Желязото е важно за живота и технологичния напредък, но неговото извличане може да окаже въздействие върху околната среда
Какво би било човешкото развитие без желязо? Подобно на алуминия, металното желязо е един от най-често срещаните метали в нашето ежедневие. От приборите за хранене, които използвате за обяд, до конструкциите на големи сгради. Но какво е желязото и какви са ползите и вредите, които използването му може да ни донесе? Освен металното желязо, кои са другите състояния, в които желязото се появява в природата?
Желязото
Сред най-разпространените елементи на земната повърхност, литосферата, желязото е четвъртият по присъствие елемент и вторият най-разпространен метал. Въпреки че металното желязо присъства много в обществото от древни времена, то не се среща в металната му форма (Fe0), а в окислената му форма [железен (Fe2 +) и железен (Fe3 +)], главно в руди.
Изображение: данните са адаптирани от www.ufrgs.br
Желязото не е молекула, а химичен елемент, тоест не се образува чрез прости, нискоенергийни химични реакции, които протичат на нашата планета, а чрез атомни сливания, които се случват в звездите. Разберете малко повече за появата на желязо във видеото, продуцирано от Jane Gregorio-Hetem (IAG / USP) и Annibal Hetem Jr. (UFABC), финансирано от Националния съвет за научно и технологично развитие (CNPq):
Желязото е толкова поразително в еволюцията на човешката раса, че една от праисторическите епохи е белязана от този метал. Праисторическите общества са класифицирани в система от четири възрасти, полиран камък , мед , бронз и желязо . Най- желязната епоха е белязана от развитието на металургията и появата на инструменти, направени от желязо и стомана - смята се, че първото общество на ерата процъфтява около 1200 г. пр.н.е., в района на Анадола (настояща област на Турция).
Друг по-актуален пример за голямото влияние на желязото върху обществото е железопътната линия. Едно от най-важните транспортни средства, по-рано и днес, приема желязото в своето име и е изобретено благодарение на манипулацията и използването на метално желязо, ускоряващо развитието на съвременното общество.
Значението на този елемент надхвърля използването му в инструменти. Смята се, че ядрото на Земята се състои предимно от метално желязо, което благодарение на него генерира магнитно поле на нашата планета, което е отговорно за защитата на целия съществуващ живот от космически лъчи. Ако това магнитно поле не съществуваше, системата на живот, за която знаем, може да не съществува.
От центъра на Земята до нашите вени
Изображение: Рикардо Гомес Ангел в Unsplash
Природата винаги се стреми да използва най-богатите елементи за създаването и поддържането на живота. Освен че предпазва от космическите лъчи, които желязото генерира за живота на планетата, той е и изключително жизненоважен елемент за почти всички видове животни, които познаваме. Желязото е от съществено значение дори за дишането ни, тъй като е основният атом на хемоглобина, освен че е отговорен за червения цвят на кръвта. Той е отговорен и за транспортирането на кислород до клетките на цялото ни тяло.
Краен пример са бактериите, които са отговорни за „ падането на кръв “ или „кръвни водопади“. В ледник, известен като Тейлър, има бактерии, които поради липсата на кислород (O2) в тяхната среда метаболизират железни йони (Fe3 +) чрез дишане и като краен продукт освобождават железни йони (Fe2 +), които при контакт с повърхност, окисляват се и придават вид на кръв.
Изображение: Peter Rejcek / Национална научна фондация
Желязо в храната
Сигурно сте чували за човека, който трябва да яде повече боб, за да стане „по-силен“, защото има желязо. Консумирането на богати на желязо храни е от съществено значение за човешкия организъм и желязото присъства в много видове организми, както животински, така и растителни. В случай на кръвен хемоглобин, дефицитът на желязо в кръвния поток намалява транспорта на кислород до клетките на тялото, като по този начин влияе върху имунитета на системата като цяло и причинява анемия. Приемът на желязо е изключително важен за поддържане не само на хемоглобина, но и на няколко металоензима, отговорни за нашето здраве.
