Żelazo jest ważne dla życia i dla postępu technologicznego, ale jego wydobycie może mieć wpływ na środowisko
Czym byłby rozwój człowieka bez żelaza? Podobnie jak aluminium, metaliczne żelazo jest jednym z najczęściej występujących metali w naszym codziennym życiu. Od sztućców używanych na lunch po konstrukcje dużych budynków. Ale czym jest żelazo i jakie korzyści i szkody może przynieść jego użycie? Oprócz żelaza metalicznego, w jakich innych stanach występuje żelazo w przyrodzie?
Żelazo
Wśród pierwiastków najobficiej występujących na powierzchni Ziemi, litosfery, żelazo jest czwartym najliczniej występującym pierwiastkiem i drugim metalem. Chociaż metaliczne żelazo było bardzo obecne w społeczeństwie od czasów starożytnych, nie występuje w postaci metalicznej (Fe0), ale w postaci utlenionej [żelazawo (Fe2 +) i żelazo (Fe3 +)], głównie w rudach.
Zdjęcie: dane zaadaptowane z www.ufrgs.br
Żelazo nie jest cząsteczką, ale pierwiastkiem chemicznym, to znaczy nie powstaje w wyniku prostych, niskoenergetycznych reakcji chemicznych, które zachodzą na naszej planecie, ale w wyniku fuzji atomowych zachodzących w gwiazdach. Dowiedz się więcej o pojawieniu się żelaza w filmie wyprodukowanym przez Jane Gregorio-Hetem (IAG / USP) i Annibal Hetem Jr. (UFABC), finansowanym przez Krajową Radę Rozwoju Naukowego i Technologicznego (CNPq):
Żelazo jest tak uderzające w ewolucji rasy ludzkiej, że jeden z prehistorycznych epok został naznaczony tym metalem. Społeczeństwa prehistoryczne są klasyfikowane w systemie czterech wieków: polerowany kamień , miedź , brąz i żelazo . Iron Age jest oznaczony przez rozwój hutnictwa i pojawienie się narzędzi wykonanych z żeliwa i stali - szacuje się, że pierwsze społeczeństwo ery rozkwitła około 1200 pne, w rejonie Anatolii (bieżący region Turcji).
Innym bardziej aktualnym przykładem wielkiego wpływu żelaza na społeczeństwo jest kolej. Jeden z najważniejszych środków transportu, dawniej i dziś, bierze w swoją nazwę żelazo i został wynaleziony dzięki manipulacji i wykorzystaniu metalicznego żelaza, przyspieszając rozwój współczesnego społeczeństwa.
Znaczenie tego pierwiastka wykracza poza jego zastosowanie w narzędziach. Uważa się, że jądro Ziemi składa się głównie z metalicznego żelaza, które dzięki niemu generuje na naszej planecie pole magnetyczne, które jest odpowiedzialne za ochronę całego istniejącego życia przed promieniowaniem kosmicznym. Gdyby to pole magnetyczne nie istniało, system życia, o którym wiemy, mógłby nie istnieć.
Od środka Ziemi do naszych żył
Zdjęcie: Ricardo Gomez Angel w Unsplash
Natura zawsze stara się wykorzystać najbardziej obfite elementy do stworzenia i utrzymania życia. Oprócz ochrony przed promieniowaniem kosmicznym, które żelazo wytwarza dla życia na naszej planecie, jest również niezwykle istotnym elementem dla prawie wszystkich znanych nam gatunków zwierząt. Żelazo jest niezbędne nawet dla naszego oddychania, będąc głównym atomem hemoglobiny, poza tym, że odpowiada za czerwony kolor krwi. Odpowiada również za transport tlenu do komórek całego naszego ciała.
Ekstremalnym przykładem są bakterie, które są odpowiedzialne za „ krople krwi ” lub „wodospady krwi”. W lodowcu znanym jako Taylor znajdują się bakterie, które z powodu braku tlenu (O2) w swoim środowisku metabolizują jony żelaza (Fe3 +) poprzez oddychanie, a jako produkt końcowy uwalniają jony żelazawe (Fe2 +), które w kontakcie z powierzchni, utleniania i nadawania wyglądu krwi.
