Переход к керамическим мембранам, которого следует ожидать в не-

далеком будущем, позволит значительно расширить области их применения содновременным снижением энергозатрат. Очень заманчивой областью применения мембран может стать селективное извлечение диоксида серы из отходящих газов химических заводов и тепловых электростанций. Если совместить процессы мембранного извлечения диоксида серы с получением сернойкислоты, то можно создать экологически чистые и экономически выгодные

производства.

Керамические материалы для ядерной энергетики

 

Развитие атомной энергетики привлекло первостепенное внимание к

Материалам, обеспечивающим нормальное функционирование и защиту

ядерных реакторов различного типа, начиная от традиционных, работающихна медленных нейтронах, и кончая термоядерными.

Среди этих материалов видное место занимает специальная керамика.

В ядерных энергетических установках керамика используется в качестве теп-

лоизоляции (Al₂O₃, SiO₂), ядерного топлива (UO₂, PuO₂), материалы регули-

рующих узлов (B₄C, Sm₂O₃), замедляющих и отражающих материалов (BeO,

ZrO₂, Be₂C), материалов нейтронной защиты (B₄C, Sm₂O₃, HfO₃), электроизо-

ляции в активной зоне (Al₂O₃, MgO), оболочек тепловыделяющих элементов

(SiC, Si₃N₄) и т.д.

 

В термоядероной энергетике керамика широко используется для теп-

ловой и электрической изоляции первой стенки плазменной камеры (SiC,Si₃N₄), ограниченная плазма (SiC, Al₂O₃, B₄C), для нейтронной защиты (бланкеты из LiAlO₂, Li₂SiO₃, Li₂O), в качестве материала для окон разночастотного нагрева плазмы (Al₂O₃, ВеO) и т.д.

 

Конструкционная керамика

 

Конструкционные керамические материалы разделяют на две группы:оксидную керамику (включая силикаты и стеклокерамику) и бескислородную (карбиды, нитриды, бориды). Долгое время материаловеды не рассматриваликерамику как возможный конструкционный материал. Это было связано сосновным ее недостатком – хрупкостью. По другим основным эксплуатационным параметрам (термостойкости, твердости, коррозионной стойкости,плотности, доступности и дешевизне сырья) она существенно превосходитвсе металлы и сплавы.

 

Можно ли ожидать в ближайшем будущем появление принципиально

новых керамических материалов? На этот вопрос следует ответить утверди-

тельно. Примером служит полученная недавно в Японии сверхпластичная

керамика на основе тетрагональной модификации диоксида циркония, леги-

рованного 3 мол % оксида иттрия.

При специфических условиях подготовки сырья и спекании получается

поликристаллический материал с размером кристаллитов 0,3 мкм, который

способен деформироваться, вытягиваясь под действием внешних нагрузок

вдвое по сравнению с первоначальной длиной. Характерно, что после такой

Вытяжки керамика имеет прочность, превышающую прочность нитрида

кремния, считающегося наиболее конструкционным материалом. Более того,нитрид и карбид кремния могут деформироваться без разрушения не болеечем на 3 %, что в 40 раз меньше, чем созданный сверхпластичный материална основе твердого раствора диоксида циркония и оксида иттрия. Это создаетисключительные перспективы применения последнего, делая доступной обработку его такими традиционными в металлообработке приемами, как экструзия, волочение, ковка.

Грандиозные перспективы открыты перед сверхпроводящей керамикойи совсем недавно созданной керамикой с гигантским магнитным сопротивлением, перед новым поколением конструкционной керамики, получившей название синэнергетической.

 

 

Лекция 7.

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

До сих пор речь шла о том, что может и что должна создавать химия, однако стоит вопросо том, как и какими способами это осуществляется, какиепринципы и новые методыхимической технологии применяются. Усовершенствование существующих и разработка новыхтехнологий является главной заботой химической науки. Простота, малостадийность (а лучше одностадийность), надежность, малая энергоемкость, высокая производительность и экономичность, непрерывность, замкнутость

(безотходность), низкие требования к сырью и его подготовке – таковы главные критерии, которым должна соответствовать современная технология.

