Механоактивация в технологии катализаторов
Целый ряд технологических операций, которые являются составными частями процесса приготовления катализаторов, сопровождаются подведением к системе различного вида механической энергии. При измельчении и смешении твердых компонентов, при перемешивании суспензий, паст, таблетировании, экструдировании происходят механохимические процессы, которые включают диспергирование, генерацию дефектов в кристаллической решетке, изменение структуры, состава и свойств материала. Механохимия – изучает влияние механической энергии на химические изменения в твердых телах. Например, при диспергировании поверхность твердого тела под влиянием механической энергии претерпевает существенные изменения: нарушается кристаллическая упорядоченность, деформируются и разрываются связи, уменьшается координационное число атомов. Упаковка ионов становится рыхлой, межплоскостные расстояния возрастают и становятся больше, чем в регулярной решетке. Может измениться структурный тип кристаллической решетки. Например, в шпинелях наблюдается переход катионов из тетраэдрических положений в октаэдрические. В областях, где решетка разупорядочена, ослаблено электростатическое взаимодействие, обеспечивающее устойчивость ионов, они становятся более подвижными, кристаллическая решетка может разрушаться. В месте разрушения возникают свободные радикалы, валентно- и координационно ненасыщенные атомы, возникают свободные электроны. Таким образом, вновь образованная поверхность обладает повышенной реакционной способностью, изменяется кинетика химической реакции между твердой и газовой (жидкой) фазами, что весьма существенно для каталитических процессов. В последние годы имеются данные о наблюдаемых эффектах изменения каталитической активности, возникающих под действием интенсивных механических импульсов, подведенных к конденсированной системе. Твердое химическое соединение, подвергнутое интенсивному механическому воздействию, переходит в энергонапряженное состояние, которое в свою очередь, вызывает в нем химические изменения. Это явление обозначено термином механическая активация.
Исходя из предположения, что влияние механической обработки на реакционную способность твердых веществ происходит по двум каналам – диспергирование и активация, делаются попытки проследить за изменением этих величин в зависимости от интенсивности подвода механической энергии, времени воздействия и реакции воздействия. Оказалось, что активация с течением времени стремится к насыщению. В смесях активируются прежде всего крупные частицы, частицы же малых размеров активируются с большим трудом. С уменьшением размеров частиц запасенная в них энергия в результате механической активации снижается. Если материал, активированный в активаторе ударного типа выдержать после обработки, его активность в зависимости от времени выдержки снижается по экспоненте. Это указывает на необходимость учета при оценке эффективности аппаратов не только уровня подводимой энергии, но и возможности быстрой потери ее полностью или частично вследствие релаксационных процессов, которые были реализованы в фазовом переходе.
Так, например, если вхождение в оптимальную зону экструзионного формования в ситеме -Al2O3 – ПВС – вода возможно только при сравнительно большом содержании пластификатора (5% и более), то предварительная механохимическая обработка в присутствии воды, приводящая к аморфизации и гидратации поверхностного слоя частиц оксида алюминия, значительно сокращает расход поливинилового спирта.