Вісник НАН України. 2018. № 2. С.81-93
https://doi.org/10.15407/visn2018.02.083

ПРОКОПЕНКО Віталій Анатолійович —
доктор технічних наук, директор Інституту біоколоїдної хімії ім. Ф.Д. Овчаренка НАН України

КОВЗУН Ігор Григорович
доктор хімічних наук, професор, провідний науковий співробітник Інституту біоколоїдної хімії ім. Ф.Д. Овчаренка НАН України

УЛЬБЕРГ Зоя Рудольфівна
доктор хімічних наук, професор, завідувач відділу Інституту біоколоїдної хімії ім. Ф.Д. Овчаренка НАН України

ЦИГАНОВИЧ Олена Анатоліївна
кандидат хімічних наук, заступник директора Інституту біоколоїдної хімії ім. Ф.Д. Овчаренка НАН України

ПАНЬКО Андрій Валентинович —
кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник Інституту біоколоїдної хімії ім. Ф.Д. Овчаренка НАН України

ФІЗИКО-ХІМІЧНА ГЕОМЕХАНІКА І НАНОХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ В ПРИРОДНИХ І ТЕХНОГЕННИХ МІНЕРАЛАХ

Розглянуто головні етапи розвитку суміжного розділу колоїдної хімії — фізико-хімічної геомеханіки нано- і мікроструктурованих дисперсних систем; її роль у вивченні геохімічних процесів, які супроводжують диспергування і подальше вторинне ущільнення гірських порід та рудних матеріалів. Сформульовано та експериментально підтверджено основоположне значення механохімічних, мікробіологічних і нанохімічних аспектів міжфазних контактних взаємодій в умовах процесів диспергування гірських порід та їх вторинного ущільнення. Показано, що отримані фундаментальні і прикладні результати відіграють важливу роль у створенні основ біоколоїдної хімії, біогеохімії, колоїдних біогеотехнологій захисту навколишнього середовища, розділення і збагачення полімінеральних залізоалюмооксидносилікатних рудних матеріалів, модифікування властивостей пелітових осадів (пелоїдів) для реабілітаційної медицини і курортології.
Ключові слова: фізико-хімічна механіка, гірські породи, руди, пелоїди, механохімічні, нанохімічні, мікробіологічні процеси.

Минуло вже 35 років з того часу, як геологічний і геохімічний напрями розвитку колоїдної науки в галузі механічних, мікробіологічних і нанохімічних міжфазних контактних взаємодій було визначено як фізико-хімічну геомеханіку гірських порід і дисперсних матеріалів. У цій статті стисло описано найголовніші особливості фізико-хімічної геомеханіки, розкрито теоретичне і практичне значення фундаментальних і прикладних результатів, отриманих в Інституті біоколоїдної хімії ім. Ф.Д. Овчаренка НАН України, для розвитку основ біоколоїдної хімії, біогеохімії, колоїдних біогеотехнологій захисту навколишнього середовища, великомасштабних технологій збагачення і розділення полімінеральних осадових алюмо- та залізооксидносилікатних рудних матеріалів, модифікування властивостей пелоїдів (лікувальних грязей) в реабілітаційній медицині і курортології.

На початку 1980-х років фахівці вперше звернули увагу на неординарні досягнення фізико-хімічної механіки як розділу колоїдної хімії та їх роль у вивченні геологічних і геохімічних процесів [1–7]. Відповідно геологічний і геохімічний напрями розвитку досліджень у галузі механічних, мікробіологічних і нанохімічних міжфазних контактних взаємодій у природних і техногенних умовах було визначено як фізико-хімічну геомеханіку гірських порід і дисперсних матеріалів [2, 8, 9]. Ця суміжна галузь ґрунтується на основних положеннях наукового відкриття № 28, опублікованого в 1964 р. і відомого як ефект Ребіндера [6, 7]. Аналіз основних етапів її становлення свідчить, що вона набула розвитку в Інституті біоколоїдної хімії ім. Ф.Д. Овчаренка НАН України, насамперед у відділі фізико-хімічної геомеханіки природних дисперсних систем [8–25].