 

Бесспорно, что первое место в создании новых технологий принадле-

жит катализу. Достаточно сказать, что даже сейчас 85 % всех промышленныхпроцессов, на долю которых приходится 70 % всей химической продукции,основаны на катализе. Только на основе катализа можно искать и разрабатывать процессы с высокой селективностью, производительностью, экономичностью и низкой энергоемкостью. Эта задача является традиционной и в гетерогенном, и в гомогенном катализе.

В этом направленииуже достигнуты значительные успехи, многие высокоэффективные процессы освоены промышленностью, однако гораздо больше имеетсяеще неосвоенных возможностей.В первую очередь, они связаны с металлокомплексным катализом, позволяющим разрабатывать прямые методы превращения сырья в целевые продукты и исключать многие промежуточныестадии синтеза.

Так, карбонирование метанола в уксусную кислоту происходит на

комплексных соединениях с селективностью по метанолу 99 %; окисление

этилена в ацетальдегид на палладиевых катализаторах происходит с селек-

тивностью 95 %. Высокая селективность металлокомплексного катализа ха-

рактерна также для электрохимических процессов (электрохимическое окис-

ление олефинов в присутствии осмия дает почти 100 %-ный выход гликолей).

Металлокомплексные катализаторы, используемые на современном

уровне, имеют ряд недостатков, которые частично компенсируют их достоинства. Принципиально важной задачей является создание такой молекулярнойорганизации катализатора, которая обеспечила бы длительную работу каждогоактивного центра без его разрушения, а также возможность легкого доступа кэтому центру реагирующих молекул и удаление продуктов превращения.

Катализ должен сыграть ведущую роль в создании технологий перера-

ботки природного газа и нефти в ценные химические продукты; ключевым

элементом таких процессов должна стать каталитическая активизация насы-

щенных углеводородов (в частности, метана). В связи с энергетической

конъюнктурой все возрастающую актуальность приобретает создание малоэнергоемких и производительных технологий переработки твердых топлив(угля, сланцев, торфа, древесины, искусственной нефти, нефтепродуктов).

Не менее остро и актуально стоит проблема комплексной переработкинеорганического сырья – руд и минералов: усовершенствование технологиифлотации, разработка селективных флотирующих реагентов, экстрагентов сцелью полного извлечения цветных и редких металлов, фтора и других элементов. Химические методы извлечения металлов ужедавно используются вметаллургии, однако, в настоящее время они приобретают особое значение всвязи с истощением богатых руд.

Новые технологии можно разрабатывать наоснове применения органических веществ – комплексонов и экстрагентов,которые селективно реагируют с ионами определенных металлов и извлекаютэти металлы из полиметаллической руды в раствор. Здесь можно ожидатьразвития особой области – сольватометаллургии, которая в отличие от традиционной металлургии, не включает энергоемкого процесса плавки.

Еще более перспективна «микробиологическая» металлургия; она ос-

нована на способности некоторых микроорганизмов «перерабатывать» рудыи селективно извлекать определенный металл. Так ие хемометотрофные (т.е.буквально, «поедающие скалы») микроорганизмы живут в воде и при своейжизнедеятельности получают энергию за счет ферментативного окислениянеорганических веществ, благодаря чему они «высвобождают» металл из руды, переводя его в водный раствор. В настоящее время уже существует крупномасштабное микробиологическое «производство» меди (в США более 10 %общей добычи меди получают именно этим способом); планируется этимспособом наладить добычу урана.

Крупным успехом современной химии стало открытие восстановления(фиксации) молекулярного азота на гомогенных катализаторах. Возможнаязадача теперь – разработать на его основе промышленную технологию фиксации с высокой производительностью, селективностью и низкой энергоемкостью; аналогичная задача стоит и в отношении двуокиси углерода – неорганического сырья, имеющегося в безграничном количестве; в решении этойзадачи лидирующее место должно, по-видимому, принадлежать катализу.

