Методика проведення факультативного курсу з хім
1.1.3 Характеристика мінеральної сировини хімічного виробництваБудь-яке хімічне виробництво починається із сировини (схема 1), що за походженням може бути як мінеральною, рослинною так і тваринною. У хімічній промисловості найчастіше використовується мінеральна сировина, тобто природні мінерали, що добуваються з земних надр. Мінеральна сировина поділяється на рудну, нерудну і паливну.Рудна сировина, чи руда, служить для одержання металів. Наприклад, руди заліза, мангану, титану складаються головним чином із сульфідів і оксидів відповідних металів.Нерудна мінеральна сировина -- це гірські мінерали чи породи, що є джерелом одержання неметалевих хімічних продуктів. Наприклад, апатит, фосфорит, гіпс, вапняк, лосняк (слюда), натрій хлорид тощо.Паливна мінеральна сировина -- копалини, що можуть застосовуватись як паливо (кам'яне it буре вугілля, нафта, природний газ тощо). Цей вид сировини іноді називають органічним внаслідок органічного походження. В останні роки такі копалини щоразу частіше використовують не як паливо, а як сировину для хімічної промисловості [7].Як основну особливість, що характеризує сировину, варто вказати на величезні масштаби її видобутку й переробки. У наш час у світі щорічно добувається і переробляється понад 100 млрд. т гірських порід. Але ж в якості сировини, що піддається хімічній переробці, використовуються не тільки гірські породи. Щоб уявити собі масштаб цього роду людської діяльності, досить найпростішого розрахунку: на кожну людину, включаючи дітей і старих, щодня припадає 100 кг добутих гірських порід. Схема 1Проблема сировини істотна тому, що самі природні копалини розподілені у світі дуже нерівномірно. Майже 95 % світових вугільних запасів зосереджені в надрах країн Північної півкулі, зокрема 63 % -- в Азії, 26 % -- у Північній Америці і близько 6 % -- у Європі. Аналогічна чи ще контрастніша нерівномірність розподілу в літосфері характерна родовищам нафти й газу, фосфатів і бокситів тощо. Значна частина світових запасів багатьох найважливіших видів мінеральної сировини зосереджена в надрах країн, що розвиваються: нафта майже 90 %, природний газ -- близько 70 %, боксити -- 74 %, оливо -- 87 %, кобальт -- 90 %. мідь -- понад 65 %, фосфорити -- 75 %, нікель, сурма та апатити -- 60 %.Отже, в умовах щораз більшого дефіциту сировини необхідний пошук нових резервів. До них належать:а) розробка нових джерел і методів добування сировини в літосфері, гідросфері та атмосфері;б) розробка нових ефективних методів рециркуляції, тобто багаторазового використання металів та інших видів сировини;в) розробка нових технологій, здатних працювати на сировині з меншими витратами ресурсів;г) використання альтернативних матеріалів.Невичерпними джерелами сировини є промислові й побутові відходи, так звана вторинна сировина. Досить сказати, що на відвалах і сховищах розміщується 1,6 * 1012 м3 гірських порід і відходів переробки корисних копалин, і на кожну людину на рік утворюється 400 кг побутових відходів. Метали як вторинну сировину (так званого скрапу) використовують уже тепер досить широко: біля половини світового виробництва сталі базується на скрапі. Він же покриває від 20 до 60 % потреб у найважливіших металах [18].