химический каталог




Источники расширения резервов сырья

Автор неизвестен

Литосфера — это часть Земли, из которой до настоящего времени черпались все сырьевые ресурсы. Большинство известных рудных месторождений было обнаружено благодаря тому, что они имели выход на поверхность Земли. Такие открытия в будущем возможны лишь в мало исследованных районах, например в Восточной Сибири, на Крайнем Севере, и в труднодоступных горных районах. Поскольку наиболее богатые и обширные поверхностные месторождения руд уже открыты, основные усилия будут направлены на поиск так называемых слепых месторождений, не выходящих на поверхность. В этом поиске важнейшую роль должны играть геохимические методы разведки, которые включают химические анализы проб почвы, природных вод, растительности и органов животных (печень рыбы) на искомые или сопутствующие элементы. Например, уран сопутствует фосфору, и это обстоятельство позволило обнаружить на Кубе богатейшие месторождения фосфоритов. Возможности геохимической разведки значительно расширились после разработки новых методов анализа, в частности метода атомной абсорбции.

Что касается гидросферы, то в настоящее время из морской воды извлекают соединения магния, брома и поваренную соль, а в ближайшее время к ним могут быть добавлены соединения серы, калия, йода, фтора, стронция, бора и др. Из так называемых россыпных месторождений, находящихся на глубине порядка 100—150 метров ниже уровня моря, можно добывать олово, золото, платину, железо, вольфрам, хром и другие тяжелые и благородные металлы. Поднимаемый со дна океана подводный грунт в ряде районов мира обогащен черными и цветными металлами. Например, так называемые железные и марганцевые тихоокеанские конкреции содержат примерно 25% марганца и железа, а также никеля, меди, кобальта и титана, каждый от 1,5 до 2,5%. Есть основания считать, что в указанных конкрециях содержание никеля, марганца и кобальта больше, чем во всех известных месторождениях этих металлов на суше. Около 25% общей площади морского дна относится к континентальному шельфу, где уже добывается нефть. Предполагается, что в ближайшем будущем эти подводные месторождения будут давать до одной трети всей нефти, и уже сейчас они являются дополнительным источником топливных ресурсов для ФРГ, Великобритании и скандинавских стран.

В водах морей и океанов нашей планеты растворено 4,5 млрд. т урана и 6 млрд. т золота (по 1,5 т на каждого человека земли). К сожалению, концентрация этих металлов очень мала, и достаточно рентабельная технология их извлечения пока неизвестна. Возможно, что она будет сопутствовать процессам опреснения морской воды, когда такие процессы станут осуществлять в промышленных масштабах.

Для извлечения минерального сырья используют один из следующих методов: открытая добыча, подземная добыча, откачивание растворов или взвесей, подземное выщелачивание и др. По экономическим соображениям предпочтение отдают открытой добыче. Однако большая часть руд цветных и благородных металлов находится под землей.

Открытым способом добывают и еще будут добывать длительное время лишь осадочные материалы — оксиды железа, алюминия, титана. Подземная добыча с помощью наклонных или вертикальных туннелей представляет большие технические трудности. Оказалось, что проще послать космонавтов для отбора лунного грунта на расстояние 400 тыс. км в космос, чем прорыть туннель глубиной 4 км.

Способы добычи — откачивание растворов и суспензий через буровые скважины и подземное выщелачивание — исключительно перспективны и уже сейчас широко используются для добычи нефти и серы. К сожалению, современные методы бурения (например, алмазный или ударный) ограничены из-за технических сложностей, и на смену им, по-видимому, придут методы с использованием взрыва, ультразвука, электрического поля, с помощью которых можно будет бурить скважины для перекачивания гидротермальных растворов.

Поскольку современные методы извлечения металлов из руд связаны с использованием повышенных температур и давлений, то перспективно осуществлять этот процесс вблизи месторождении. Например, в автоклавах осуществляется извлечение никеля из сульфидных руд при температуре 70—80 °С и давлении 105 Па. Реакция может идти на глубине 4-5 км при использовании выщелачивающего раствора аммиака и регулировании давления воздуха. Из полученного раствора можно электролизом непосредственно под землей осаждать металлы. Переход к гидрометаллургическим методам позволяет использовать достаточно бедные руды.

Рассмотрим развитие методов извлечения металлов на примере меди. Традиционный метод, основанный на обжиге сульфидных руд, стал экономически невыгодным, когда в связи с принятым в ряде стран законодательством об охране атмосферы за выброс оксида серы (IV) в окружающую среду стали взимать огромные штрафы. В кратчайший срок были разработаны новые — гидрометаллургические методы. Один из них основан на прямом выщелачивании меди раствором аммиака, насыщенным кислородом. Причем из полученного раствора медь экстрагируют органическими растворителями, например замещенным оксимом. Далее медь реэкстрагируют кислым электролитом и выделяют электролизом. Другой гидрометаллургический метод иллюстрирует принцип «химической консервации». Халькопирит после предварительного концентрирования методом пенной флотации обрабатывают хлоридом железа (III). Образующийся раствор подвергают электролизу, причем на аноде происходит дальнейшее выщелачивание халькопирита, а на катоде восстанавливается медь. Хлорид железа (III), необходимый на первой стадии выщелачивания, регенерируется на аноде, а на катоде при этом образуется железо высокой чистоты. При фильтрации и промывании шламов из халькопиритных щелоков получают серу высокой чистоты.

