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