МОЖНО ЛИ ПОДЖЕЧЬ ГЛИНУ?
Г.ШПАК, "НВС".
Как рождаются, создаются новые научные направления? Но главное --
насколько они жизнеспособны и необходимы? Возможный ответ на
первый вопрос связан с научными школами. Второй вопрос только
кажется просто уточняющим. Ответ предполагает многовариантность и
в то же время ставит задачу выбора, а за ней -- снова возникает
вопрос -- кто поддерживает этот выбор... И еще множество других
вопросов...
Исследовался ли в Сибирском отделении феномен новых научных
направлений? Это уже иной поворот проблемы, но близкий заданным
вопросам. И, наконец, -- почему тот или иной академический
институт меняет свое название? Сменились приоритеты?
Кажется, только один институт в третий раз меняет свою вывеску и
определяет новые научные привязанности. Итак, сначала существовал
Институт физико-химических основ переработки минерального сырья.
Затем его переименовали в Институт химии твердого тела и
переработки минерального сырья. И снова преобразование: в
Сибирском отделении создан Институт химии твердого тела и
механохимии -- ключевое слово -- "механохимия" -- это первый в
России и единственный в мире такой специализированный институт
академического статуса. Сам факт создания (или пересоздания)
академического подразделения означает признание механохимии как
особой отрасли физической химии, подобно электрохимии или
фотохимии. К этому событию исследователи шли долгим путем --
более тридцати лет. Становление нового научного направления можно
проследить, листая подшивки старых газет. К рассказам о
механохимии и людях, которые занимаются этой интересной наукой,
"НВС" обращалась неоднократно (1972, 1977, 1989 гг.), и приятно
сознавать, что редакция газеты участвовала при рождении
механохимии в Сибири.
Механохимия в Сибирском отделении начиналась с исследований
физико-химических превращений минералов при тонком измельчении,
развернутых в Институте геологии и геофизики. Этот любопытный
факт говорит об органичности -- и в привычном смысле этого слова,
и -- в геологическом смысле -- развития нового направления. Так
или иначе, но именно геологи способствовали созданию Института
физики твердого тела и механохимии, которым сейчас руководит
член-корреспондент Н.Ляхов.
Как и почему новое направление химических наук зародилось в
Институте геологии?
Можно, конечно, полистать старые подшивки газет, но лучше
поговорить с одним из зачинателей исследований -- доктором
геолого-минералогических наук Владимиром Иннокентьевичем
МОЛЧАНОВЫМ, ветераном Сибирского отделения РАН. Вместе с группой
сотрудников Института геологии и геофизики (сейчас --
Объединенного института геологии, геофизики и минералогии)
В.Молчанов много лет занимается физико-химическими превращениями
минеральных веществ под механическим воздействием. По этому кругу
вопросов и значении механоактивации в геологических процессах
написано семь монографий (восьмая -- в издании), выпущено
несколько тематических сборников, опубликовано более ста статей
-- россыпью в различных научных журналах и создано 13
изобретений. Геологи -- непременные участники всех симпозиумов и
конференций по механохимии.
Объект исследования науки механохимии -- физико-химические
процессы, возбуждаемые механическим воздействием -- ударом или
трением. Разве не удивился когда-то человек, догадавшись, что
удар и трение порождают тепло, свет, звук, электричество? Но еще
и химические превращения!
-- Владимир Иннокентьевич, первый вопрос вполне естественный: как
и почему новое направление химических наук зародилось в
геологическом институте?
-- На вполне естественный вопрос имеется вполне естественный
ответ. Во-первых, в нашем институте (ОИГГМ СО РАН) изобретатель
С.Голосов сконструировал скоростной измельчающий аппарат --
центробежную планетарную мельницу. Во-вторых, тонкое измельчение
горных пород относится к числу процессов, господствующих в
природе, а новообразования, обусловленные тонким измельчением
исходных каменных горных пород безраздельно господствуют в земной
коре. Они представлены глинами, глинистыми сланцами, глинистым
цементом осадочных пород, милонитами (от слова mill -- мельница),
вулканическими пеплами, тектоническими глинами и еще другими
тонкодисперсными минеральными системами.
Естественно определилось решение -- использовать новую технику
для экспериментального исследования природных процессов,
связанных с тонким измельчением минеральных веществ. Такая редкая
возможность мне представилась -- начать совершенно новые
исследования буквально с нуля. Никто ранее даже не помышлял о
таких экспериментах.
-- Давайте вспомним о самых начальных этапах становления
механохимии.