Желязото, присъстващо в храната, се предлага в две категории: желязо от хем и желязо без хем. Желязото от хем се намира в месото на животните и вече е в готов вид за усвояване, като 10% до 30% от общото количество се абсорбира след консумация. Абсорбцията на не-хем желязо е 2% до 20% от общото, което изисква консумация на храни, богати на витамин С за най-добро усвояване, което не е проблем. Нехемното желязо идва от растителни източници, като боб и зърнени храни, а витамин С от цитруси като киви, лимон, портокал, наред с други, помага за по-доброто му усвояване.
Хемо желязото обикновено съдържа Fe2 + желязо и е заобиколено от молекули, които го защитават и допринасят за неговото усвояване в чревната стена. Нехемовото желязо като цяло има Fe3 + и / или е свързано с молекули, които нямат добър принос за неговото усвояване.
Националната агенция за надзор на здравето (Anvisa) препоръчва количеството дневна консумация, необходимо за възрастен, да бъде 14 mg желязо, а бременните жени са почти двойни: 27 mg. Опознайте кои храни са богати на желязо, разгледайте статията: „Какво представляват храните, богати на желязо?“.
Но не се притеснявайте, ако сте избрали да следвате диета без месо, има съвети за увеличаване на усвояването на растително желязо. Едно от тях е: консумирайте или пригответе храната, като добавите лимонов или портокалов сок - когато приготвяте вашата салата от рукола (богата на желязо), например, добавете лимонов сок, тъй като тя е богата на аскорбинова киселина (витамин С), което ще трансформира Fe3 + във Fe2 +, сложно и ще улесни усвояването му от организма.
Метално желязо (Fe0)
Откриването и боравенето с желязо е много важна стъпка за еволюцията на човечеството и първата стъпка за появата на стоманени сплави. Когато някои атоми и / или молекули се добавят към желязото, като въглерод, се образува стомана, една от най-важните метални сплави в съвременния свят.
Бразилия заема втората позиция в световното производство на желязна руда (беше на първо място до 2009 г., но беше изпреварена от Австралия). Въпреки че е вторият по големина производител на желязна руда, Бразилия се нарежда на девето място сред най-големите производители на стомана и други материали от желязо. Изглежда, че няма особен смисъл, но оправданието е, че Бразилия изнася почти цялата си добита руда.
Производството на желязна руда през 2014 г. достигна 400 милиона тона, а около 344 милиона тона желязна руда бяха изнесени през същата година, генерирайки приходи от над 25 милиарда долара, което е основният продукт с най-високи приходи за годината. - по-високи от приходите, генерирани от соя и суров нефт. Въпреки че е вторият по големина производител на желязна руда, Бразилия произвежда само 2% от цялата стомана, произведена в света.
Процес на получаване на желязо и неговите въздействия върху околната среда
В тази форма металното желязо не се намира в земната кора, само в окислената му форма и в рудите, като хематит (Fe2O3), магнетит (Fe3O4), сидерит (FeCO3), лимонит (Fe (OH) 3.nH2O) и пирит (FeS2). Тези руди трябва да бъдат извлечени от почвата, обработени и от тях се получава метално желязо.Процесите за получаване на желязо и стомана основно се състоят от следните стъпки:
- Извличане на сурова руда;
- Лечение и обработка;
- Преработка на руда;
- Извличане и обработка на сурова руда.
След като бъде събрана, суровата руда трябва да премине през процес, наречен обогатяване, което ще я направи по-подходяща за процеса на получаване на метално желязо. Процесът на обогатяване е най-важната стъпка и вероятно тази, която генерира най-голямо количество отпадъци. Следните операции са част от този процес: раздробяване, класификация, смилане, концентриране и агломерация.
Сред най-важните процеси при обогатяването, раздробяването се състои в фрагментиране на рудата, като се стреми да достигне адекватно измерение за последващото й отделяне на етапа на класификация. При класификацията зърната са разделени на три класа: гранулирани, агломерирани фуражи и пелети . Зърната, класифицирани като гранулирани, са готови за използване в последния етап, този за получаване на желязо. Агломерационният фураж и пелетният фураж са частици с много малки размери, които се използват директно в последния етап, така че те преминават през процеса на агломерация.
