Роль хімії у вирішенні сировинної проблеми

Хімізація виробництва за технологією  замкнутого циклу дозволяє використовувати  всі речовини, що вилучаються з  природи, за різними направленіями. Іллюстрацією може служити одна з  найстаріших прикладів - коксохімічне виробництво, при якому з кам'яного  вугілля отримують кокс,горючий  газ і інші продукти сухої перегонки. Історично одні основні джерела  енергії змінювалися іншими: дерево замінили на вугілля, вугілля - на нафту, нафта - на газ, вуглеводневу енергетику - на ядерну.      

       До початку 80-х років у світі близько 70% потреби в енергії удволетворялось за рахунок нафти і природного газу, 25% - кам'яного і бурого вугілля і лише близько 5% - інших джерел енергії [6].

Зараз найбільшими споживачами  органічного палива є промисловість і теплові електростанції. З усього використовуваного паливаблизько 20% йде на виробництво електроенергії, 30% - на отримання так званої низько потенційної теплоти (опалення приміщень, гаряча вода іт.д.), 30% - на автономний транспорт (авіація, морський та автотранспорт).  Близько 20% палива споживає хімічна та металургійна промисловість.  
        У вік науково-технічного прогресу проблема браку енергетичнихресурсів особливо загострилася, тому що зростаюча техніка вимагає все більшеі більше "харчування" у вигляді електроенергії, органічного палива та ін. Але кому ж вирішувати цю проблему як не самому людству. І для цього є всі дані сьогодні і в перспективі можлтвості.  
Оскільки серед видів пального найбільш дефіцитним є рідке, убагатьох країнах виділені великі засоби для створення рентабельної технології переробки вугілля в рідке (а також газоподібне) паливо. У цій області співпрацюють вчені Росії та Німеччини. Суть сучасного процесу переробки вугілля в синтез-газ полягає в наступному. У плазмовий  генератор подається суміш водяної пари і кисню, що розігрівається до 3000оС. А потім у розпечений газовий смолоскип надходить вугільний пил, і врезультаті хімічної реакції утвориться суміш оксиду вуглецю (II) таводню, тобто синтез-газ. З нього одержують метанол: CO +2 H2? СH3OH.  
      Метанол може замінити бензин в двигунах внутрішнього згоряння. У плані вирішення екологічної проблеми він вигідно відрізняється від нафти, газу, вугілля, але, на жаль, теплота його згоряня в 2 рази нижче, ніж у бензину, і,крім того, він агресивний по відношенню до деяких металів, пластмас.  
      Історія розвитку нафтової індустрії коротше, ніж вугільній. Хоча нафту використовували з античних часів для освітлення і як паливо, нестримнітемпи зростання її видобутку та використання тісно пов'язані зі створенням авто-іавіатранспорту. Починаючи з 1854 простий перегонкою нафти стали одержувати гас. Низькокиплячі фракції не використовувалтсь. У 1913 р. американець У. Бартон розробив термічний крекінг-процес, який дав можливість не тільки виробляти до 50% бензину з нафти, але й здійснювати гідрогенізації ненасичених вуглеводнів, що утворюються під час крекінгу.  
       Наприклад, у 1928 р. по крекінг-процесу з 195 млн. м3 нафти було отримання  62 млн. м3 бензину, 18 млн. м3 гасу, 7 мільйонів. М 3 мастил, решта - газойль, мазут, парафін, асфальт та ін . [6]. 
        А чи не можна замінити бензин газом? Вперше лослідження із застосування стисненого природного газу в транспорті велися в 30-х роках, а в 50-х надорогах тільки нашої країни було 20000 автомобілів, що працюють на такому пальному, що з'явилося, а не дешевий бензин виявився поза конкуренцією. Але у зв'язку зпідвищення цін на нафтопродукти вчені знову звернулися до стаих проектів: бензин можна замінити зрідженою пропан-бутановою сумішшю, яку зберігають при звичайній температурі. Вона дешевше бензину, менш токсична, продовжує термін служби двигуна. Але вся біда в тому, що природні запаси газу також небезмежні, як і нафти.  
      В "таємничому острові", опублікованому в 1874 р., Жуль Верн говорить проте, що вугілля та інші копалини будуть замінені новим паливом - водою,що складається з водню і кисню, які і стануть невичерпними джерелами теплоти і світла.