Інший шлях збільшення видобутку металевої сировини є гірничопромислові роботи під водою. З так званих розкиданих родовищ, що розташовані на глибині 130 м, можна добувати збагачені морські відкладення, у яких містяться коштовні важкі метали -- олово, золото, платина, залізо, вольфрам, хром та ін. У морських відкладеннях і мулах Червоного моря, у японських та індонезійських водах, у червоних глинах океанських глибин, що зберігають найбільші кількості алюмінію на нашій планеті, і, можливо, навіть у підводних скелях сховані значні запаси різної металевої сировини. Зразки підводного ґрунту, що підіймаються з дна океану величиною з квасолю чи ріпу (так звані залізні й манганові тихоокеанські конкреції) містять близько 25 % мангану й заліза, а також нікель, мідь, кобальт і титан у концентраціях від 1,5 до 3,5 %. Загальні запаси таких конкрецій мають становити понад 1 500 млрдт., причому щорічно додатково це дасть 10 млн. т металів. Існує думка, що в цих невеликих зразках морської землі нікелю, мангану й кобальту міститься більше, ніж у всіх разом узятих відомих родовищах цих металів на суші.У морських водах нашої планети розчинено 4,5 млрд. т урану, приблизно по 3 млрд. т мангану, ванадію й нікелю, 6 млрд. т золота (по 1,5 т на кожного мешканця Землі!). Концентрація окремих складових частин, щоправда, мінімальна, але якщо в майбутньому в промислових масштабах почнуть опріснювати морську воду, то залишки солей, збагачені в 3 -- 4 рази, стануть придатною сировиною для одержання важких металів з води.Що до мінеральної сировини, то вона, як правило, піддається попередній обробці, після якої властивості сполук задовольняли б вимоги відповідного технологічного процесу.Така обробка складається із сукупності механічних, хімічних і фізико-хімічних операцій: здрібнювання, збагачення (флотація), зневоднювання, укрупнення. Флотація ґрунтується на різному змочуванні водою компонентів мінеральної сировини: корисних і порожньої породи. Наприклад, флотацією поліметалічних сульфідних руд одержують концентрати, відокремлюючи при цьому порожню породy [18].Станом на січень 2006 р. мінерально-сировинна база України включає близько 20 010 родовищ, у яких знайдено біля 113 видів корисних копалин, з яких 7 829 родовищ мінеральної сировини мають промислове значення та враховуються Державним балансом України. У вартісному обчисленні розвідані протягом другої половини XX сторіччя запаси цих родовищ оцінюються в 7 -- 7,5 трлн. дол. США. До промислового освоєння залучено від 40 до 75 % розвіданих запасів основних видів корисних копалин.Запаси залізних руд становлять понад 14 % загальносвітових, манганових -- понад 43 %. Україна посідає провідне місце із запасів титану, цирконію, урану, літію, графіту, каоліну, вогнетривких глин, сірки, калійних солей, декоративного каменю тощо. Україні належать і провідні позиції у світі з видобутку багатьох видів мінеральної сировини: вугілля, манганових і залізних руд, титану, графіту, каоліну тощо. Створений на основі сировинної бази мінерально-сировинний комплекс України є однією з найвагоміших складових національної економіки.В Україні виробляється близько 5 % світового обсягу мінерально-сировинних ресурсів, а щороку гірничо-видобувна промисловість випускає продукції на 25-28 млрд. дол. США (у цінах світового ринку). В Україні вугілля видобувається у межах території вугільних басейнів -- у Донбасі, Львівсько-Волинському басейні (кам'яне вугілля) й Дніпровському буро-вугільному басейні. На складний екологічний стан вугільних гірничо-видобувних регіонів впливає те, що кожна третя шахта експлуатується понад 50 років. Гірничо-видобувні роботи ведуться на глибинах до 1 400 м. Загальна площа вугільних басейнів становить близько 160 000 км2 (26 % території України), зокрема Донбас -- 50 000 км2 при загальній площі гірничих виробок 13 000 км2, яких у Донбасі -- близько 12 000 км2. На Україні найбільша смертність припадає на підприємства вугільної промисловості. На 1 млн. т видобутого вугілля припадає 4,4 загиблих шахтарі [7].