Название: Концепции современного естествознания

Жанр: Культурология

Рейтинг:

Просмотров: 2461


6.6. природные запасы сырья

 

Запасы и потребление сырья

 

Основная масса сырья для химической промышленности добывалась и добывается из недр земной коры. Доступная современным средствам массовой добычи толщина верхнего слоя земной коры составляет от 1 до 2 км. И в таком сравнительно тонком слое содержится не менее 20 000 блн т железа, 40 блн т меди, 48 блн т цинка, 7,2 блн т свинца и т. п. Почти 98,6 \% поверхностного, физически доступного слоя земной коры составляет вещество, состоящее из всего лишь восьми химических элементов: кислород (47,0\%), кремний (27,5\%), алюминий (8,8\%), железо (4,6\%), кальций (3,6\%), натрий (2,6\%), калий (2,5\%) и магний (2,1\%). Среднее содержание химических элементов в земной коре хотя и абсолютно велико, но слишком мало для рентабельной повсеместной добычи ввиду их рассеянности. Рентабельны лишь месторождения, где сосредоточены существенные запасы тех или иных полезных ископаемых. Такие месторождения встречаются редко, и они неравномерно распределены по земному шару. Ни одна страна на планете не располагает всеми нужными видами сырья в достаточном количестве.В то же время на территории России находятся многие наиболее важные виды ценного природного сырья.

Многие промышленно развитые страны вынуждены ввозить сырье. Например, в США около 1/3 потребностей в марганце, хроме, кобальте, олове и 90\% потребности в алюминиевом сырье удовлетворяются за счет импорта. Все большее количество свинца, цинка и вольфрама, железной руды и меди в этой стране также становится предметом импорта.

Запасы сырья, добываемых с помощью современных технических средств во всем мире, быстро исчерпываются. Ресурсы Земли хотя и очень велики, но ограничены, поэтому человеческое общество не сможет долго развиваться на основе традиционных методов добычи сырья. Химические элементы в природе, как они интенсивно бы не эксплуатировались, не уничтожаются, а переходят в другие соединения, мало пригодные для экономического оборота.

Решающую роль в сбережении природных ресурсов должны сыграть не только новые способы добычи, но и новейшие химические технологии, которые позволят применять более доступное и дешевое сырье с необычным элементным составом. Можно привести не один пример, когда новые химические технологии спасали от кризиса промышленное производство. Так было с производством стекла. Содовая технология, предложенная в 1789 г., направила в новое русло производство стекла во Франции, для которого применялось ранее калиевое сырье, вырабатываемое из древесины, что привело к почти полному истреблению лесных массивов во Франции.

Более 80\% мировых сырьевых ресурсов и топлива потребляются в наше время только 1/3 частью населения Земли. Потребность в сырье очень быстро растет не только в развивающихся, но и в промышленно развитых странах. Такую возрастающую потребность могут удовлетворить:

· разработка новых месторождений, в том числе и морских шельфов, и добыча сырья, содержащегося в морской воде;

· освоение бедных месторождений;

· утилизация отходов;

· замена дефицитного сырья.

Весьма перспективен для добычи морской шельф, находящийся на глубине до 200 м. Подводные континенты, общая площадь которых чрезвычайно велика, в ближайшем будущем станут источником многих видов сырья.

 

Металлы

 

В недрах Земли содержится достаточно большое количество металлов, но их доля в тех соединениях, из которых они могут быть извлечены для промышленных целей, весьма ограничена. При современных масштабах добычи, по предварительным оценкам, основные запасы таких металлов, как свинец, медь, золото, цинк, олово, серебро и уран, уже в ближайшие десятилетия могут быть исчерпаны. В то же время железо, марганец, хром, никель, молибден, кобальт и алюминий будут добываться в достаточном количестве даже в середине XXI в.

Самое необходимое, важное и широко потребляемое из всего металлического сырья – железо – четвертый по распространенности в земной коре элемент. Его общие запасы составляют около 12 блн т. Надежно разведанные и используемые мировые запасы составляют только примерно 100 млрд. т. Наибольшими запасами железных руд располагают Россия ( примерно 40\% всех руд), Австралия, Канада, США и Бразилия. В одной только Курской магнитной аномалии сосредоточено около 30 млрд. т железных руд, т. е. почти 1/3 мировых запасов.

Медь – второй по практической значимости металл. Ежегодная потребность меди – 50 млн. т. Если учесть, что запасы меди в известных месторождениях составляют 210–250 млн. т, а всего может быть добыто 1–2 млрд. т, то можно предположить, что в ближайшем будущем запасы меди будут исчерпаны. Около 37\% месторождений меди находится в Чили.

Медь как электропроводящий материал может быть заменена легким металлом – алюминием, занимающем третье место по распространенности в земной коре. Хотя в целом запасы алюминия велики – около 8,8\% массы земной коры, однако только 0,008\% этой массы содержится в бокситах, мировые запасы которых оцениваются в 6 млрд. т. Примерно 1/3 таких запасов сосредоточена в Австралии. При ежегодном производстве алюминия 15–30 млн. т и темпах его роста до 9\% запасов бокситов хватит надолго. Тем не менее в настоящее время разрабатываются методы промышленного извлечения алюминия из повсеместно распространенных и практически неисчерпаемых пород: глины, алюмосиликатов вулканических пород, содержащих до 10\% алюминия.

Запасы другого важнейшего легкого металла – магния – достаточно велики – около 2,1\% массы земной коры. С учетом сегодняшних потребностей запасов магния хватит на долгое время.

В обыденной жизни относительно редко встречаются такие металлы, как титан, неодим, литий, рубидий, европий, тантал и другие, но в природе они не так уж редки. Например, природные запасы рубидия примерно в 45 раз больше, чем свинца. Слово «редкий» часто означает, что тот или иной металл добывается в относительно небольших количествах, так как известны очень небольшие пригодные для рентабельной разработки его месторождения. Названные металлы – перспективные материалы для новой техники.

Титан – коррозионностойкий материал. Иногда его считают достойным соперником алюминия и стали. Применение титана в химической промышленности за последние десятилетия резко возросло. Тантал – необходимый компонент особо прочных кислото- и термостойких сплавов. Платина, палладий и родий широко применяются в качестве катализаторов. Существенная часть родия и палладия извлекается из радиоактивных отходов. Таким же способом можно получить теллур-99 – весьма ценный материал для производства сверхпроводников и предотвращения коррозии металлов и сплавов. Например, при весьма незначительной концентрации (до 0,1 мг/л) теллура железные изделия не ржавеют ни в водных, ни в солевых растворах даже при повышенной температуре.

Предполагается, что для добычи сырья некоторых металлов уже в ближайшем будущем существенно возрастет объем работ под водой – на морском шельфе. На глубине меньше 130 м находятся обогащенные морские отложения, содержащие благородные и тяжелые металлы: олово, золото, платину, железо, вольфрам, хром и др. Например, железные и марганцевые тихоокеанские конкреции содержат в среднем около 25\% марганца и железа, а никель, медь, кобальт и титан в концентрациях составляют 1,5–3,5\%. Общие запасы данных конкреций – более 1500 млрд. т, при ежегодном пополнении в 10 млн. т.

В морских водах Земли растворены около 4,5 млрд. т урана, примерно по 3 млрд. т марганца, ванадия и никеля, 6 млрд. т золота (около 1 т на каждого жителя планеты!). Однако концентрация их сравнительно мала. Тем не менее, если в будущем промышленное опреснение морской воды будет производиться в больших масштабах, то отходы солей, обогащенные в 3–4 раза, могут стать сырьем, вполне пригодным для извлечения содержащихся в нем металлов.

 

Неметаллическое сырье

 

Если металлы представляют практический интерес преимущественно в элементном состоянии, то неметаллы – сера, фосфор, азот, кислород, хлор и др. – ценны в образуемых ими соединениях. Несмотря на возрастающий спрос на различные химические продукты, огромные запасы неметаллического сырья вполне достаточны для обеспечения химической промышленности в течение относительно длительного периода времени.

Кроме элементной серы и серной руды – пирита (FeS2), широко применяемого для производства серы, многие содержащие серу минералы встречаются в больших количествах и во многих местах земной поверхности. К рентабельной можно отнести добычу и переработку гипса (CaSO4 · 2Н2О), ангидрита (CaSO4) и кизерита (MgSO4·H20). В перспективе баланс серы будет сохранен в результате переработки отходящих газов сернистых производств, количество серы в которых существенно превышает потребности промышленности.

Доступные для разработки современными средствами фосфорные месторождения содержат около 60 млрд. т фосфорного сырья Р2О5 . Около 2/3 промышленной фосфорной продукции приходится на страны бывшего СССР и США.

Один из важнейших видов неметаллического сырья – азот. Он входит в состав белков, широко применяется для производства удобрений и других промышленных продуктов. Хотя в земной коре доля азота сравнительно мала (около 0,03\%) и его расходы относительно велики, проблема истощения вряд ли возникнет, поскольку окружающая нас атмосфера содержит около 78\% азота.

Не менее важным химическим сырьем является кислород. Многие химические реакции – процессы окисления – протекают при прямом или косвенном участии этого элемента. Кислород – это самый распространенный элемент. Его доля в земной коре составляет приблизительно 47\%. Однако значительная часть кислорода связана в виде различного рода оксидов, в том числе и продуктов сгорания. Атмосферный кислород составляет лишь около 0,013\% общего количества. Этого достаточно для полного превращения в оксид углерода органической массы углерода, которая примерно в 1650 раз превосходит ныне существующую. Запасы кислорода постоянно обновляются благодаря процессам жизнедеятельности растений. Например, 1 га леса поставляет около 60 т кислорода в год. Кислород пополняется и при ультрафиолетовом расщеплении паров воды в атмосфере.

С увеличением объема производства соляной кислоты и винилхлорида потребность в следующем неметаллическом сырье – хлоре – постоянно возрастает. Запасы хлорного сырья вполне достаточны. Огромное количество хлора имеется в соляных залежах и в морской воде, 1 т которой содержит 30 кг соли NaCl.

Все большее практическое значение для развития общества приобретают искусственные строительные материалы: гипс, цемент, бетон и др. Необходимое для таких материалов сырье (песок, гравий, щебень, глина, галька, известняк, доломит) имеется в сравнительно больших количествах повсеместно. Проблема заключается не в количестве сырья, а в его территориальном расположении.

Для производства большинства химических продуктов требуется вода. Она служит растворителем, теплоносителем и исходным сырьем для получения кислорода и водорода. Химическая промышленность при 25\%-ом общем потреблении воды промышленными предприятиями занимает второе место после энергетики.

Каковы же водные ресурсы нашей планеты? Океаны, моря, реки, озера и лед покрывают около 75\% поверхности Земли. Если все количество воды, по некоторым оценкам составляющее 1386 млн. м3, равномерно распределить по поверхности земного шара, то толщина слоя воды окажется равной примерно 2700 м. На долю же пресной воды в такой водяной массе приходится всего 2,5\%. Расходуется лишь небольшая часть пресной воды, совершающей непрерывный круговорот в природе. В то же время водные ресурсы неравномерно распределены, и часть их находится в непригодном для непосредственного потребления состоянии из-за большого содержания минеральных солей (что определяется природными условиями) и из-за высокой степени загрязнения. Поэтому водоснабжение населения сопряжено с проблемами транспортировки, очистки и сохранения чистоты природных вод.

 

Углерод

 

Углерод по распространенности в природе занимает тринадцатое место. На его долю приходится 0,087\% массы земной коры, или 20 000 блн т, из которых около 99,5\% содержится в карбонатных породах (карбонатах кальция и магния); 0,47\% составляет диоксид углерода в атмосфере и в воде, 0,02\% приходится на уголь, нефть и газ и 0,01\% – на биосферу.

Рациональное использование запасов углерода возможно при выполнении следующих условий:

– химические технологии должны обеспечить синтез разнообразных необходимых соединений из любого имеющегося углеродного сырья;

– для химической промышленности следует применять огромные запасы повсеместно встречающихся карбонатов;

– для энергетики не целесообразно расходовать углерод, связанный в органические ископаемые соединения.

В действительности и энергетика, и химическая промышленность интенсивно потребляют горючие ископаемые – в основном уголь, нефть и газ. Причем получение углеводородов из нефти и газа экономически гораздо более выгодно, чем из угля. Производительность труда в нефтехимии примерно в 12–16 раз выше, чем в химии карбонатов.

Быстрыми темпами растет потребление природного газа. Он используется для производства электроэнергии, и бытовых нужд, а также как сырье для промышленного производства ацетилена, формальдегида, метанола, синильной кислоты, водорода и т. п. Общие ресурсы природного газа оцениваются в 120 000 млрд. м3, из них на территории России обнаружено около 80 000 млрд. м3. При потреблении 1500 млрдм3 в год природного газа, как полагают некоторые ученые, хватит приблизительно на 80 лет. По другим оценкам, истощение природного газа ощутиться гораздо раньше.

