ברזל: חשיבות והשפעות מיצויו

ברזל חשוב לחיים ולקדמה טכנולוגית, אך למיצויו עלולה להיות השפעה על הסביבה

בַּרזֶל

מה תהיה ההתפתחות האנושית ללא ברזל? בדומה לאלומיניום, גם ברזל מתכתי הוא אחת המתכות הנפוצות בחיי היומיום שלנו. מהסכו"ם שאתם משתמשים בו לארוחת הצהריים ועד למבנים של בניינים גדולים. אך מהו ברזל ומה היתרונות והנזקים שהשימוש בו יכול להביא לנו? בנוסף לברזל מתכתי, מהם המצבים האחרים בהם מופיע ברזל בטבע?

הברזל

בין האלמנטים השופעים ביותר על פני כדור הארץ, הליטוספירה, הברזל הוא היסוד הרביעי ביותר והמתכת השנייה בשפע. למרות שברזל מתכתי היה קיים מאוד בחברה עוד מימי קדם, הוא לא נמצא בצורתו המתכתית (Fe0), אלא בצורתו המחומצנת [ברזליות (Fe2 +) וברזליות (Fe3 +)], בעיקר בעפרות.

שפע של אלמנטים

תמונה: נתונים המותאמים מ- www.ufrgs.br

ברזל אינו מולקולה, אלא יסוד כימי, כלומר, הוא לא נוצר באמצעות תגובות כימיות פשוטות, בעלות אנרגיה נמוכה, המתרחשות על הפלנטה שלנו, אלא באמצעות היתכים אטומיים המתרחשים בכוכבים. הבן קצת יותר על הופעת הברזל בסרטון שהפיק ג'יין גרגוריו-האטם (IAG / USP) ואניבעל הטם ג'וניור (UFABC), במימון המועצה הלאומית לפיתוח מדעי וטכנולוגי (CNPq):

הברזל כה בולט באבולוציה של המין האנושי, עד שאחד העידנים הפרהיסטוריים מסומן על ידי מתכת זו. בחברות קדומות מסווגים לתוך מערכת ארבע-גיל, חקק אבן , נחושת , ברונזה ו הברזל . תקופת הברזל מסומנת על ידי התפתחות המטלורגיה והופעתם של כלים העשויים מברזל ופלדה - ההערכה היא כי החברה הראשונה של התקופה פרחה בסביבות 1200 לפני הספירה, באזור אנטוליה (האזור הנוכחי של טורקיה).

דוגמה מעודכנת יותר להשפעה הרבה של ברזל על החברה היא הרכבת. אחד מאמצעי התחבורה החשובים ביותר, לשעבר וכיום, לוקח ברזל על שמו והומצא בזכות המניפולציה והשימוש בברזל מתכתי, המאיץ את התפתחות החברה המודרנית.

חשיבותו של אלמנט זה חורגת משימושו בכלים. הוא האמין כי ליבת כדור הארץ מורכבת ברובה מברזל מתכתי, אשר בזכותו מייצר שדה מגנטי על הפלנטה שלנו, האחראי על הגנה על כל החיים הקיימים מפני קרניים קוסמיות. אם שדה מגנטי זה לא היה קיים, ייתכן שמערכת החיים שאנו מכירים לא הייתה קיימת.

ממרכז כדור הארץ לוורידים שלנו

בַּרזֶל

תמונה: ריקרדו גומז אנג'ל ב- Unsplash

הטבע תמיד מבקש להשתמש באלמנטים השופעים ביותר ליצירת חיים ותחזוקתם. בנוסף להגנה מפני הקרניים הקוסמיות שמייצר הברזל לחיים על פני כדור הארץ, זהו גם מרכיב חיוני ביותר כמעט לכל סוגי בעלי החיים שאנו מכירים. ברזל חיוני אפילו לנשימה שלנו, בהיותו האטום הראשי של ההמוגלובין, בנוסף להיותו אחראי לצבע האדום של הדם. הוא אחראי גם על הובלת חמצן לתאי כל גופנו.

דוגמה קיצונית היא החיידקים האחראים ל"נפילת דם "או" מפלי דם ". בקרחון המכונה טיילור ישנם חיידקים שבגלל מחסור בחמצן (O2) בסביבתם, מטבוליזם יוני ברזל (Fe3 +) על ידי נשימה, וכמוצר סופי הם משחררים יונים ברזליות (Fe2 +) אשר בעת מגע עם משטח, מתחמצן ומעניק מראה של דם.