Zdjęcie: Peter Rejcek / National Science Foundation
Żelazo w żywności
Prawdopodobnie słyszałeś, że osoba musi jeść więcej fasoli, aby stać się „silniejsza”, ponieważ ma żelazo. Spożywanie pokarmów bogatych w żelazo jest niezbędne dla organizmu ludzkiego, a żelazo jest obecne w wielu typach organizmów, zarówno zwierzęcych, jak i roślinnych. W przypadku hemoglobiny we krwi niedobór żelaza w krwiobiegu zmniejsza transport tlenu do komórek organizmu, wpływając w ten sposób na odporność całego ustroju i powodując anemię. Spożycie żelaza jest niezwykle ważne dla utrzymania nie tylko hemoglobiny, ale także kilku metaloenzymów odpowiedzialnych za nasze zdrowie.
Żelazo obecne w żywności jest dostępne w dwóch kategoriach: żelazo hemowe i żelazo niehemowe. Żelazo hemowe znajduje się w mięsie zwierzęcym i jest już w postaci gotowej do wchłonięcia, z 10% do 30% całkowitego wchłonięcia po spożyciu. Absorpcja żelaza niehemowego wynosi od 2% do 20% całości, co nie stanowi problemu, co wymaga spożywania pokarmów bogatych w witaminę C w celu uzyskania najlepszego wchłaniania. Żelazo niehemowe pochodzi ze źródeł roślinnych, takich jak fasola i zboża, a witamina C z cytrusów, takich jak kiwi, cytryna, pomarańcza, pomaga w jego lepszym wchłanianiu.
Żelazo hemowe zwykle zawiera żelazo Fe2 + i jest otoczone cząsteczkami, które je chronią i przyczyniają się do jego wchłaniania w ścianie jelita. Z drugiej strony żelazo niehemowe na ogół zawiera Fe3 + i / lub jest związane z cząsteczkami, które nie mają dobrego wkładu w jego wchłanianie.
Narodowa Agencja Nadzoru Zdrowia (Anvisa) zaleca, aby dzienne spożycie dla osoby dorosłej wynosiło 14 mg żelaza, a kobiety w ciąży prawie dwukrotnie: 27 mg. Dowiedz się, jakie pokarmy są bogate w żelazo, zajrzyj do artykułu: „Czym są pokarmy bogate w żelazo?”.
Ale nie martw się, jeśli zdecydujesz się na dietę bezmięsną, istnieją wskazówki, jak zwiększyć wchłanianie żelaza pochodzenia roślinnego. Jednym z nich jest: spożyć lub przygotować potrawę dodając sok z cytryny lub pomarańczy - przygotowując sałatkę z rukoli (bogatej w żelazo), dodajmy np. Sok z cytryny, ponieważ jest on bogaty w kwas askorbinowy (witamina C), który przekształci Fe3 + w Fe2 +, kompleksowy i ułatwi jego przyswajanie przez organizm.
Żelazo metaliczne (Fe0)
Odkrycie żelaza i obchodzenie się z nim było bardzo ważnym krokiem w ewolucji ludzkości i pierwszym krokiem do pojawienia się stopów stali. Kiedy do żelaza dodawane są pewne atomy i / lub cząsteczki, takie jak węgiel, powstaje stal, jeden z najważniejszych stopów metali we współczesnym świecie.
Brazylia zajmuje drugie miejsce w światowym wydobyciu rudy żelaza (pierwszą do 2009 r., Ale wyprzedziła ją Australia). Pomimo tego, że jest drugim co do wielkości producentem rudy żelaza, Brazylia zajmuje dziewiąte miejsce wśród największych producentów stali i innych materiałów z żelaza. Wydaje się, że nie ma to większego sensu, ale uzasadnienie jest takie, że Brazylia eksportuje prawie całą wydobytą rudę.