Видобуток залізних руд в Україні здійснюється на Криворізькому, Кременчуцькому та Білозірському родовищах; манганових руд -- на Нікопольському родовищі. Державним балансом України враховано запаси нафти, газу й газового конденсату 323 родовищ. Основна їх кількість (191) зосереджена в Східному регіоні, 96 -- у Західному, 36 -- у Південному. Обсяг щорічного видобутку вуглеводнів за останні роки пересічно становив 4 млн. т нафти з конденсатом і 18 млрд. м3 газу, що дорівнює відповідно 10 і 20 % обсягів цих видів сировини, які щороку споживає країна.Родовища самородної сірки в Україні розташовані в межах Львівщини, а також частково в Івано-Франківській області. Від початку 50-х років XX ст. розроблялося Роздільське родовище, від 60-х -- Подорожненське, а від 70-х років -- Язівське та Немирівське родовища. Нині видобування сірки кар'єрним способом припинено через низку економічних та екологічних проблем. Розробляється тільки два родовища, до того ж використовують тільки метод підземного виплавлення.У більшості регіонів України ресурси підземної гідросфери є важливим фактором стабілізації водно-екологічної ситуації. Прогнозні ресурси прісних підземних вод України становлять 61689,2 тис м3/добу, з них 57 499,9 тис м3/добу -- з мінералізацією до 1.5 г/дм3 придатних для питного технічного водопостачання. Станом на січень 2007 року розвідано 373 родовища підземних вод, які містять 977 ділянок родовищ з експлуатаційними запасами, затвердженими ДКЗ СРСР, УТКЗ та ДКЗ України, у кількості 15 829,8 тис м3/добу. На сьогодні мінеральні води в Україні розвідані із затвердженням запасів 152 ділянок родовищ. їх загальні експлуатаційні запаси становлять 64 865,7 м3/добу. Родовища мінеральних вод є в усіх, крім Івано-Франківської та Сумської, областях, України.Станом на січень 2007 року в Україні детально розвідано два родовища термальних вод (підземні води з температурою понад 200С) -- Берегівське в Закарпатській області та Новоселівське в АР Крим. Запаси термальних вод в Україні в Берегівському родовищі становлять 0,871 тис м3/добу.1.2 Екологічні наслідки хімічних виробництвСьогодні Україна поступово розв'язує складні проблеми екологічної рекультивації більшості гірничо-видобувних районів, сформованих унаслідок попереднього екстенсивного розвитку промислових, галузей та ресурсомістких технологій. Екологічні проблеми, що зумовлені застарілими технологіями та критично зношеними основними фондами, полягають у нагромадженні величезних обсягів виробничих відходів, що перетворюються на техногенний ресурс, значних втратах мінеральної сировини (у надрах залишається до 70 % запасів нафти, до 50 % солей, до 28 % вугілля, до 25 % металів), великому антропогенному навантаженні на довкілля, порушенні стійкості геологічного середовища, гідрогеологічних та гідрологічних умов на тлі досить обмежених водних ресурсів.Всі відомі технологічні процеси хімічного виробництва супроводжуються утворенням великої кількості відходів у вигляді шкідливих газів та пилу, шлаків, шламів, стічних вод, що містять різні хімічні компоненти, які забруднюють атмосферу, воду та поверхню землі.
Хімічна промисловість спричиняє значні забруднення метаном, амоніаком, пилом. Загальні обсяги промислових викидів у повітряний простір колосальні. Найбільш небезпечними забруднювачами атмосфери є кислотоутворюючі оксиди - нітрогену, сульфуру, а також вуглекислий газ, чадний газ, амоніак, фтор, хлор та промисловий пил. Їх надходження в повітря помітно змінило склад сучасної атмосфери порівняно з доіндустріальним періодом [18].Основним джерелом забруднення атмосфери викидами металургійних заводів є коксохімічне, агломераційне, сталеплавильне та інші виробництва.