Таким образом, из халькопирита можно получить высокочистые медь, железо и серу при минимальных загрязнениях окружающей среды и энергетических затратах.

Перспективными в гидрометаллургии меди могут оказаться и другие методы, основанные на обработке сульфидов расплавленной серой, электролизе расплавов или органических растворов солей меди, модернизации традиционных методов выплавки меди.

Все эти методы в той или иной мере будут реализованы и в металлургии других цветных и благородных металлов, причем наиболее перспективными являются жидкостная экстракция, ионный обмен и электрохимия.

Разработка новой технологии позволила в некоторых случаях вернуться к месторождениям, заброшенным из-за неэффективности традиционной технологии. В качестве примера можно привести производства олова, вольфрама и золота, которые в прошлом отличались крайне низкой степенью извлечения металлов.

Перейдем к вопросу об использовании вторичного сырья. Общеизвестно, что полезные сырьевые ресурсы быстро истощаются и одновременно накапливаются в огромных количествах промышленные и бытовые отходы. При эффективном использовании этих отходов открываются неиссякаемые источники сырья. Металлы в виде вторичного сырья (скрапа) применяют довольно широко: около половины мирового производства стали базируется на скрапе. Он же покрывает от 20 до 60% потребностей в важнейших металлах.

В лесохимической промышленности при заготовке древесины кору, ветви, корни, листья деревьев оставляют в лесу. В производстве целлюлозы теряется не менее 50% древесины. В результате лишь одна четверть биомассы деревьев переходит в целевой продукт. Ввиду этого, а также из-за истощения лесных массивов сейчас разрабатывают более эффективные методы переработки биомассы, включая изготовление из отходов высокоценных волокнистых материалов, активированного древесного угля, белков и искусственных продуктов питания.

Чрезвычайно трудной для решения и одновременно неотложной является проблема переработки и повторного использования полимерных материалов, в частности пластмасс. Такие термопласты, как полистирол или поливинилхлорид, легко использовать вторично, например в качестве покрытий для полов или кабельных труб. Намного сложней перерабатывать реактопласты типа полиуретана или искусственных волокон. Вернемся к проблеме рециркуляции металлов, которая играет важнейшую роль в снижении скорости истощения природных ресурсов. На рисунке 7 представлена скорость истощения запасов цинка и железа до гипотетически полного истощения. Эта скорость рассчитана в зависимости от доли рециркулируемого металла при условии, что будут сохранены существующие запасы и скорости потребления (ИИР равно 4,5% и 0,4% для цинка и железа).

В конечном счете решающим фактором будет время. Только оно покажет, удастся ли расширить месторождения природных руд, вовлечь в производство более бедные руды и какая именно новая технология приостановит истощение природных ресурсов. В настоящее время химия играет сравнительно скромную роль в процессах регенерации металлов и рециркуляции. Во многих случаях лом классифицируют, и вторичный металл, содержащий примеси, снова используют по первоначальному назначению. В будущем можно ожидать широкого применения химических методов разделения элементов во вторичных металлах. Причем наиболее перспективным предполагается применение расплавов солей для селективного растворения. Например, медь уже сейчас регенерируют из автомобильных стартеров, генераторов и арматуры с помощью расплавов хлорида кальция.

Высокоэффективным оказался электрохимический метод извлечения золота, серебра, меди, свинца и олова из лома электронной аппаратуры, в котором они обычно присутствуют вместе с алюминием. Распространение электрохимических методов в регенерации металлов ограничивается затратами энергии.

Различные значения ИИР для материалов (например, для золота и хрома он равен соответственно 12,9 и 0,04%) наводят на мысль о необходимости замены материала с высоким индексом использования на материал с более низким индексом. Однако такая рамена не всегда возможна. Трудно, например, найти эквивалентную замену радиоактивному урану или текучей ртути, легкоплавкому олову или тугоплавкому вольфраму. И все же нельзя .категорически утверждать, что во всех этих случаях невозможно найти альтернативное решение. Выгодность использования альтернативного материала определялась величиной состояния использования резерва (ИИРс).

ИИРс = ИИРм - ИИРал,

где ИИРм и ИИРал — индексы использования резервов первичного и альтернативного материала соответственно. Например, замена меди алюминием желательна, так как ИИР меди на 1% выше, чем у алюминия. Напротив, замена цинка оловом в качестве антикоррозийного покрытия невыгодна, так как ИИР=-0,8%.