Produkcja rudy żelaza w 2014 roku wyniosła 400 mln ton, aw tym samym roku wyeksportowano ok. 344 mln ton rudy, generując przychody w wysokości ponad 25 mld dolarów, będąc podstawowym produktem o największych przychodach roku. - wyższe niż przychody z soi i ropy naftowej. Pomimo tego, że jest drugim co do wielkości producentem rudy żelaza, Brazylia produkuje tylko 2% całej stali produkowanej na świecie.
Proces pozyskiwania żelaza i jego wpływ na środowisko
Żelazo metaliczne nie występuje w tej formie w skorupie ziemskiej, jedynie w postaci utlenionej oraz w rudach, takich jak hematyt (Fe2O3), magnetyt (Fe3O4), syderyt (FeCO3), limonit (Fe (OH) 3.nH2O) i piryt (FeS2). Rudy te należy wydobyć z gleby, poddać obróbce i uzyskać z nich metaliczne żelazo.Procesy otrzymywania żelaza i stali składają się zasadniczo z następujących etapów:
- Wydobywanie surowej rudy;
- Leczenie i przetwarzanie;
- Przeróbka rudy;
- Wydobycie i obróbka surowej rudy.
Po zebraniu surowa ruda musi przejść proces zwany wzbogacaniem, dzięki czemu będzie lepiej dostosowany do procesu otrzymywania metalicznego żelaza. Proces uszlachetniania jest najważniejszym krokiem i prawdopodobnie tym, który generuje największą ilość odpadów. W skład tego procesu wchodzą następujące operacje: kruszenie, klasyfikacja, mielenie, zagęszczanie i aglomeracja.
Wśród najważniejszych procesów wzbogacania kruszenie polega na rozdrobnieniu rudy, dążeniu do uzyskania odpowiedniego wymiaru dla jej późniejszego oddzielenia na etapie klasyfikacji. W klasyfikacji ziarna podzielono na trzy klasy: granulowane, spiekane i pelletowe . Ziarna zaklasyfikowane jako granulowane są gotowe do użycia w ostatnim etapie, czyli otrzymywania żelaza. Wsad spiekalniczy i pelletowy to cząstki o bardzo małych wymiarach do bezpośredniego wykorzystania w ostatnim etapie, dlatego też przechodzą proces aglomeracji.
W przedsiębiorstwach wydobywczych proces aglomeracji odbywa się poprzez peletyzację, w której drobne cząstki rudy ( pellet-surowiec ) przechodzą przez proces, który zamienia je w pelety, co pozwala na wykorzystanie drobnych cząstek i poprawia wydajność w procesie produkcji stali.
W stalowniach proces aglomeracji odbywa się poprzez spiekanie, czyli obróbkę cieplną drobnych cząstek rudy, zwaną wsadem spiekalniczym , w wyniku której powstają cząstki spieku , które można zabrać do wielkiego pieca.
Woda odgrywa bardzo ważną rolę na prawie wszystkich etapach procesu przeróbki rudy, będąc niezwykle wykorzystywana w procesach aglomeracji i zagęszczania. Stosowanie flotacji, hydrocyklonów i technik płukania to etapy, w których woda jest ekstremalnie wykorzystywana, co prowadzi do powstania trudnej do oczyszczenia pozostałości: szlamu.
Odpady trudne do przetworzenia
Podobnie jak proces otrzymywania aluminium, żelazo również ma bardzo problematyczne odpady poflotacyjne i kilka alternatyw dla jego obróbki: szlam. Przykładem wielkości produkcji osadu jest projekt Vargem Grande Itabirite (ITMI VGR) w Minas Gerais, który generuje 565 ton osadu na godzinę.
Najczęstszym miejscem przeznaczenia tego błota w Brazylii jest jego usuwanie w zbiornikach na świeżym powietrzu. Błoto jest transportowane, zwykle grawitacyjnie lub pompując, do zbiorników, takich jak baseny, gdzie jest zatrzymywane przez tamy. W tych zbiornikach szlam jest osadzany i suszony, ale nie zestala się całkowicie.