נפילת הדם

תמונה: פיטר רייצ'ק / הקרן הלאומית למדע

ברזל במזון

בטח שמעתם על האדם שצריך לאכול יותר שעועית כדי להיות "חזק יותר" כי יש לו ברזל. צריכת מזון עשיר בברזל חיונית לגוף האדם וברזל קיים בסוגים רבים של אורגניזמים, הן מן החי והן מן הצומח. במקרה של המוגלובין בדם, מחסור בברזל בזרם הדם מקטין את הובלת החמצן לתאי הגוף ובכך משפיע על חסינות המערכת כולה וגורם לאנמיה. צריכת ברזל חשובה ביותר לשמירה לא רק על המוגלובין, אלא גם על מספר אנזימים מטאליים האחראים לבריאותנו.

ברזל, הקיים במזון, זמין בשתי קטגוריות: ברזל heme וברזל שאינו heme. ברזל Heme נמצא בבשר מן החי וכבר נמצא בצורה מוכנה לספיגה, כאשר 10% עד 30% מהסך הכל נספג לאחר הצריכה. ספיגת הברזל שאינו heme הינה 2% עד 20% מסך כל זה, מה שמצריך צריכת מזונות עשירים בוויטמין C לספיגה הטובה ביותר, ואין זו בעיה. ברזל שאינו מכם מגיע ממקורות צמחיים, כמו שעועית ודגנים, וויטמין C מהדרים כמו קיווי, לימון, תפוז, בין היתר, מסייע לספיגתו הטובה יותר.

ברזל Heme מכיל בדרך כלל ברזל Fe2 + והוא מוקף במולקולות המגנות עליו ותורמות לספיגתו בדופן המעי. ברזל שאינו heme, באופן כללי, מכיל Fe3 + ו / או קשור במולקולות שאין להן תרומה טובה לספיגתו.

הסוכנות הלאומית לבקרת בריאות (Anvisa) ממליצה שכמות הצריכה היומית הדרושה למבוגר תהיה 14 מ"ג ברזל, כאשר נשים בהריון כמעט מוכפלות: 27 מ"ג. הכירו אילו מאכלים עשירים בברזל, עיינו במאמר: "מהם מאכלים עשירים בברזל?".

אך אל דאגה, אם בחרתם להקפיד על תזונה נטולת בשר ישנם טיפים להגברת הספיגה של ברזל צמחי. אחת מהן היא: צרכו או הכינו את האוכל על ידי הוספת מיץ לימון או תפוז - כאשר אתם מכינים את סלט הארוגולה שלכם (עשיר בברזל), למשל, הוסיפו מיץ לימון, מכיוון שהוא עשיר בחומצה אסקורבית (ויטמין C), אשר יהפוך את Fe3 + ל- Fe2 +, יורכב ויקל על ספיגתו על ידי הגוף.

ברזל מתכתי (Fe0)

הגילוי והטיפול בברזל היו צעד חשוב מאוד להתפתחות האנושות והצעד הראשון להופעת סגסוגות פלדה. כאשר אטומים ו / או מולקולות מתווספות לברזל, כמו פחמן, נוצרת פלדה, אחת מסגסוגות המתכת החשובות ביותר בעולם המודרני.

ברזיל תופסת את המיקום השני בייצור עפרות ברזל העולמי (היא הייתה במקום הראשון עד 2009, אך אוסטרליה עקפה אותה). למרות היותה היצרנית השנייה בגודלה של עפרות ברזל, ברזיל מדורגת במקום התשיעי בין היצרניות הגדולות ביותר של פלדה וחומרים אחרים מברזל. נראה שזה לא הגיוני במיוחד, אך ההצדקה היא שברזיל מייצאת כמעט את כל העפרות המופקות שלה.

ייצור עפרות הברזל בשנת 2014 הגיע ל -400 מיליון טון, וכ- 344 מיליון טון עפרות יצאו באותה שנה, והניבו הכנסות של יותר מ -25 מיליארד דולר, והיה המוצר הבסיסי עם ההכנסות הגבוהות ביותר בשנה. - גבוה מההכנסות שמפיקות סויה ונפט גולמי. למרות היותה היצרנית השנייה בגודלה של עפרות ברזל, ברזיל מייצרת רק 2% מכלל הפלדה המיוצרת ברחבי העולם.

