Можно ли ожидать в ближайшем будущем появление принципиально новых керамических материалов? На этот вопрос следует ответить утвердительно. Примером служит полученная недавно в Японии сверхпластичная керамика на основе тетрагональной модификации диоксида циркония, легированного 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 более чем на 3 %, что в 40 раз меньше, чем созданный сверхпластичный материал на основе твердого раствора диоксида циркония и оксида иттрия. Это создает исключительные перспективы применения последнего, делая доступной обработку его такими традиционными в металлообработке приемами, как экструзия, волочение, ковка.
Грандиозные перспективы открыты перед сверхпроводящей керамикой и совсем недавно созданной керамикой с гигантским магнитным сопротивлением, перед новым поколением конструкционной керамики, получившей название синэнергетической.
7. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
До сих пор речь шла о том, что может и что должна создавать химия; теперь обсудим вопрос о том, как и какими способами это осуществляется; другими словами, речь пойдет о новых принципах и новых методах химической технологии. Усовершенствование существующих и разработка новых технологий 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 принадлежит катализу. Достаточно сказать, что даже сейчас 85 % всех промышленных процессов, 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.
Здесь уже достигнуты значительные успехи, многие высокоэффективные процессы освоены промышленностью, однако гораздо больше имеется еще неосвоенных возможностей. В первую очередь, они связаны с металлокомплексным катализом, позволяющим разрабатывать прямые методы превращения сырья в целевые продукты и исключать многие промежуточные стадии 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 селективностью 95 %. Высокая селективность металлокомплексного катализа характерна также для электрохимических процессов (электрохимическое окисление 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 молекулярной организации катализатора, которая обеспечила бы длительную работу каждого активного центра без его разрушения, а также возможность легкого доступа к этому центру реагирующих молекул и удаление продуктов превращения.
Катализ должен сыграть ведущую роль в создании технологий переработки природного газа и нефти в ценные химические продукты; ключевым элементом таких процессов должна стать каталитическая активизация насыщенных углеводородов (в частности, метана). В связи с энергетической конъюнктурой все возрастающую актуальность приобретает создание мало25 энергоемких и производительных технологий переработки твердых топлив (угля, сланцев, торфа, древесины, искусственной нефти, нефтепродуктов).
Не менее остро и актуально стоит проблема комплексной переработки неорганического сырья – руд и минералов: усовершенствование технологии флотации, разработка селективных флотирующих реагентов, экстрагентов с целью полного извлечения цветных и редких металлов, фтора и других элементов. Химические методы извлечения металлов уже давно используются в металлургии, однако, в настоящее время они приобретают особое значение в связи с истощением богатых руд. Новые технологии можно разрабатывать на основе применения органических веществ – комплексонов и экстрагентов, которые селективно реагируют с ионами определенных металлов и извлекают эти металлы из полиметаллической руды в раствор. Здесь можно ожидать развития особой области – сольватометаллургии, которая в отличие от традиционной металлургии, не включает энергоемкого процесса плавки.
Еще более перспективна «микробиологическая» металлургия; она основана на способности некоторых микроорганизмов «перерабатывать» руды и селективно извлекать определенный металл. Такие хемометотрофные (т.е.
буквально, «поедающие скалы») микроорганизмы живут в воде и при своей жизнедеятельности получают энергию за счет ферментативного окисления неорганических 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 этим способом наладить добычу урана.
Крупным успехом современной химии стало открытие восстановления (фиксации) молекулярного азота на гомогенных катализаторах. Возможная задача 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 этой задачи лидирующее место должно, по-видимому, принадлежать катализу.
Каталитическая утилизация СО2 и синтез на основе такого сырья, которое 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 электрохимические пути фиксации СО2.
Значительное место в химии занимают процессы горения, причем используются они преимущественно в химической энергетике – для получения тепловой 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 – сво26 бодный или связанный, а основными продуктами – вода и двуокись углерода.
Технология горения постоянно совершенствуется. Новые перспективы открылись 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 являются тугоплавкие 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 технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза тугоплавких соединений и материалов.
Значительными достоинствами этой технологии являются низкая энергоемкость, высокая производительность, возможность создания веществ и материалов с заданными физико-химическими свойствами, дисперсностью и пористостью, высокая чистота продуктов, простота технологического дизайна и экологическая чистота процесса. Новую технологию быстро осваивает неорганическая 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 нагревателей, легированных сталей, огнеупоров.
Благодаря физико-химическим особенностям процесса, открываются новые технические решения – получения тугоплавких металлов сразу изделия любой 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, полимеризация бензола и других мономеров, не способных к полимеризации в обычных условиях, внедрение атомов металлов в графит при взаимодействии графита с твердым металлом, образование твердых растворов из смеси порошков металлов и т.д. В ударной волне происходят многие необычные химические превращения: переход графита в алмаз, синтез нитридов металлов, карбида и нитрида бора, полимеризация бензола. Дальнейшее развитие и усовершенствование этих перспективных технологий представляет значительный интерес.