectivă și brută a substanțelor. Eliminarea etapelor de limitare a procesului permite accelerarea de mai multe ori a transferului componentelor solide într-o stare dizolvată. Costurile de energie pentru activare sunt recuperate prin economisirea de timp și extracția mai completă a componentelor solubile.

O altă direcție promițătoare de utilizare a activării prin măcinare este prepararea amestecurilor compuse. Amestecurile compozite sunt utilizate pe scară largă într-o mare varietate de industrii. Ele sunt preparate sub formă de încărcare înaintea piropozelor; utilizarea în pregătirea matrițelor de presiune; sunt utilizate la prepararea soluțiilor solide pentru catalizatori sau în alte scopuri; pe baza lor funcționează industria ceramicii; ele sunt utilizate: în pregătirea terenurilor de turnare, fluxuri; pentru acoperirea electrozilor; pentru ștanțarea pieselor metalo-ceramice, a compozițiilor de lipici etc.

Activarea prin măcinare ar trebui să găsească aplicații în abordarea aspectelor legate de utilizarea integrată a resurselor minerale și reducerea efectelor nocive ale produselor de prelucrare industrială asupra mediului. În special, aceasta poate fi: utilizarea deșeurilor de producție și eliminarea haldelor; Tratarea apei uzate cu captarea pe suprafața activată a unor componente valoroase (și dăunătoare); Îmbogățirea turbei, a cărbunelui și a șistului combustibil înainte de ardere, cu extracția simultană a metalelor, a sulfului și a altor componente valoroase; înlocuirea fripturii concentratelor cu conținut de sulfuri și arsenici printr-un proces de neîncălzire bazat pe mecanoactivare.

Activarea prin măcinare, după toate probabilitățile, va fi dezvoltată în continuare ca un nou mod de sinteză chimică a substanțelor anorganice.

În cele din urmă, activarea prin măcinare poate fi baza unor procese tehnologice fundamentale noi, atunci când operația auxiliară devine procesul principal și principal.

Activarea prin măcinare ca o nouă metodă de intensificare a proceselor fizico-chimice necesită un echipament tehnic adecvat. Este necesar să se creeze activatori-tocătoare de tipuri de laborator și industriale pentru studierea și utilizarea practică a efectelor manifestate în timpul dispersiei, precum și producția în masă de mecanoactivatori special concepuți pentru a accelera anumite procese tehnologice.







Articole similare

Pagina anterioară

Pagina următoare

Trimiteți-le prietenilor: