Металлы. В недрах Земли содержится достаточно большое количество металлов, но их доля в тех соединениях, из которых они могут быть извлечены для промышленных целей

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 элемелент. Его общие запасы составляют около 12 блн т. Надежно разведанные и используемые мировые запасы составляют примерно 100 млрд т. Наибольшими запасами железных руд располагают Россия (примерно 40% всех), 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 в нем – 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, занимающим 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 др., 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.

Решение сырьевой проблемы для многих важных металлов можно связать с освоением более бедных месторождений. При этом можно достичь неплохой производительности, о чем свидетельствует переработка оловянной руды: добываемую руду, содержащую около 0,3% олова, путем обогащения превращают в концентрат с 40%-ным его содержанием, из которого и получают металл. В большинстве случаев разработка бедных месторождений сопряжена с большими затратами электроэнергии. Она может быть рентабельной при внедрении новых технологий.

Предполагается, что для добычи сырья некоторых металлов уже в ближайшем будущем существенно возрастет объем работ под водой. 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.

https://studopedia.ru/2_30140_metalli.html

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 сырьявполне достаточны для обеспечения химической промышленности в течение относительно длительного периода. 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 (СаSО4 - 2Н2О), ангидрита (СаSО4) и кизерита (МgSО4 - Н2О). 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 P2O5. 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 – 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, или 1180 блн т. Этого достаточно для полного вращения в оксид углерода органической массы углерода, которая примерно в 1650 раз превосходит ныне существующую. Запасы кислорода полно 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.

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. Например, в недавнем прошлом в бывшей ГДР около 15000 вагонов со строительным гравием отправлялись ежегодно из южных в северные районы, где расположен основной потребитель строительных материалов; при этом транспортные расходы влекли за собой существенное повышение цены материалов. С учетом распределения природных ресурсов и потребления некоторых материалов можно утверждать: чаще всего применяются те материалы, запасы которых ограничены. Распространенность химических элементов в земной коре и сравнительно большое содержание в ней кремния (около 27,5%) подсказывают, что основным строительным материалом будущего станут силикаты.

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 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 высокой степени загрязнения. Поэтому водоснабжение населения сопряжено с проблемами транспортировки, очистки и сохранения чистоты природных вод.

https://studopedia.ru/2_30141_nemetallicheskoe-sire.html

Углерод по распространенности в природе занимает тринадцатое место. На его долю приходится 0,087% массы земной коры, или
20000 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 нецелесообразно 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.

Переработка нефти включает операцию обессоливания и последующее разделение нефти на фракции при различных температурах кипения. Возрастающая потребность в топливе приводит к необходимости переработки нефтевых фракций, для чего применяется термический крекинг. Он представляет собой разложение нефтепродуктов при высокой температуре (выше 400°С), при которой получается низкокипящий углеводород – бензин. Перспективен каталитический метод гидрокрекинга (под действием водорода происходит гидрофикация, и тем самым отпадает необходимость в дополнительной операции очистки). На современных установках ежегодно вырабатывается более 700 тыс т нефтепродуктов. Для повышения детонационной стойкости моторное топливо подвергается каталитической обработке при температуре 500°С и давлении
20–40 атм. Нефтехимический синтез базируетсяна пиролизе парафинов при температуре 800–870 °С.

В результате переработки нефти получается более двух десятков основных соединений. Наиболее важные из них – олефины, диолефины (этилен, пропилен, бутадиен, изопрен), ароматические соединения (бензол, толуол, ксилол) и газовая смесь оксида углерода с водородом. На основе данных соединений синтезируются тысячи промежуточных и конечных продуктов. В настоящее время около 90% всех органических соединений производится из нефти и природного газа.

О темпах развития нефтехимии можно судить по росту производства этилена – сырья для получения пластмасс, лаков и красок. За 20 лет (1960–1979 гг.) объем этилена увеличился более чем в 10 раз (с 3,4 до
50 млн т). Только для производства различных нефтепродуктов без учета топлива в 1975 г. было израсходовано около 100 млн т нефти.

Вплоть до XIX в. нефть использовалась преимущественно как колесная мазь и в лечебных целях. В 1860 г. мировая потребность в ней составляла около 70 тыс т. К концу XIX в. она возросла до 21 млн т и через 75 лет – до 2730 млн т. Разведанные запасы нефти на конец 1974 г. оценивались в 97 млрд т. К началу 90-х годов XX в. они достигли примерно 600 млрд т. По некоторым оценкам, к 2000 г. разведанные запасы приблизились к 800–1000 млрд т. Предполагается, что при нынешних темпах потребления запасов нефти хватит до 2050 г.

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 120000 млрд м3, из них на территории России обнаружено около 80000 млрд м3. При потреблении 1500 млрд м3 в год природного газа, как полагают некоторые ученые, хватит приблизительно на 80 лет. По другим оценкам, истощение природного газа ощутится 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 СО2 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. В этой связи фотосинтез как важнейший природный процесс должен стать объектом пристального внимания все большей массы населения нашей планеты.

https://studopedia.ru/2_30142_uglerod.html

Вторичное сырье

Полезные сырьевые запасы Земли при современных темпах их потребления быстро истощаются, одновременно накапливается огромное количество отхродов промышленных предприятий, городов, 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 нужд 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 м 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 отходов находит 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 – 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.

https://studopedia.ru/2_30143_vtorichnoe-sire.html