תהליך השגת ברזל והשפעותיו הסביבתיות

ברזל מתכתי אינו נמצא בצורה זו בקרום כדור הארץ, רק בצורתו המחומצנת ובבקרות, כמו המטיט (Fe2O3), מגנטיט (Fe3O4), סידרית (FeCO3), לימונית (Fe (OH) 3. nH2O) ו פיריט (FeS2). יש להפיק עפרות אלה מהאדמה, לטפל בהן, ומתקבל מהם ברזל מתכתי.

התהליכים להשגת ברזל ופלדה מורכבים בעצם מהשלבים הבאים:

  • הפקת עפרות גולמיות;
  • טיפול ועיבוד;
  • עיבוד עפרות;
  • מיצוי וטיפול בעפרות גולמיות.
השלב הראשון להשגת ברזל מתרחש בהפקת עפרותיו. שלב זה מתמצה בעצם בשימוש בחופרים לאיסוף שטח מסוים, בו העפרות בשפע, והובלתו לעבור את תהליך הטיפול והעיבוד. בשלב הראשון, ההשפעות הסביבתיות הן הרסניות. השטחים שנכבשו לצורך התקנה, הובלה ומיצוי של עפרות הם עצומים, שלא לדבר על ההשפעה החברתית והכלכלית באזור. אנו יכולים להרגיש את האזור ההרוס רק להפקת עפרות בסרטון:

לאחר איסוףו, העפרות הגולמית צריכה לעבור תהליך הנקרא הטבה, אשר יהפוך אותו למתאים יותר לתהליך קבלת ברזל מתכתי. תהליך ההטבה הוא הצעד החשוב ביותר, וכנראה זה שמייצר את כמות הפסולת הגדולה ביותר. הפעולות הבאות הן חלק מתהליך זה: ריסוק, סיווג, טחינה, ריכוז ואגרומורציה.

בין התהליכים החשובים ביותר בהטבה, הריסוק מורכב מפיצול עפרות, המבקש להגיע למימד הולם להפרדתו בשלב הסיווג. בסיווג, הגרגרים מתחלקים לשלושה סוגים: מגורען, דִבקוּק-feed ו -להאכיל גלולה . הגרגירים המסווגים כגרגירים מוכנים לשימוש בשלב האחרון של קבלת ברזל. דבקוק-feed ו גלולה להאכיל הם חלקיקים בעלי ממדים קטנים מאוד לשמש ישירות בשלב האחרון, וזו הסיבה שהם עוברים תהליך למסכת.

בחברות כרייה, תהליך הצבירה נעשה באמצעות גלולה , שבה החלקיקים העדינים יותר של העפרות ( הזנת גלולה ) עוברים תהליך שהופך אותם לכדורים, המאפשרים שימוש בחלקיקים הדקים ומשפרים את הביצועים בתהליך ייצור הפלדה.

במפעלי פלדה, תהליך הצבירה מתבצע באמצעות sintering, שהוא טיפול בחום של חלקיקי עפרות עדינות, הנקראים sinter-feed , ומוליד חלקיקי sinter , אותם ניתן להעביר לתנור הפיצוץ.

מים ממלאים תפקיד חשוב ביותר כמעט בכל שלבי תהליך הטיפול בעפרות, כאשר הם משמשים במיוחד בתהליכי צבירה וריכוז. השימוש במשט, הידרוציקלונים וטכניקות כביסה הם שלבים שבהם נעשה שימוש רב במים, וכתוצאה מכך יש שאריות קשות לטיפול: הבוץ.

פסולת קשה לטיפול

בדומה לתהליך קבלת האלומיניום, גם לברזל יש זנב בעייתי מאוד ומעט חלופות לטיפול בו: בוץ. דוגמה לכמות ייצור הבוץ היא זו של פרויקט Vargem Grande Itabirite (ITMI VGR), במינס גיר, המפיק 565 טון בוץ לשעה.

היעד הנפוץ ביותר לבוץ זה בברזיל הוא סילוקו במאגרים באוויר הפתוח. הבוץ מועבר, בדרך כלל באמצעות כוח משיכה או שאיבה, למאגרים, כגון בריכות שחייה, שם הם מכוסים על ידי סכרים. במאגרים אלה, הבוץ מופקד ומייבש, אך הוא לא מתמצק לחלוטין.