         Виявив горючість водню Я.ван Гельмонт. Ця властивість робить водень основним претендентом на звання палива  майбутнього. При його згорянні в чистому кисні досягається температура до 2800оС. Таке полум'я легко плавить кварц і більшість металів. Теплота згоряння водню в кисні дорівнює 142650 кдж/кг.

       Хімічне виробництво зараз основний постачальник водню, але безперспективний, оскільки ціна сировини зростає. Електроліз найбільш прямий метод отриманнячистого водню. Конкурентноздатність електролізу визначається наявністю дешевої електроенергії. Існує ще безліч розроблених технічних пропозицій отримання водню, але найбільші надії покладаються на енергію ядерних електростанцій.

        Якщо порівняти енергію, отриману хімічним шляхом, з енергією,отриманої від еквівалентніго кількості речовини в ході ланцюгових реакційрозподілу важких елементів (плутонію, урану). Енергія згорання 1 г деревинидостатня для того, щоб електрична лампочка в 100 Вт горіла 1 хв, а енергії згоряння 1 г вугілля вистачить для двох таких лампочок. Для освітлення протягом години міста з 60 000 жителів вистачить енергії 1г урану-235. Енергія що полягає в 1 г важкого водню - компонента паливу реакції  термоядерного синтезу, у 7,5 рази більше, ніж в 1 г урану-235. На рік роботи АЕС потужністю 1 млн.кВт необхідно 30 - 50 т уранового палива, адля теплоелектро станції такої ж потужності потрібно 1,6 млн.т мазуту або  2,5 млн.т вугілля.

     Зараз ядерна енергетика розвивається по шляху широкого впровадження реакторів на швидких нейтронах. У таких реакторах використовується уран, збагачений ізотопом 235U (не менш ніж на 20%), а сповільнювача нейтронів не потрібно. Ядерна реакція - ділення 235U - вивільняє нейтрони,які вступають у реакцію з 238U:

238U + 1n= 239U

Ізотоп урану, що є продуктом  цієї реакції, швидко розпадається  
(Т 1/2 = 23 с), перетворюючись в ізотоп нептунія (Т 1/2 = 50 г), а той, у своючергу, в ізотоп плутонію:

U238 239 0 -	92U= 93 Np + 1 e
U239 239 0 -	93Np= 94Pu + 1e

 

239Pu набагато більш стабільний  ізотоп, ніж два його попередника.  Його,як і деякі інші ізотопи  плутонію, що утворюються в реакторі, можна використовувати як ядерне пальне, у тому числі в реакторах [4]. 
       В даний час ядерна енергетика і реакторобудування - це потужнаіндустрія з великим обсягом капіталовкладень. Для багатьох країн вона важлива стаття експорту. Для реакторів і допоміжного обладнання потрібні особливі матеріали, в тому числі високої частоти. Задача хіміків, металургівта інших спеціалістів - створення таких матеріалів. Над збагаченням урану теж працюють хіміки і представники інших суміжних професій.  
       Зараз перед атомною енергетикою стоїть завдання витіснити органічне паливо не тільки зі сфери виробництва електроенергії, але так само з теплопостачання і в якійсь мірі з металургійної та хімічної промисловості шляхом створення реакторів енерготехнологічного значення.  
      АЕС у перспективі знайдуть ще одне застосування - для виробництва водню. Частина отриманого водню споживатиметься хімічною промисловістю, інша частина послужить для живлення газотурбінних установок, що включаються припікових навантаженнях.  
Найважливіший відтворений джерело енергії на планеті - енергія Сонця.  
Роль хіміків в освоєнні цієї енергії - це і створення матеріалів і перетворювачів для сонячних батарей, і розробка способів консерваціїенергії, у тому числі термохімічних способів її накопичення у вигляді пального з високою калорійністю, наприклад водню, а також розробка сольових систем - накопичувачів енергії.

        Ядерна та сонячна енергетика тісно змикаються з водневої енергетикою,під якою розуміють використання водневого пального, наприклад на транспорті.