Коксохімічне виробництво забруднює атмосферу оксидом та диоксидом карбону, оксидом сульфуру. На 1 т перероблюваного вугілля виділяється близько 0,75 кг диоксиду сульфуру та по 0,03 кг різних вуглеводнів та амоніаку. Поблизу коксохімічних заводів середні рівні вмісту в повітрі диоксиду сульфуру складають від 0,05 до 0,2 мг/м3.Цехи сульфоочистки коксохімічних заводів звичайно обладнані електрофільтрами, через які в атмосферу потрапляють сірчаний газ, сірководень, диоксид нітрогену, аерозоль сульфатної кислоти. За даними, вміст гідрогенсульфуру у вихідних газах складає 0,14 мг/м3, а діоксид нітрогену - 0,9 мг/м3. Розрахунки показують, що на відстані 1 км від цеху сіркоочистки в повітрі може міститися до 0,2 мг/м3 сірчаного газу. Окрім газів, коксохімічне виробництво викидає в атмосферу велику кількість пилу. Наприклад, при виробництві коксу на 1 тонну переробленого вугілля виділяється близько 3 кг вугільного пилу. Велика кількість пилу виділяється при розвантаженні вугілля, в середньому 0,005% від маси розвантаженого вугілля.Джерелами забруднення повітряного басейну на аглофабриках є агломераційні стрічки, барабанні та чашеві охолоджувачі агломерату, випалювальні печі, вузли пересилки, транспортування, сортування агломерату та інших компонентів, що входять до складу шихти. Кількість агломераційних газів - 2,5-4,0 тис. м3 на 1 тонну отримуваного агломерату з вмістом в них пилу від 5 до 10 г/м3. До складу газів входять оксиди сірки та вуглецю, а пил містить залізо і його оксиди, а також оксиди марганцю, магнію, фосфору, кальцію, іноді частинки титану, міді, свинцю [13].Оксид сірки (IV) SО2 утворюється як побічний продукт при металургійному виробництві та спалюванні кам'яного вугілля або нафти, що вміщують домішки сірки. Обсяги викидів оксиду сірки (IV) (SO2) залишаються великими в промислово розвинених країнах, незважаючи на введення жорсткого державного контролю та економічних санкцій на наднормативні викиди окислів сірки.Виробництво сталі супроводжується виділенням в атмосферу значної кількості газів та пилу. Виплавка однієї тонни сталі пов'язана з викидами в атмосферу 0,04 т твердих часток, 0,03 т оксиду сірки (IV), близько 0,05 т оксиду карбону. Пил містить сполуки марганцю, заліза, міді, цинку, кадмію, свинцю та інших сполук. При виплавці високо- та складнолегованих сталей в пил, крім оксидів заліза, потрапляють і діоксиди кремнію, сполуки сульфуру, фосфору, оксиди ванадію, сполуки хрому, нікелю, молібдену, селену, телуру та ін. Кількість газів, що утворюються, і вміст в них твердих часток залежить від способу виробництва сталі, використання кисневого дуття та інших факторів.Забруднення навколишнього середовища навколо підприємств чорної металургії в залежності від переважного напряму вітрів відчувається в радіусі 20-50 км. На 1 км2 цієї території на добу випадає 5-15 кг пилу.Навколо металургійних заводів формуються своєрідні техногенні області, в усіх поверхневих утвореннях яких (ґрунті, снігу, воді, рослинності) міститься широкий набір шкідливих речовин, включаючи такі надзвичайно небезпечні, як свинець та ртуть.
Чорна металургія є одним з найбільших споживачів води. Сучасний завод на виробництво 1 т сталі витрачає 180-200 м3 води. Незважаючи на те, що на металургійних заводах широко використовується оборотне водопостачання, кількість стічних вод дуже велика. Вони містять механічні домішки органічного походження, а також гідрооксиди металів, стійкі та легкі нафтопродукти, розчинені токсичні сполуки органічного та неорганічного походження. Стічні води мають приблизно однаковий якісний склад забруднення, однак концентрація забруднюючих речовин, як правило, змінюється в широкому діапазоні залежно від видів та особливостей технологічних процесів [22].На коксохімічних заводах стічні води утворюються від хімічних цехів (фенольні стічні води) і від процесу гасіння коксу. Витрати свіжої води на одну тонну коксу складають 1,2-1,6 м3 (при використанні фенольної води для гасіння коксу). В процесі очистки коксового газу від сірководню миш'яко-содовим методом утворюється за годину 4-6 м3 стічних вод, в яких містяться феноли, аміак, сірководень, ціаніди, бензольні вуглеводи, що є канцерогенними речовинами.Стічні води в процесі виробництва сталі утворюються при очистці газів мартенівських печей, конверторів, охолодженні та гідроочистці виливниць, пристроїв безперервного розливання сталі та обмивання котлів-утилізаторів. При киснево-конверторій виплавці сталі вміст завислих часток в стічній воді систем очистки газу досягає 7000 мг/л.
При скидах забруднених стічних вод металургійних підприємств у водоймищі збільшується кількість завислих часток, значна кількість яких опадає поблизу місця скиду, підвищується температура води, погіршується кисневий режим, від виносу з водою мастильних продуктів з прокатних цехів утворюється масляна плівка на поверхні водоймища. Потрапляння шкідливих речовин може призвести до загибелі водних організмів та порушення природних процесів самоочищення водоймищ. Шкідливий вплив на людей, тварин, макро- та мікроорганізми, рослинний світ мають багато металів, їх сполуки та інші неорганічні речовини, що містяться в стічних водах металургійних підприємств.