בוץ זה מכיל תחמוצות של ברזל וסיליקון, ועלול להיות בעל נוכחות של מתכות אחרות, אשר בהתאם לאדמה המופקת אינן מציגות רמת רעילות. לבוץ השפעה סביבתית משמעותית מאוד, ומשנה את כל הרכב האדמה ומשאיר אותו רווי בתרכובות אלו. למרות שהיא אינה מציגה רעילות ישירה, אם היא מגיעה לנהרות, בנוסף להשפעה על ה- pH והרכב החומרים המזינים המומסים במים, הבוץ יבלוך את הסביבה ובכך ימנע את חדירת האור למים ואולי יהרוג את החיים שתלויים בפוטוסינתזה. , המשפיע בעקיפין על הסביבה כולה.

בנוסף לכיבוש שטח עצום, עם בוץ רווי מאוד בתחמוצות ברזל וסיליקון, סכרים אלה עלולים להוות סכנה גדולה לחברה ולאופי הסביבה, במיוחד כאשר הם נבדקים בצורה גרועה. אם הם לא מובנים ומפוקחים היטב, הם מסתכנים בשבירה וגורמים להרס באזור ענק, שעלול לגרום לנזק בלתי הפיך. הבוץ, כשהוא מגיע לאדמה, אינו מציע רעילות, אך הוא הופך את האדמה לעקרה, הורס את הסבך ואת הצמחייה הבינונית, וגם יכול להרוג בעלי חיים עם הנגר הראשוני.

למרבה הצער, בנובמבר 2015 הייתה לברזיל דוגמה להרס, עם קרע סכר סמרקו במריאנה (MG). להבין איך זה היה והנזק הסביבתי שנגרם. דוגמה מצערת נוספת הייתה קרע סכר הזנב של חברת Vale בשנת 2019, גם במינאס גאריס, בברומדיניו, ובמחיר אנושי גבוה יותר מהמקרה של מריאנה. הבן את פרטי המקרה ואת ההשפעות שנגרמו.

מידת ההרס

מכרה של עפרות ברזל תופס שטח גדול מאוד, ומספק הרס לקרקע, ליער, לבעלי החיים ולהקלה הטבעית הקיימת באזור זה, ואף עשוי להשפיע על שינויי האקלים באזור. יש השפעה נוספת שיכולה להאריך לאורך קילומטרים, הנוגעת להובלת עפרות זו: הרכבת.

זה אולי לא נראה כמו בעיה גדולה מאוד, אך הובלת עפרות ברזל לנמלים העיקריים לייצוא נעשית אך ורק באמצעות מסילות ברזל, שרבות מהן בלעדיות להובלת עפרות זו. מכיוון שברזיל מייצאת כמעט את כל העפרות שהיא ממצה, יש צורך רב בהקמת מסילות ברזל המקשרות את המכרות עם הנמלים. בנוסף להרס שבניית מסילה יכולה להביא, זיהום הרעש שהיא מספקת יכול להשפיע והרבה על בעלי החיים באזור בו היא עוברת. ראה עוד אודות ההשפעות הסביבתיות הנוצרות על ידי סוגי התחבורה.

עיבוד עפרות

לאחר שעבר את ההטבה והגיע למידות הרצויות, עפרות הברזל נלקחות לקבלת ברזל מתכתי בבתי פלדה. מכיוון שלברזל טהור אין אינטרס כלכלי גבוה, כמעט כל עפרות הברזל המופקות מיועדות לייצור פלדה, שהיא ברזל עם אחוזים נמוכים של פחמן הקיימים במבנה שלה.

מפעלי פלדה מתחלקים לשני סוגים: מפעלים משולבים ומפעלים חצי משולבים

צמחים משולבים

בהם תיוצר פלדה מעפרת ברזל. ביסודו של דבר, תהליך קבלת הברזל מתרחש בתגובת עפרות ברזל (הקיימת כתחמוצת ברזל) ופחמן חד חמצני (CO) בתנור הנקרא תנור הפיצוץ. לאחר סינטציה, לעפרות הברזל יש מימדים נאותים לעיבוד בתנור הפיצוץ ויש בה גם אבן גיר בהרכבה. לצורך תהליך זה, יש צורך להשתמש בפחם, שם יטופל כדי להסיר זיהומים לא רצויים ויש לו יעילות רבה יותר בתהליך.