Каталитическая утилизация СО₂ и синтез на основе такого сырья, ко-

торое сейчас считается «нефтяным» и дефицит которого будет ощущаться

особенно остро уже в ближайшем будущем – проблема сегодняшнего дня

химии. Уже намечены некоторые принципиальные пути в этом направлении;

так, на Ni, Co, Ru катализаторах взаимодействие СО₂ с водородом дает метан,а на оксидных катализаторах – метанол. Возможны также электрохимическиепути фиксации СО₂.

Значительное место в химии занимают процессы горения, причем используются они преимущественно в химической энергетике – для получениятепловой и механической энергии. Сюда относятся горение газов в двигателях внутреннего сгорания, газификация и горение жидких и твердых топлив .Главным партнером топлива в процессах горения является кислород – свободный или связанный, а основными продуктами – вода и двуокись углерода.

Технология горения постоянно совершенствуется. Новые перспективы от-

крылись недавно в связи с использованием процессов горения в химической

технологии неорганического синтеза. Был открыт новый тип процессов гетерогенного горения протекающего без участия кислорода; горючим материалом в этом процессе являютсятугоплавкие металлы (Ti, Zr, Hf, Nb, Ta и т.д.), а окислителем неметаллы –(B, Si, C, молекулярный азот, водород). На основе горения таких систем создана принципиально новая технологиясамораспространяющегося высокотемпературного синтеза тугоплавких соединений и материалов.

Значительными достоинствами этой технологии являются низкая энер-

гоемкость, высокая производительность, возможность создания веществ и

материалов с заданными физико-химическими свойствами, дисперсностью и

пористостью, высокая чистота продуктов, простота технологического дизай-

на и экологическая чистота процесса.

Новую технологию быстро осваиваетнеорганическая химия; на ее основе уже получено свыше 200 различных соединений – карбидов, нитридов, боридов, силицидов, сульфидов, селенидов,гидридов, интерметаллидов, карбонитридов. Все это жаростойкие, жаропрочные, сверхтвердые, износоустойчивые материалы, использующиеся в различных областях техники – для создания твердых сплавов, абразивного инструмента, износостойких и жаропрочных покрытий, высокотемпературных на-гревателей, легированных сталей, огнеупоров.

Благодаря физико-химическим особенностям процесса, открываются но-

вые технические решения – получения тугоплавких металлов сразув изделияхлюбой формы, минуя стадию получения материала; это позволяет исключить трудную технологическую стадию – формирование материала в нужное изделие.

Интересные превращения испытывают вещества под воздействием высокого давления с одновременной сдвиговой деформацией; при этих условиях происходит ряд необычных синтезов: образование солей при взаимодействии твердых металлов с твердыми органическими кислотами, полимеризациябензола и других мономеров, не способных к полимеризации в обычных условиях, внедрение атомов металлов в графит при взаимодействии графита ствердым металлом, образование твердых растворов из смеси порошков металлов и т.д.

В ударной волне происходят многие необычные химическиепревращения: переход графита в алмаз, синтез нитридов металлов, карбида инитрида бора, полимеризация бензола. Дальнейшее развитие и усовершенствование этих перспективных технологий представляет значительный интерес.

Определенное значение имеет создание фотохимических технологий,среди которых следует отметить фотолитографию. Имеются две крупные

проблемы, в которых фотохимические процессы играют ведущую роль: бес-

серебряная фотография и фиксация солнечной энергии (химическая энерге-

тика).

Поиск бессеребряных светочувствительных материалов и разработка

на их основе новых фотографических технологий стимулированы не столько

дефицитом серебра, сколько новыми потребностями современной техники.

В этом направлении достигнут значительный прогресс – созданы бес-

серебряные светочувствительные материалы различных типов (диазотипные,везикулярные, фотохромные и т.д.), обладающие уникальными свойствами:высокой разрешающей способностью, цветностью, отсутствием стадии проявления, обратимостью записи информации и возможностью многократногоиспользования фотоматериала. Остается, однако, проблема повышения све-

точувствительности этих материалов (до уровня 107 см²/ Дж). С этой целью

разрабатывается ряд идей, основанных на повышении квантового выхода об-

разованияфотопродуктов, обеспечивающих проявление изображения. Ис-

пользуются цепные радикальные реакции, фотостимулированные фазовые

переходы, каталитические реакции.