Поряд з гігантськими електростанціями існують і автономні хімічні джерела струму, що перетворюють енергію хімічних реакцій безпосередньо в електричну. У вирішенні цього питання хімії належить головна роль. У  
1780 італійський лікар Л. Гальвані, спостерігаючи скорочення відрізаною лапки жаби після дотику до неї тяганиною з різних металів, вирішив,що в м'язах є електрика, і назвав його "твариноюелектрикою ". А. Вольта, продовжуючи досвід свого співвітчизника,припустив, що джерелом електроенергії є не тіло тварини: електричний струм виникає від зіткнення різних металевих зволікань. "Предком" сучасних гальванічних елементів можна вважати "електричний стовп" , створений А. Вольта в 1800 р. Цей винахід схожий на листковий пиріг з декількох пар металевих пластин: одна пластина з цинку, другиа- з міді, покладені одна на одну, а між ними поміщена листяна прокладка, просочена розведеною сірчаною кислотою. До винаходження в Німеччині В. Сіменсом в 1867р. динамо-машини гальванічні елементи були єдиним джерелом електричного струму. У наші дні,коли автономні джерела енергії знадобилися авіації, підводного флоту, ракетної техніки, електроніки, увагу вчених знову звернена до них.  
Я розповів далеко не про всіх напрямках вирішення енергетичної проблеми вченими світу, а тільки про основні. У кожній країні вона має своїособливості: соціально-економічні та географічні умови, забезпеченість природними багатствами, рівень розвитку науки і техніки.

 

 

 

 

3.Перспективи використання вторинної сировини.

        І так, корисні сировинні запаси Землі при сучасних засобах використання все більше вичерпуються. Одночасно накопляються колосальні кількості відходів – твердих, рідких, газоподібних промислових підприємстві міських відходів. З однієї сторони постійно зростає забруднення навколишнього середовища, а з іншої – можна з великою долею впевненості передбачити, що для матеріального виробництва в майбутньому стане досконале і ефективне використання цих відходів.

        Метали у вигляді вторинної сировини використовуються дуже широко. Майже половина виробництва сталі базується на скрапі, який покрива 20-60% потреби в найважливіших неметалах.

        Старий текстиль крім целюлози містить синтетичні волокна. Це затрудняє його переробку, а щоб його переробляти, необхідні нові технології.

        Попіл і шлаки, які залишаються після спалювання вугілля використовуються менш, ніж на 20%, в той час як на їх ліквідацію використовують великі суми грошей.

Частину попелу можна використовувати  в якості наповнювача для цементів, не кажучи про інші корисні використання. Так, 1,3т. попелу бурого вугілля заміняє 1т.цементу, а крім цього цей попіл  містить до 30% оксиду феруму. Якщо в  попіл, нагрітий до 1000⁰С вдувати хлороводень, то разом з током газу видуватиметься хлорид феруму. При охолодженні до 500⁰С виділяється оксид феруму, який можна використати, як готовий до переробки залізний концентрат.

        Крім того попіл бурого вугілля містить біля 30% вапна, а також коксованого залишку вугілля. Пригадаємо, що залізна руда, вапняк і кокс – це головна сировина для металургії. Отже велике практичне значення може мати метод виготовлення заліза і силікатних будівельних матеріалів із цієї вторинної сировини.

        Волокнисту масу, яку добувають із лісоматеріалів, до цього часу використовували трохи більше половини. Кору, гілки, коріння, листя дерев просто залишають в лісі, а тирсу, стружки і уламки складають відходи деревообробної промисловості. У виробництві целюлози втрачаються 50% речовин деревини, що відповідає 55% вуглецю, оскільки лише ¹/₄ біомаси дерев переходить в цільовий продукт. При річному виробництві 100млн.т. целюлози втрати вуглецю складають 55млн.т., з яких 19,5млн.т.(зв'язано в ароматичні вуглеводні, на нехватку яких жаліється хімія).Основні зусилля направлені на виготовлення із деревини дощок, високоякісних волокнистих матеріалів, активованого вугілля, білків і різних( лісних хімікатів). Тому особливо важливо утилізувати старий папір, оскільки 59тис.т. макулатури економлять 120тис. кубометрів деревини і тим самим 500га лісу.