-- Сам термин "механохимия" упрочился позднее. Мы свои начальные
опыты называли изучением физико-химических превращений минералов
при тонком и сверхтонком измельчении. Этими исследованиями
заинтересовались в первую очередь сотрудники Института горного
дела, а затем институтов Кинетики и горения, Неорганической химии
и другие. У нас в институте работа пошла под патронатом
В.Кляровского, руководителя отдела общеинститутских лабораторий,
что открыло путь для привлечения к исследованиям всех
аналитических лабораторий. Без участия Д.Архипенко, М.Щербаковой
и других сотрудников отдела мы не смогли бы обеспечить
комплексные исследования тонкодисперсных минеральных систем с
применением методик, специально разработанных в нашем институте.
С подачи В.Кляровского, в работу включился Г.Гусев, занимавшийся
экспериментальными исследованиями -- он был инициатором создания
Межинститутского семинара по механохимии, который затем работал
под руководством профессора В.Болдырева. Как вы знаете, академик
В.Болдырев был долгое время директором Института химии твердого
тела и переработки минерального сырья и еще при нем институт
переименовали, и в названии зазвучала механохимия.
Технологическими аспектами механохимии, связанными с переработкой
минерального сырья, занимается Т.Юсупов, ныне профессор, доктор
технических наук, действительный член Горной академии.
Большую помощь нам оказывал в ту пору академик А.Трофимук.
-- Вы использовали мельницу для изучения природных процессов, а
где в природе действует "своя мельница"?
-- Механическое разрушение и измельчение горных пород происходит
на наших глазах. Помогают текучие воды, волны и ветер. А также
различные земляные работы. Наиболее полное сходство между
мельницей и природой (образ!) наблюдается в волноприбойной зоне
моря. Здесь работает самая настоящая галечниковая мельница. О ее
производительности говорят цифры и факты, полученные, например,
по наблюдениям вдоль Сочинского побережья Черного моря: потеря
пляжного материала составляет от 900 до 1600 кубометров в год с
каждого погонного километра береговой линии. Притом выносимый
материал представлен частицами, размеры которых соответствуют
глинам. Вынос песка и ила реками по своим масштабам значительно
уступает размыву берегов.
-- Что же происходит с минералами при тонком, как вы говорите,
измельчении?
-- Мы наблюдали в опытах массу механохимических эффектов, таких,
как переход вещества в новую модификацию. Например, желтая окись
ртути переходит в красную окись ртути. Наблюдали аморфизацию
кристаллических тел (кварц переходит в аморфный кремнезем),
диссоциацию карбонатов с выделением двуокиси углерода и обратный
синтез карбонатов, ионные замещения без изменения структуры
исходного минерала, изменение структуры и так называемого
координационного числа, наблюдали полную деструкцию сложных
алюмосиликатов до элементарных оксидов (кремнезем, глинозем)...
Все эффекты механохимических превращений просто не перечислить.
Но в самом общем виде нужно сказать, что превращения минералов
при измельчении идут в сторону повышения внутренней энергии
тонкодисперсной минеральной системы. Аккумулированная при этом
энергия выделяется при обратных процессах кристаллизации аморфных
тел, синтезе новых минеральных образований или проявляется в
повышении реакционной способности дисперсного вещества. Расчеты
показывают, что образование кристаллов кварца из аморфного
кремнезема сопровождается выделением тепла, способного нагреть
кристаллизующееся вещество до 250--300 градусов по Цельсию.
Вообще активизированные измельчением вещества реагируют при
комнатной температуре так, как они реагировали бы при нагревании
до 200--300 градусов Цельсия.
-- Какие опыты вы считаете наиболее интересными и важными,
подтверждающие геологическое значение исследований
механохимических процессов?
-- На мой взгляд, наиболее интересны опыты с нефелином. На
результатах этих опытов можно построить ряд важных геологических
выводов и следствий. При измельчении в воде нефелина (сложного
алюмосиликата) наблюдается ступенчатое изменение строения и
состава исходного вещества. Сперва в раствор уходят частью
щелочные элементы, захватывая при этом и кремнезем. Затем следует
новая ступень превращений в слюды с выносом в раствор новых
порций щелочей, кремнезема и глинозема. Далее следует превращение
в минералы глинистого ряда и, наконец, в простые аморфные
глинозем и кремнезем.
Опыты показывают, что образование глин и бокситов необязательно
связано с корами выветривания, а может быть обусловлено
механическим измельчением в водной среде. Это -- первое, что
позволяет иначе объяснить генезис бокситов и образование глин --
самого распространенного компонента осадочных горных пород.
Второй вывод. Деструкция нефелина сопровождается аккумуляцией
энергии, которая выделится позднее при литификации осадка, то
есть превращении рыхлого осадка в каменную горную породу.
Выделение "литификационного тепла" давно привлекает внимание
геологов, но только на основании механохимических опытов можно
определить природу этого явления. Выделение энергии в литогенезе
играет большую роль.