Важнейшим альтернативным материалом для металлов являются пластмассы, а для соединений металлов в инсектицидах, фунгицидах или лекарственных препаратах — органические соединения.

Значение пластмасс и некоторых продуктов органического синтеза существенно возрастет в будущем, хотя основным источником сырья для их получения пока является нефть с очень высоким ИИР (13,1%). Положение может быть изменено к лучшему, если удастся сократить расходы нефтепродуктов для топливных целей. В настоящее время на нефтехимические синтезы расходуется 5—6% всей нефти, но к-2000 г. эта доля возрастет до 15%. Следует отметить, что разведанные запасы нефти сейчас оцениваются величиной 120 млрд. т. Но предполагается, что к 2000 г. эти запасы будут расширены до 270 млрд. т. В современном нефтехимическом синтезе в основном используются низшие ненасыщенные ациклические и ароматические углеводороды. Эти соединения получают пиролизом газообразных парафинов, легких нефтяных фракций, а в последнее время тяжелых фракций и даже самой нефти. Современные установки для пиролиза укрупнены настолько, что могут производить от 500 до 700 тыс. т в год ненасыщенных углеводородов. В результате переработки нефти получают много продуктов, среди которых важнейшими являются низшие олефины и диолефины (этилен, пропилен, бутадиен и изопрен), ароматические соединения (бензол, толуол, ксилол) и газовая смесь оксида углерода (II) с водородом. Эти вещества — исходное сырье для многих тысяч промежуточных и конечных продуктов, некоторые из них указаны на рисунке 8. Переработка алифатических, алициклических и ароматических4 углеводородов осуществляется с помощью таких процессов, как дегидрогенизация, окисление, хлорирование, сульфирование и т. д.

В качестве химического сырья конкурентом нефти является природный газ, состоящий в основном из метана. Уже при первичной обработке природного газа получают такие ценные продукты, как сера, бензин и гелий. Парокислородной конверсией метана получают азотоводородную смесь для синтеза аммиака. Синтез-газ (смесь оксида углерода (II) с водородом) является сырьем для получения метанола и других продуктов органического синтеза. Пиролиз метана лежит в основе промышленного метода получения ацетилена — ценнейшего полупродукта в промышленности основного органического синтеза — и производстве пластмасс.

В связи с этим все больше внимания в качестве химического сырья привлекает уголь. Запасы угля в мире огромны (20—25 млрд. т), но и их надо разумно использовать, имея в виду дальние перспективы. Для производства разнообразного ассортимента углеводородов уголь сначала подвергают газификации /для получения оксида углерода (II), водорода и метана, а затем гидрированию.

Из сказанного следует, что нефть, природный газ и уголь могут длительное время служить химическим сырьем, если превратить их использование в качестве топлива. Но это, по-видимому, утопия, и потому уже сейчас следует подумать, что будет после исчерпания ресурсов нефти, газа и угля. Не исключено, что их место займут карбонаты как источник углерода. Уже сейчас в нашей стране разработан способ каталитического превращения углекислого газа в простые органические соединения, не требующий высоких температур и давлений.

Возвращаясь к вопросу о природных ресурсах, следует сказать, что их рациональное использование невозможно без активного вмешательства химии и химической технологии, которые помогают усовершенствовать технологию поиска новых запасов, перерабатывать руды низкого качества, вводить в циклы металлов все большее количество вторичных металлов меньшей чистоты и создавать альтернативные материалы со сходными свойствами. Некоторые тенденции рационального использования природных ресурсов в будущем приведены ниже:

1. Стимулирование переработки коксового газа в жидкие углеводороды, а затем в полимерные материалы типа пластмасс.
2. Использование солнечной энергии и ядерного горючего в качестве основных источников энергии.
3. Прекращение использования цветных металлов в областях с низкой степенью рециркуляции (например, свинца в качестве добавок к бензину, меди — в фунгицидах, цинка — в пигментах).
4. Замена цветных металлов альтернативными материалами.
5. Широкое внедрение магнийсодержащих сплавов в качестве альтернативных материалов в производстве легких сплавов.

Полезная информация:

Решили поменять мобильный телефон? Нет проблем. Вам поможет интернет магазин сотовых телефонов, где вы сможете не только подобрать и приобрести заинтересовавшую Вас модель, но и сравнить технические характеристики различных телефонов. Помните, покупая через интернет магазин вы не только экономите время, но и деньги.


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
макарони в коробке с цветами недорого
Компания Ренессанс: лестница леруа мерлен - всегда надежно, оперативно и качественно!
стул посетителей изо
Компьютерная фирма КНС Нева предлагает 5759-8132 - поставщик техники для дома и бизнеса в Санкт-Петербурге.

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(09.12.2016)