Изменение запаса потенциальной энергии измельченного вещества обу­словлено накоплением энергии вследствие увеличения свободной поверхности и аккумуляцией энергии в кристаллической решетке с одновременным рас­ходованием подводимой энергии на тепловые, световые и звуковые излучения и экзоэлектронную эмиссию. Для целей практической применимости меха - ноактивирующих методов достаточно ограничиться рассмотрением изменчи­вости физического состояния и химического состава измельчаемых веществ, опустив (несмотря на их важность для научного понимания сути проблемы) неизбежные потери энергии на попутные явления, сопровождающие процессы измельчения и активации.

Проведенные до настоящего времени исследования позволяют составить достаточно полный перечень физико-химических изменений минерального вещества при диспергировании и привести соответствующие примеры, иллю­стрирующие изменение состояния и свойств вещества вследствие приложения механических сил.

К наиболее характерным изменениям строения и состава минералов при их измельчении можно отнести следующие:

Переход вещества в новую модификацию

Например, переход кальцита в арагонит при измельчении. Данный эффект был впервые зафиксирован при длительном растирании кальцита в ступке. Затем он был многократно подтвержден в ходе промышленного измельчения кальцита в вибромельницах.

Еще один пример, который наблюдается даже визуально: сульфид кадмия, изначально желтого цвета, после активации переходит в одну из своих модифи­каций. При этом его цвет меняется на красный.

Аморфизация вещества

Кристаллические вещества простого состава (кварц, графит и др.) в про­цессе сильного измельчения аморфизуются.

Дегидратация и гидратация

Ярким примером дегидратации при активации минеральных веществ слу­жит потеря воды при сухом измельчении гипса. Двуводный гипс при измельче­нии в планетарной мельнице теряет кристаллизационную воду и образует эма - леподобную массу, обволакивающую мелющие тела, в результате чего полнос­тью прекращается измельчение. Это явление служит серьезным препятствием для получения тонкодисперсных фракций гипса.

Напротив, при измельчении некоторых минеральных веществ в воде на­блюдается их гидратация. Наиболее яркий пример - предварительная глубокая гидратация цемента осуществляется его измельчением в водной среде.

Диссоциация карбонатов

Известь получают в ходе термической диссоциации - в специальных пе­чах под воздействием нагрева от известняка (мела, доломита, мрамора и т. д.) «отщепляется» углекислый газ. Аналогичные процессы происходят и при нор­мальной температуре - в ходе тонкого измельчения этих минералов.

Разложение сложных карбонатов (двойных солей) на простые

При тонком измельчении доломит (двойная соль), например, распадается на более простые составляющие - кальцит и магнезит.

Синтез или диссоциация карбонатов

В зависимости от параметров среды в процессе тонкого измельчения возмож­ны реакции или синтеза, или диссоциации карбонатов. Так, измельчение окис­лов щелочно-земельных металлов в среде углекислого газа обуславливает синтез карбонатов. При измельчении в вакууме идет обратный процесс - «отщепление» углекислоты и диссоциация карбонатов.

Твердофазные реакции

Имеется множество примеров твердофазных реакций, инициированных посредством измельчения. Среди них такие, как образование силиката натрия при совместном измельчении безводной соды с силикагелем, получение метал­лической ртути при сухом измельчении киновари медными шарами, разложе­ние нитратов щелочных металлов и т. д.

Ионное замещение

О возможности ионного замещения в минералах, подвергшихся механохи - мической активации, упоминается еще в трудах исследователей 60-х годов. Из­вестно, что измельчение слюды в стальных барабанах в водной среде сопровож­дается замещением ионов магния и алюминия ионами железа. Причем слюда сохраняет абсолютно все свои характеристики, но превращается в свою «высо­кожелезистую» разновидность. Данный эффект впоследствии нашел широкое применение в модификации реактивного топлива для стратегических ракет.

Изменение структуры и координационного числа атомов в кристаллах При измельчении

Экспериментально прослежено превращение диоктаэдрических слюд (му­сковит) в триоктаэдрические слюды (биотит и вермикулит) при их измельче­нии в планетарных мельницах.

Деструкция минерального вещества при диспергировании

Многочисленными исследованиями установлено, что первая стадия ион­ного замещения без разрушения структуры в дальнейшем, при продолжении активации, сменяется стадией глубокой перестройки измельчаемого материала. Так, например, измельчаемый нефелин переходит в альбит и далее в минералы группы каолинита. В самом общем виде процесс деструкции алюмосиликатов при их измельчении в водной среде представляется последовательным уходом сначала щелочных и щелочноземельных металлов, затем элементов полуторных окислов и титана и, наконец, кремнезема. Конечной стадией механохимической деструкции минералов и горных пород являются аморфные гидратированные простые окислы SiO2, Al2O3, FeO3 и т. п.

Одна из разновидностей механохимической деструкции минеральных ве­ществ при диспергировании - экстракция и селективное выщелачивание отдель­ных компонентов. Так, первым применением планетарной мельницы в практике лабораторных работ стало использование ее в качестве экстрактора-измельчите­ля. Экстракция с измельчением отличается большой эффективностью; к приме­ру, время экстрагирования битуминозных компонентов горных пород сокраща­ется с 4-6 месяцев до 4-6 минут.

Развитие метода избирательного растворения отдельных компонентов при измельчении горных пород пошло по пути селективного выщелачивания нуж­ных элементов непосредственно из горных пород, минуя стадию обогащения, плавления и т. д. Таким способом стало возможным добывать калий и алюми­ний непосредственно из алюмокалиевого силикатного сырья, не растворяя при этом пустую породу.

Механохимические реакции между органическими и неорганическими Веществами

Чрезвычайно интересны и перспективны реакции органических веществ на свежеобразованной поверхности металлов - они открывают совершенно но­вые технологические возможности при изготовлении множества органических веществ.

Так, измельчение алюминия в среде четыреххлористого углерода позволя­ет получить шестихлористый этан (перхлорэтан - растворитель для лакокра­сочной промышленности).

Если различные металлы тонко измельчать в растворе жирных кислот, то образуются соответствующие мыла, и даже благородные металлы образуют соли жирных кислот, что в обычной химической технологии практически не­возможно. Отсюда один шаг до кардинальной смены всего технологического регламента изготовления мыла - путем простой механоактивации жирных кис­лот с соответствующими металлами.