לאחר הטיפול, הפחם נקרא קולה. כאשר הוא מוזג לתנור הפיצוץ, קולה מגיב עם חמצן המוזרק לתנור ויוצר פחמן חד-חמצני (CO), אשר בתורו מגיב עם תחמוצת ברזל (הקיימת בעפרות) ובכך נוצר ברזל מתכתי. (Fe0) ופחמן דו חמצני (CO2). אבן הגיר שנמצאה בעפרות משמשת להורדת נקודת ההתכה של שאר היסודות שנמצאים, ויוצרים את מה שמכונה סיגים ומאפשרים הפרדה לפי צפיפות. בסוף התהליך נוצר ברזל חזיר שהוא סגסוגת שבירה הנוצרת מברזל ופחמן, אך אחוז הפחמן נע סביב 5%. בחנות ההיתוך, יחידת מפעל הפלדה בה ממוקמות המכונות הדרושות לביצוע התהליכים המתוארים, ברזל חזיר משמש כחומר גלם לייצור סוגים שונים של פלדה וסגסוגות,על ידי הוספה או הסרה של אלמנטים במבנה הסגסוגת, וכך לרכוש מאפיינים שונים.

מפעלים משולבים למחצה

זה המקום בו ייוצרו פלדה מגרוטאות מתכת. באמצעות זרם חשמלי מחממים את גרוטאות הברזל עד שהוא נמס, ואז עוברות דרך נשימה של חמצן כדי להסיר את זיהומיו. בהתאם למקור הגרוטאות, יש צורך לעבור טיפולים שונים להסרת זיהומים וכך להשיג את הפלדה הרצויה.

פחמן דו חמצני (CO2) הוא אחד ממוצרי התגובה שנוצר במהלך ייצור ברזל חזיר, ובכך יש לו השפעה סביבתית משמעותית. תיאורטית, מבלי להתחשב בפחמן הדו-חמצני שנוצר מתגובת הגיר, נפלט רק זה של פחמן חד-חמצני (CO) עם תחמוצת ברזל, על כל ק"ג אחד של ברזל המיוצר, נפלט סביב 1.1 ק"ג CO2. על פי הדו"ח של Instituto Aço Brasil 2014 משנת 2014, בשנת 2013 נפלטו 50 מיליון טון CO2 מייצור פלדה בברזיל, ביחס שלכל 1 טון פלדה המיוצרת 1.7 טון CO2 הם הפיקו.

להבנת מידע נוסף על ייצור ברזל חזיר ופלדה, ראו את הסרטון שהפיק PUC Rio בשיתוף משרד החינוך, משרד המדע והטכנולוגיה והקרן הלאומית לפיתוח חינוך:

מִחזוּר

בנוסף למיחזור חומרים שונים, מיחזור גרוטאות פלדה פחות אנרגיה מייצור בתעשייה המשולבת, בנוסף להחזרת מה שיהיה פסולת בסביבה ולהימנעות מפליטת CO2 מסיבית לאטמוספרה. פלדה ניתנת למחזור ב 100%, מבלי לשנות את תכונותיה או ללכת לאיבוד במהלך תהליך המיחזור.

מכיוון שפלדה היא מתכת מגנטית, ניתן להשתמש באלקטרומגנט כדי להפריד אותה ממתכות אחרות המעורבות בה. גם עם אפשרות להפריד פלדה ממתכות או זיהומים אחרים, מומלץ, עם זאת, שהפלדה נקייה כאשר היא נשלחת למיחזור, כך שפסולת אורגנית ואדמה לא יעכבו את התהליך.

פלדה ניתנת למיחזור לחלוטין, כלומר כאשר אתה זורק אותה באיסוף סלקטיבי היא יכולה לחזור לביתך אינסוף זמנים, בצורה של מספריים, ידית דלת, חוט, רכב, מקרר או אפילו פחיות. ישנם רק כמה סוגים של פריטים, כגון ממיסים, צבעים ותוכן אחר, המכילים תרכובות מזיקות שיש להחזיר ליצרנים כדי שיוכלו לנקות את הפסולת לפני שהם שולחים אותה לשימוש חוזר.

ראה היכן להשליך גרוטאות, פסולת פלדה וסוגים אחרים של פסולת.


Original text