При технологічних процесах хімічної промисловості утворюється велика кількість твердих відходів, які складуються на великих площах та в більшості випадків шкідливо впливають на грунт, рослинність, водні джерела та повітряний басейн. Звалища твердих відходів займають зараз тисячі гектарів корисного ґрунту. В них накопичено близько 500 млн. т шлаків [22].Шламопилові відходи утворюються практично на всіх стадіях виробництва. Зараз в нашій країні щорічно утворюється близько 80 млн. т доменних, сталеплавильних та феросплавних шлаків, а також 1 млн. т шламів, 110 тис. т пилу. Шлам містить велику кількість заліза (майже 50%).
При виробництві сталі шлаків утворюється в два рази менше, ніж в доменному виробництві. Їх вихід на рік складає 25 млн. т, з них 66,5% мартенівські шлаки, 30% - конверторні та 3,1% - електросталеплавильні. До 1975 р. основна маса шлаків (близько 87,6%) направлялася на звалища.Доменні, феросплавні, мартенівські шлаки містять значні кількості сполук фосфору та оксиду кальцію, а також інші елементи, що використовуються як добрива в сільському господарстві.
Найбільшу небезпеку для ґрунтів становлять антропогенні забруднення. Найбільш токсичними для ґрунту (1 клас небезпечності) є свинець, ртуть, уран, торій, кадмій, берилій, хром, нікель та кобальт. Токсичні також германій, олово, вольфрам, молібден, літій, вісмут, марганець, мідь, миш'як, селен, алюміній. Більшість цих речовин концентрується в трофічних ланцюгах. Хоча самі по собі важкі метали не є ксенобіотиками, але в підвищених концентраціях вони завдають біологічної шкоди всім живим організмам. РОЗДІЛ 2. МІСЦЕ ФАКУЛЬТАТИВУ В ШКІЛЬНОМУ КУРСІ ХІМІЇПеред факультативними курсами постає задача всіляко сприяти загальному навчанню школярів. Поряд з цим факультативні заняття повинні не тільки підтримувати і зміцнювати інтерес учнів до природи, але й орієнтувати їх на професії, пов'язані з її вивченням. Ці дві основні задачі не є ізольованими, вони тісно зв'язані між собою.
Серед загальноосвітніх задач, поставлених перед факультативами, особливе значення має виховання наукового, діалектико-матеріалістичного світогляду. Воно ведеться шляхом розширення і поглиблення загально-хімічних понять, залучення фактів з історії науки, що показують розвиток наукових проблем.Оскільки загально-хімічні поняття можуть бути розкриті лише на спеціальному матеріалі, виникає задача -- відібрати для вивчення відповідні питання [31].Світоглядні і загально-хімічні ідеї звичайно тісної пов'язані з конкретним матеріалом, а він нерідко належить до різних областей науки, тому вирішити весь комплект загальноосвітніх задач, нехай обмежений одним поняттям, навряд чи можна в одному курсі, тим більше що цей комплекс не єдиний, оскільки, крім загально-хімічних понять, факультативний курс повинен містити визначені політехнічні і спеціальні відомості.Виходячи з задач політехнічної підготовки, факультативні курси повинні бути побудовані так, щоб при вивченні їх школярі могли одержати визначену суму знань про наукові основи хімічних виробництв, включаючи відомості про основні стадії процесів, їх види, значення, негативний та позитивний їх вплив на навколишнє середовище.Необхідно врахувати задачі гігієнічної пропаганди: вплив промислового та природного оточення на людину і на здоров'я людини, основні принципи очистки викидів.Поглиблене вивчання хімії повинне не тільки збагачувати учнів новими знаннями, але і розвивати їх здібності, знайомити з методами наукового дослідження, привчати до самостійної роботи. Виходячи з цієї вимоги, перед факультативними курсами постає ряд задач, пов'язаних як зі стимуляцією загального розвитку учнів, так і з виробленням у них спеціальних навичок, необхідних для роботи в області мікробіології.