        Наприклад, нині деревина використовується не лише як джерело для виготовлення меблів, а і як джерело величезних матеріальних цінностей. Із деревини виробляють 16 видів продукції.

Використання  деревини і продуктів її переробки

 

З великою користю можна  використовувати величезні кількості  вапнякових і гіпсових шлаків, а  також не повністю обвуглену деревину, яка залишається при відкритій  розробці бурого вугілля.

        Хлорид магнію, який вищолочується при добуванні калійних солей, створює серйозну проблему забруднення стічних вод. Використання цієї солі для знищення льоду на вулицях взимку приводить до виникнення корозії. Але із цієї солі можна добувати магній, тим більше, що в деяких країнах магній добувають з морської води, де його значно менше [5].

        Надзвичайно важка і в той же час невідкладна проблема – переробка і повторне використання пластмас. Такі термопластмаси як полістирол і полівініл хлорид можна з успіхом повернути промисловості. Їх повторна можна використати для покриття підлоги, труб для прокладання кабелів і інше. Вище переробляти реактопласти, наприклад поліуретан і синтетичні волокна. Над цією проблемою працюють в багатьох промислово розвинених країнах.

        Одним із важливих завдань хіміків і біологів треба вважати розробку нових методів утилізації великих кількостей відходів тваринництва.

            Звичайно, переробка старих матеріалів і відходів вимагає значних капіталовкладень. Але використання вторинної сировини все ж дешевше, ніж переробка первинної сировини. Крім того, це приведе до створення безвідходних промислових циклів, які забезпечать одержання основних і побічних продуктів і ніяких відходів!

          В листопаді 1979р. в Женеві відбулась загальноєвропейська нарада на високому рівні по співробітництву в галузі охорони навколишнього середовища, на якому було розглянуто і прийнято декілька важливих міжнародних документів. Одним з них є : «Декларація про маловідходні і безвідходні технології і використання відходів», яка підписана 34 європейськими країнами, США і Канадою. В декларації вказані причини і місця їх створення, дано рекомендації по прийняттю конкретних заходів державами і міжнародними організаціями.   

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Раціональне використання сировини. Вторинна переробка твердих промислових відходів.

       Україна щорічно продукує від 700 до 1 720 мільйонів тонн твердих відходів і лише 10 – 12 % з них застосовують як вторинні матеріальні ресурси. Решта накопичується у поверхневих сховищах, шламонакопичувачах, териконах, золовідвалах загальною площею понад 160 тис. га [1]. У зв'язку з цим утилізація відходів має важливе значення для вирішення екологічних проблем, а також раціонального ресурсоспоживання. Переробка відходів, що є в багатьох випадках цінною сировиною для виготовлення вторинної товарної продукції, економічно доцільна, якщо вартість отриманих виробів перевищує витрати на утилізацію.

Протягом XX століття відходи були кінцевою ланкою процесу промислового виробництва. За останні двадцять років ця ситуація зазнала значних змін. Проблема відходів знайшла дійсно кардинальне розв’язання, яке має назву “нульові відходи” (Zero Waste). Впровадження цього принципу дасть можливість розпочати розв’язання головних проблем людства – вичерпність мінеральних природних ресурсів та негативний вплив зростання народонаселення на навколишнє природне середовище [1].

         На сучасних вітчизняних підприємствах гірничої та гірничорудної промисловості здійснюється розробка корисних копалин на 5 тис. родовищ. Але їх добування та використання проводиться не раціонально. Застосування застарілих методів їх видобутку приводить до того, що в надрах Землі залишається 50% солей, 40% кам’яного вугілля, 25% руди металів. Лише третина одержаних корисних копалин використовується за прямим своїм призначенням, а дві третини попадають у відвали та підсипання. Не дивлячись на те, що потенційно можуть використовуватись в якості сировини або вторинних матеріальних ресурсів у гірничо-хімічній промисловості для одержання цінних матеріалів, в будівництві для одержання штучних гальки і щебеню з подальшим їх використанням як наповнювача бетонних сумішей, в будівництві брукованих доріг, для підсипання залізничних насипів, для одержання керамічних виробів і т.д..