В минните компании процесът на агломерация се извършва чрез гранулиране, при което по-фините частици от рудата ( пелетно захранване ) преминават през процес, който ги превръща в пелети, позволявайки използването на фините частици и подобряване на ефективността в процеса на производство на стомана.
В стоманодобивните заводи процесът на агломерация се осъществява чрез агломериране, което представлява термична обработка на фини рудни частици, наречени агломериране , което води до образуване на агломерирани частици , които могат да бъдат отведени в доменната пещ.
Водата играе много важна роля в почти всички етапи на процеса на обработка на рудата, като се използва изключително в процесите на агломерация и концентрация. Използването на флотация, хидроциклони и техники за измиване са етапи, при които водата се използва изключително много, което води до остатък, който е труден за лечение: кал.
Отпадъците са трудни за третиране
Подобно на процеса на получаване на алуминий, желязото също има много проблематични отпадъци и няколко алтернативи за неговото третиране: кал. Пример за количеството производство на утайки е този на проекта Vargem Grande Itabirite (ITMI VGR) в Минас Жерайс, който генерира 565 тона утайки на час.
Най-често срещаната дестинация за тази кал в Бразилия е нейното изхвърляне в резервоари на открито. Калта се транспортира, обикновено чрез гравитация или изпомпване, до резервоари, като басейни, където те се съдържат от язовири. В тези резервоари калта се отлага и изсушава, но не се втвърдява напълно.
Тази кал съдържа оксиди на желязо и силиций и може да съдържа други метали, които в зависимост от добитата почва не представляват ниво на токсичност. Калта има много значително въздействие върху околната среда, променяйки целия състав на почвата, оставяйки я наситена с тези съединения. Въпреки че не представлява пряка токсичност, ако достигне до реките, освен че влияе на рН и състава на разтворените във водата хранителни вещества, калта ще замъгли околната среда, като по този начин ще предотврати проникването на светлина във водата и вероятно ще убие живота, който зависи от фотосинтезата. , косвено въздействащи върху цялата среда.
Освен че заемат огромна площ, с кал, изключително наситена с железни оксиди и силиций, тези язовири могат да представляват голяма опасност за обществото и природата на околната среда, особено когато са лошо инспектирани. Ако те не са добре структурирани и контролирани, те рискуват да се счупят и да причинят разруха в гигантска зона, която може да причини необратими щети. Когато достигне почвата, калта не предлага токсичност, но прави почвата безплодна, унищожава ниската и средната растителност и може също така да убие животни с първоначалния отток.
За съжаление, през ноември 2015 г. Бразилия имаше пример за опустошение с разрушаване на язовир Самарко в Мариана (MG). Разберете как е било така и причинените екологични щети. Друг нещастен пример е скъсването на хвостохранилището на Вале през 2019 г., също в Минас Жерайс, в Брумадиньо и на по-висока човешка цена от случая на Мариана. Разберете подробностите по случая и причинените въздействия.
Степен на опустошение
Мината за желязна руда заема много голяма площ, осигурявайки опустошение на почвата, горите, животните и естествения релеф, присъстващ в тази област, и дори може да повлияе на изменението на климата в региона. Има и друг ефект, който може да се простира на мили, който касае транспортирането на тази руда: железопътната линия.
Може да не изглежда много голям проблем, но транспортирането на желязна руда до основните пристанища за износ се извършва изключително по железници, много от които са изключително за транспортирането на тази руда. Тъй като Бразилия изнася почти цялата руда, която добива, има голяма нужда от изграждането на железопътни линии, които свързват мините с пристанищата. В допълнение към разрухата, която може да донесе изграждането на железопътна линия, шумовото замърсяване, което осигурява, може да повлияе и много върху фауната на региона, където преминава. Вижте повече за въздействията върху околната среда, генерирани от видовете транспорт.
Преработка на руда
След преминаване през обогатяването и достигане на желаните размери, желязната руда се взема за получаване на метално желязо в стоманолеярни заводи. Тъй като чистото желязо няма висок икономически интерес, почти цялата извлечена желязна руда е предназначена за производството на стомана, която е желязо с ниски проценти на въглерод, присъстващ в нейната структура.