Уперше фізико-хімічна геомеханіка як науковий напрям була сформульована в 1981 р. [9] з подальшим її уточненням у роботах [10–28]. Цей самостійний розділ науки аналізує геологічні та геохімічні процеси, встановлюючи передусім вплив механічних, фізико-хімічних, колоїдно-хімічних та нанохімічних факторів на межі поділу фаз на властивості твердих тіл, у тому числі поширених алюмо- і залізооксидносилікатних та інших гірських порід і дисперсних матеріалів. Фізико-хімічна геомеханіка використовує експериментальні методи фізико-хімічної механіки, які дають змогу вивчати закономірності механічних і структурних процесів на рівні нано- і ультрадисперсного стану природних і техногенних матеріалів, але, оскільки закони її попередниці — фізико-хімічної механіки справедливі для твердих тіл будь-якої природи і структури, ці методи можна застосовувати для досліджень перебігу процесів набагато ширшого спектру матеріалів. При цьому постає завдання встановлення адекватності цих процесів спостережним геологічним явищам.

Поряд з цим у фізико-хімічній геомеханіці розробляють і використовують спеціальні геологічні методи, причому особливу роль відіграє моделювання геологічних процесів [1–5, 8, 12, 15–20]. Перші спроби розглянути технологічні і техногенні процеси з позицій фізико-хімічної геомеханіки і екології було зроблено в роботах [11, 13, 14].

Найбільшим досягненням у період становлення фізико-хімічної геомеханіки слід вважати розвиток фундаментальних досліджень щодо впливу води на механохімічні властивості, дисперсну структуру і диспергування гірських порід [10, 11, 17, 19, 20]. Хоча уявлення про виняткову роль води в природних процесах сформувалися ще в давнину, на її геологічну роль звернули увагу лише в ХХ ст., розглядаючи її з двох точок зору — хімічної (геохімія) і механічної (механіка гірських порід) [21]. Умовність такого розмежування очевидна. Механічні властивості гірських порід аж до кінця ХХ ст. розглядали без урахування фізико-хімічного впливу середовища, адже інтеграція в науку про Землю досягнень інших природничих наук відбувалася поступово, в міру розвитку їх фундаментальних основ. Отже, впровадження фізико-хімічної геомеханіки твердих тіл і дисперсних систем у геологію, біогеохімію, біогеотехнологію почалося не так вже й давно [7–12, 16, 17, 19–21, 23–26].

Вода є поширеним компонентом гірських порід, які, як правило, перебувають у полідисперсному нано- і мікрозернистому стані і зазнають спільного впливу механічних напружень і рідких середовищ, тому роль води в таких процесах є надзвичайно важливою. При цьому ані висока розчинність породоутворювальних мінералів, ані значні об’єми рідкого середовища не є обов’язковими для прояву механічних ефектів, зумовлених нанохімічними процесами при взаємодії води з поверхнею порід [21]. Обов’язкова умова полягає в наявності розвиненої поверхні контактів між нано- і мікрозернами полімінеральної структури та пов’язаною з нею великою контактною поверхнею порід, утвореною внутрішніми мікро- і нанорозмірними межами поділу фаз різного мінералогічного складу [9–11, 17, 19, 20].

Ці принципи значно розширюють спектр геологічних і геохімічних явищ, в яких вода може бути активним компонентом диспергаційних процесів. Наприклад, до них належить багато процесів деформації і руйнування поширених у земній корі алюмосилікатних і залізооксидносилікатних порід, які містять незначну кількість води в міжкристалічних прошарках. При цьому ефективна концентрація води, тобто її термодинамічна активність, істотно залежить як від кількості, так і від хімічної природи розчинених у ній компонентів. Так, нещодавно з використанням уявлень нанонауки експериментально було показано [27, 28], що невелика кількість (0,05–0,1%) розчинених у воді лужних силікатних нанокластерів може на кілька порядків збільшити диспергувальну активність води щодо гірських матеріалів різної природи, зокрема алюмо- і залізооксидносилікатних, унаслідок впливу як механічних зовнішніх напружень, так і самодиспергування (внутрішні напруження).

Повний текст