На смену нефти и природному газу придет уголь, и лидирующее место займет химия угля. В последние десятилетия разрабатываются эффективные методы переработки угля. В частности, предложен способ эффективного производства моторного топлива из угля, объединяющий энергетические и химические установки. Запасы угля огромны, но ограничены.

Чего же следует ожидать после истощения богатых ресурсов природного газа, нефти и угля? Вероятно большее внимание будет уделяться химии карбонатов. Химические превращения карбонатов станут энергетически приемлемыми. Уже наметились пути уменьшения затрат энергии при их переработке. На стадии разработки находится каталитический метод превращения углекислого газа СО воздуха в простые органические соединения без высоких температур и давления. Не следует забывать о 2 блн т углерода, накопленного в биосфере. Растительный мир Земли можно рассматривать как непрерывно работающие химические фабрики, потребляющие энергию Солнца. При разумном хозяйствовании их продукции может хватить на продолжительный период времени. В этой связи фотосинтез как важнейший природный процесс должен стать объектом пристального внимания все большей массы населения планеты.

 

Вторичное сырье

 

Полезные сырьевые запасы Земли при современных темпах их потребления быстро истощаются. Одновременно накапливается огромное количество отходов промышленных предприятий, городов и многочисленных населенных пунктов. Одна из главных задач современных промышленных и хозяйственных предприятий – включить отходы в промышленный цикл, что, естественно, будет способствовать сохранению природных ресурсов.

Среди многообразия вторичного сырья металлы занимают первое место по потреблению. За счет них покрывается существенная доля потребностей промышленности. Для разных целей используется чуть больше половины растительной массы – древесины. Ветки, пни, листья деревьев остаются в лесу, а опилки, стружка чаще всего составляют отходы деревообрабатывающей промышленности. В производстве целлюлозы лишь 1/4 общей биомассы деревьев переходит в конечный продукт, при этом теряется большое количество весьма ценных ароматических соединений. В данной связи одна из важнейших задач потребителей древесины – более эффективная переработка биомасс. Древесина служит сырьем не только для бумажной промышленности, но и для производства строительных и столярных пиломатериалов, белковой массы, активированного угля, множества медикаментов и т. п. Но все-таки относительно большая масса древесины идет на производство бумаги и картона. Отработана технология переработки использованной бумаги и картона, и их утилизация особенно важна: 50 тыс. т макулатуры экономят 120 тыс. м3 древесины и тем самым сберегают 500 га леса. К сожалению, таким ценным вторичным сырьевым материалом часто пренебрегают.

Весомый сырьевой потенциал представляют зола и шлаки, остающиеся после сжигания угля. Лишь незначительное количество таких отходов находят применение, в то время как на их ликвидацию расходуются большие средства. Определенную часть золы, например, можно было бы использовать в качестве наполнителя цемента. Так, 1,3 т золы бурого угля, извлеченной из дымовых газов, заменяет 1 т цемента. Кроме того, такая зола содержит 5–30\% окиси железа, около 30\% извести и заметное количество коксованного остаточного угля. Железная руда, известь и кокс – это главные сырьевые компоненты для металлургии. Следовательно, большое практическое значение имеет извлечение железа и силикатных строительных материалов из зольного и шлакового вторичного сырья.

Из нефтяных отходов в хозяйственный цикл возвращается 25–35\%, хотя уровень повторного их применения может быть гораздо выше.

В настоящее время выпускаются большие объемы пластмассовой продукции. Однако не все виды пластмасс поддаются утилизации. Если полистирол, поливинилхлорид и другие пластмассы успешно возвращаются в промышленность (из них изготавливают различного рода покрытия) то полиуретан и различные искусственные волокна гораздо труднее поддаются переработке.

Сбор и переработка вторичного сырья, конечно, требуют вполне определенных капиталовложений, но следует помнить, что применение некоторых видов вторичного сырья обходится все же дешевле, чем переработка первичного сырья, т. е. сырья, накопленного в течение длительного времени в недрах Земли. Утилизация вторичного сырья, т. е. обеспечение новой жизни старым вещам, предметам и изделиям, – вовсе не признак бедности, а свидетельство, прежде всего, разумного ведения хозяйства в государственном масштабе.

 


Оцените книгу: 1 2 3 4 5