Стоманените заводи се разделят на два вида: интегрирани заводи и полуинтегрирани заводи
Интегрирани инсталации
В тях стоманата ще се произвежда от желязна руда. По принцип процесът за получаване на желязо протича в реакцията на желязна руда (присъстваща като железен оксид) и въглероден оксид (CO) в пещ, наречена доменна пещ. След синтероване желязната руда има адекватни размери за преработка в доменната пещ, а също така има варовик в състава си. За този процес е необходимо да се използват въглища, където те ще бъдат третирани за отстраняване на нежелани примеси и ще имат по-голяма ефективност в процеса.
След обработката въглищата се наричат кокс. Когато се излива в доменната пещ, коксът реагира с кислород, който се инжектира в пещта, образувайки въглероден окис (CO), който от своя страна реагира с железен оксид (присъстващ в рудата), като по този начин се получава метално желязо. (Fe0) и въглероден диоксид (CO2). Варовикът, който присъстваше в рудата, служи за понижаване на точката на топене на останалите присъстващи елементи, образувайки така наречената шлака и позволявайки разделянето по плътност. В края на процеса се образува чугун, който е крехка сплав, образувана от желязо и въглерод, но процентът на въглерод е около 5%. В цеха за стопяване, звено на стоманодобивния завод, където са разположени машините, необходими за извършване на описаните процеси, чугунът се използва като суровина за производството на различни видове стомана и сплави,чрез добавяне или премахване на елементи в структурата на сплавта, като по този начин се придобиват различни свойства.
Полуинтегрирани инсталации
Там ще се произвежда стомана от скрап. Посредством електрически ток скрапът се нагрява, докато се разтопи, след което преминава през взрив на кислород, за да се отстранят примесите му. В зависимост от произхода на скрапа е необходимо да се подложат на различни обработки, за да се отстранят примесите и по този начин да се получи желаната стомана.
Въглеродният диоксид (CO2) е един от продуктите на реакцията, която се генерира по време на производството на чугун, като по този начин има значително въздействие върху околната среда. Теоретично, без да се разглежда въглеродният диоксид, образуван от реакцията на варовик, се отделя само този на въглероден оксид (CO) с железен оксид, за всеки 1 kg произведено желязо, около 1,1 kg CO2. Според доклада от 2014 г. на Instituto Aço Brasil през 2013 г. от производството на стомана в Бразилия са били емитирани 50 милиона тона CO2, като съотношението е, че на всеки 1 тон произведена стомана 1,7 тона CO2 са издаден.
За да разберете повече за производството на чугун и стомана, вижте видеото, произведено от PUC Rio в партньорство с Министерството на образованието, Министерството на науката и технологиите и Националния фонд за развитие на образованието:
Рециклиране
Освен рециклирането на различни материали, рециклирането на стоманен скрап консумира по-малко енергия от производството в интегрираната индустрия, в допълнение към възстановяването на отпадъците в околната среда и избягването на масивни емисии на CO2 в атмосферата. Стоманата е 100% рециклируема, без да променя свойствата си или да се загуби по време на процеса на рециклиране.
Тъй като стоманата е магнитен метал, може да се използва електромагнит, който да я отдели от други метали, смесени с нея. Дори и с възможност за отделяне на стоманата от други метали или примеси, препоръчително е обаче стоманата да бъде чиста, когато се изпраща за рециклиране, така че органичните отпадъци и почвата да не възпрепятстват процеса.
Стоманата е напълно рециклируема, тоест когато я изхвърлите в селективната колекция, тя може да се върне във вашия дом безкрайно много пъти, под формата на ножици, дръжка на вратата, тел, автомобил, хладилник или дори кутии. Има само няколко вида предмети, като разтворители, бои и друго съдържание, които съдържат вредни съединения, които трябва да бъдат върнати на производителите, за да могат те да почистят отпадъците, преди да ги изпратят за повторна употреба.
Вижте къде да изхвърлите скрап, стоманени отпадъци и други видове отпадъци.