Szlam ten zawiera tlenki żelaza i krzemu i może zawierać inne metale, które w zależności od wydobytej gleby nie wykazują poziomu toksyczności. Błoto ma bardzo znaczący wpływ na środowisko, zmieniając cały skład gleby, pozostawiając ją nasyconą tymi związkami. Mimo, że nie wykazuje bezpośredniej toksyczności, jeśli dotrze do rzek, oprócz wpływu na pH i skład rozpuszczonych w wodzie składników odżywczych, będzie on zamulać środowisko, zapobiegając w ten sposób przenikaniu światła do wody i może zabić życie zależne od fotosyntezy. wpływając pośrednio na całe środowisko.
Oprócz zajmowania ogromnego obszaru, z niezwykle nasyconym mułem tlenków żelaza i krzemu, tamy te mogą stanowić ogromne zagrożenie dla społeczeństwa i przyrody, zwłaszcza gdy są słabo kontrolowane. Jeśli nie są dobrze zorganizowane i nadzorowane, ryzykują rozbicie i spowodowanie zniszczeń na gigantycznym obszarze, co może spowodować nieodwracalne szkody. Błoto, gdy dotrze do gleby, nie jest toksyczne, ale powoduje, że gleba staje się bezpłodna, niszczy zarośla i średniej wielkości roślinność, a także może zabijać zwierzęta podczas początkowej powodzi.
Niestety w listopadzie 2015 r. Brazylia miała przykład zniszczenia, jakim było pęknięcie tamy Samarco w miejscowości Mariana (MG). Zrozum, jak to się stało i jakie szkody wyrządzono środowisku. Innym niefortunnym przykładem było pęknięcie tamy odpadów poflotacyjnych Vale'a w 2019 roku, również w Minas Gerais, w Brumadinho, i to przy wyższym koszcie ludzkim niż w przypadku Mariany. Zapoznaj się ze szczegółami sprawy i wywołanymi skutkami.
Stopień zniszczenia
Kopalnia rudy żelaza zajmuje bardzo duży obszar, powodując dewastację gleby, lasów, zwierząt i naturalnej rzeźby występującej na tym obszarze, a nawet może wpływać na zmiany klimatyczne w regionie. Jest jeszcze jeden efekt, który może rozciągać się na mile, który dotyczy transportu tej rudy: kolej.
Może się wydawać, że nie jest to bardzo duży problem, ale transport rudy żelaza do głównych portów na eksport odbywa się wyłącznie koleją, z których wiele jest przeznaczonych wyłącznie do transportu tej rudy. Ponieważ Brazylia eksportuje prawie całą wydobywaną przez siebie rudę, istnieje ogromna potrzeba budowy linii kolejowych łączących kopalnie z portami. Oprócz zniszczeń, jakie może przynieść budowa kolei, zanieczyszczenie hałasem może mieć wpływ na faunę regionu, przez który przechodzi. Zobacz więcej o wpływie na środowisko generowanym przez rodzaje transportu.
Przetwarzanie rudy
Po przejściu przez wzbogacanie i osiągnięciu pożądanych wymiarów rudę żelaza pobiera się w hutach do uzyskania metalicznego żelaza. Ponieważ czyste żelazo nie ma dużego zainteresowania ekonomicznego, prawie cała wydobywana ruda żelaza przeznaczona jest do produkcji stali, czyli żelaza o niskiej zawartości węgla w swojej strukturze.
Stalownie dzielą się na dwa typy: zakłady zintegrowane i częściowo zintegrowane
Zintegrowane rośliny
W nich stal będzie produkowana z rudy żelaza. Zasadniczo proces otrzymywania żelaza zachodzi w reakcji rudy żelaza (obecnego jako tlenek żelaza) i tlenku węgla (CO) w piecu zwanym wielkim piecem. Po spieczeniu ruda żelaza ma wymiary odpowiednie do przeróbki w wielkim piecu, a także zawiera w swoim składzie wapień. Do tego procesu konieczne jest użycie węgla, który zostanie poddany obróbce w celu usunięcia niepożądanych zanieczyszczeń i będzie miał większą wydajność w procesie.