-- Это связано с образованием нефти?
-- Не спешите. Давайте по порядку. Так вот, третий вывод. Если
дисперсные аморфизованные оксиды кремния, алюминия (и железа,
хотя в наших опытах оно отсутствовало, но допустимо по аналогии)
прореагируют со щелочами, то пойдет минералообразование с большим
тепловым эффектом. В определенных случаях дело закончится
становлением гранита, формирование которого не сопровождалось
переплавлением, а в других случаях произойдет плавление и
становление интрузии -- внедрение расплавленной массы. Идеи
трасформистов -- сторонников представлений о превращении
первичных осадочных пород в интрузивные -- с учетом полученных
результатов, находят некоторое подтверждение, которое следует
сочетать, образно говоря, с афористичным высказыванием известного
геолога А.Перельмана: "Глина более высококалорийное топливо, чем
уголь, но поджечь ее труднее".
-- Если глину обжечь, получится черепок, уважаемый Владимир
Иннокентьевич.
-- А если глину поджечь -- получится гранит!
-- Не спорю, потому что не знаю... А как вы подожгли глину?
-- Я поджег капелькой воды!
-- Что же еще?
-- Второй интересный пример решения геологической задачи на
основе данных по механохимии -- из области природного синтеза
углеводородов -- нефти и газа.
Синтез углеводородов -- процесс эндотермический и может протекать
только в условиях питания нефтепроизводящей системы от особого
источника энергии. Именно особого источника энергии, так как эта
энергия должна быть высокого потенциала, а источник питания
должен работать в низкотемпературном режиме. Известно ведь, что
при высоких температурах углеводороды разлагаются, следовательно,
синтез идти не может. Вопрос об энергетических основах природного
нефтеобразования теоретики-нефтяники либо аккуратно обходили
стороной, либо указывали на экзотические источники энергии,
например, радиоактивный распад. А теперь отвечаю на ваш вопрос:
пример с аккумуляцией энергии в процессе измельчения нефелина
позволяет представить синтез углеводородов на основе
механохимической активации минеральных веществ. Генетическую
связь нефти с глинистыми породами интуитивно улавливали многие
исследователи. Образование механических глин (термин
"механические глины" -- из Геологического словаря) сопровождается
аккумуляцией энергии во время измельчения, выделяется при
развитии обратных процессов кристаллизации и уплотнения.
Запасенная энергия не выражена через температуру и разряжается
как холодный источник энергии высокого потенциала.
Второй вариант энергетической основы природного нефтеобразования,
известный как Открытие N 236, также связан с механохимической
активацией минеральных веществ, но отличается по источнику
энергии и поэтому носит название тектоно-сейсмической модели
(авторы открытия А.Трофимук, Н.Черский, В.Царев, Г.Сороко).
Сейсмические волны в квазиупругих средах, таких как
кристаллические монолитные породы, распространяются почти не
растрачивая свою энергию. Энергия начинает тратиться в рыхлых
несцементированных породах, где сейсмические волны совершают
работу перемещения частиц, их трения и разрушения. Работа
измельчения трансформируется в энергию механоактивации, которая
затем становится энергетической основой нефтеобразования.
Считаю, что модели нефтеобразования под действием механоактивации
важным достижением, так как только эти модели объясняют
энергетику превращения низкокалорийных органических остатков в
высококалорийное топливо и дают ответ на вопрос -- почему
термодинамические расчеты равновесного состояния индивидуальных
углеводородов нефти свидетельствуют о ее высокотемпературном
образовании, а геологические данные указывают на невысокие
температуры ее рождения. Таким образом, один из важнейших
вопросов теории нефтегазообразования решается на основе
представлений о механохимической активации минеральных веществ.
-- Владимир Иннокентьевич, насколько мне известно, работы,
связанные с механохимией, как-то оказались в последние годы,
извините, -- на отшибе. Вы теперь как ветеран Сибирского
отделения приписаны, если так можно выразиться, к Институту
геологии нефти. Вы надеетесь на какое-то завершение исследований?
-- Да, так случилось, что в последние годы это были инициативные
исследования. Работа не упоминалась в планах научных исследований
Объединенного института, а потому не финансировалась и не
обсуждалась. Поэтому мне хочется рассказать о ней. Задумка вот
какая. Мне исполнится 75 лет. Я уже готовлюсь к
отчетному докладу. Думаю, коллеги выслушают меня. Сейчас я
закончил обобщение, обработку лабораторных исследований за 35
лет, начиная с 1963 года, и написал свою часть монографии по
итогам механохимических исследований. Рукопись находится в
издательстве. Надеюсь, книга выйдет в свет.
стр.
|