Po obróbce węgiel nazywa się koksem. Koks wlany do wielkiego pieca reaguje z tlenem, który jest wtryskiwany do pieca, tworząc tlenek węgla (CO), który z kolei reaguje z tlenkiem żelaza (obecnym w rudzie), tworząc metaliczne żelazo. (Fe0) i dwutlenek węgla (CO2). Wapień obecny w rudzie służy do obniżenia temperatury topnienia innych obecnych pierwiastków, tworząc tak zwany żużel i umożliwiając separację według gęstości. Pod koniec procesu powstaje surówka, która jest kruchym stopem żelaza i węgla, ale zawartość procentowa węgla wynosi około 5%. W wytapialni, jednostce huty, w której znajdują się maszyny potrzebne do realizacji opisanych procesów surówka jest wykorzystywana jako surowiec do produkcji różnych gatunków stali i stopów,dodając lub usuwając elementy w strukturze stopu, uzyskując w ten sposób różne właściwości.
Rośliny częściowo zintegrowane
To tam stal będzie produkowana ze złomu. Za pomocą prądu elektrycznego złom jest podgrzewany aż do stopienia, a następnie przechodzi przez wdech tlenu w celu usunięcia jego zanieczyszczeń. W zależności od pochodzenia złomu konieczne jest poddanie go różnej obróbce w celu usunięcia zanieczyszczeń i tym samym uzyskania żądanej stali.
Dwutlenek węgla (CO2) jest jednym z produktów reakcji, która powstaje podczas produkcji surówki, a więc ma znaczący wpływ na środowisko. Teoretycznie, bez uwzględnienia dwutlenku węgla powstałego w wyniku reakcji wapienia, tylko tlenek węgla (CO) z tlenkiem żelaza, na każdy 1 kg wyprodukowanego żelaza emituje około 1,1 kg CO2. Według raportu Instituto Aço Brasil z 2014 roku, w 2013 roku z produkcji stali w Brazylii wyemitowano 50 mln ton CO2, przy czym na każdą 1 tonę wyprodukowanej stali przypada 1,7 tony CO2. wydany.
Aby dowiedzieć się więcej o produkcji surówki i stali, zobacz film wyprodukowany przez PUC Rio we współpracy z Ministerstwem Edukacji, Ministerstwem Nauki i Technologii oraz Narodowym Funduszem Rozwoju Edukacji:
Recykling
Oprócz recyklingu różnych materiałów, recykling złomu stalowego zużywa mniej energii niż produkcja w zintegrowanym przemyśle, oprócz odzyskiwania odpadów w środowisku i unikania masowej emisji CO2 do atmosfery. Stal w 100% nadaje się do recyklingu, bez zmiany swoich właściwości lub utraty podczas procesu recyklingu.
Ponieważ stal jest metalem magnetycznym, można użyć elektromagnesu do oddzielenia jej od innych zmieszanych z nią metali. Nawet przy możliwości oddzielenia stali od innych metali lub zanieczyszczeń, zaleca się jednak, aby stal kierowana do recyklingu była czysta, aby odpady organiczne i ziemia nie utrudniały procesu.
Stal w całości nadaje się do recyklingu, to znaczy, gdy wyrzucisz ją w ramach selektywnej zbiórki, może w nieskończoność powracać do Twojego domu w postaci nożyczek, klamki, drutu, samochodu, lodówki, a nawet puszek. Istnieje tylko kilka rodzajów przedmiotów, takich jak rozpuszczalniki, farby i inne treści, które zawierają szkodliwe związki, które należy zwrócić producentom, aby mogli oczyścić odpady przed wysłaniem ich do ponownego wykorzystania.
Zobacz, gdzie utylizować złom, odpady stalowe i inne rodzaje odpadów.
