3.1.3. Класифікація, техніко-економічні та екологічні характеристики сировини

Сировина є первинним предметом праці, а її видобуток — початком будь-якої системи технологій. Для раціональнішого планування й аналізу витрат суспільної праці у виробництві економіст (насамперед менеджер виробництва) має бути добре обізна­ним з техніко-економічними характеристиками сировини та процесами її перетворення на споживні вартості.

Термін «сировина» не є однозначним поняттям. Найбільш узагальнено його слід розуміти як первинний предмет праці, взятий безпосередньо з природи, матеріальний субстрат, який містить у собі основу цільового продукту.

З погляду економіки, сировина — це видобутий природний ресурс, на який витрачено певну працю (отже, має ціну) і який потребує подальшого перероблення в цільові продукти.

Існують різні схеми класифікації промислової сировини: за походженням (мінеральна, рослинна, тваринна), за агрегатним станом (тверда, газоподібна, рідинна), за галузево-технологічним принципом використання (рудна, нерудна, паливна).

Рудна сировина — це гірські породи або мінеральні агрегати, які містять метали в такій кількості й у такій формі хімічного зв’язку з іншими елементами, що дає змогу видобувати їх за сучасною промисловою технологією та економічно виправдовувати зроблені витрати.

Нерудна сировина — це вся інша неорганічна сировина, яка не використовується для видобування металів.

Паливна сировина (вугілля, нафта, газ, торф, сланець) становить окрему групу й використовується в паливно-енергетичній та хімічній промисловості.

Що слід розуміти під техніко-економічними характеристиками сировини?

По-перше, хімічний склад сировини й наявність її в земній корі; по-друге, доступність її видобування й технологічного перероблення; по-третє, значення для економіки.

Розглянемо ці характеристики.

У природі стабільно існує 92 хімічні елементи (від водню до урану), які в різноманітних поєднаннях утворюють мільйони хімічних сполук навколишнього середовища. Джерело хімічних елементів — це земна кора разом зі Світовим океаном та атмо-
сферою. Земна кора (літосфера) — це тверда оболонка Землі глибиною від кількох десятків кілометрів під гірськими масивами до кількох кілометрів під океаном. Основу земної кори становлять осадкові породи, граніти й базальти із середньою густиною 2800 kg × m–3. Нижня її межа — мантія (ультраосновний субстрат більшої густини — 5300 kg × m–3).

Схему профілю земної кори було наведено на рис. 24. Маса земної кори визначається у 2,2 × 1019 (22 трильйони) t.

Про масштаби видобування корисних копалин свідчать такі дані: у ХХ ст. із надр Землі вилучено близько 300 млрд т рудної сировини, що дорівнює масі цілих гірських масивів. Звичайно, для промислового розроблення використовують тільки верхні шари земної кори з відносно високою концентрацією корисного елемента. Кількість тих чи тих хімічних елементів у земній корі є різною. Вміст елементів уперше підрахував американський геохімік Ф. Кларк іще наприкінці минулого сторіччя. Відтоді середній вміст елемента в земній корі, виражений у процентах, називають кларком елемента. Тільки три елементи — кисень, кремній і алюміній — становлять 82,5 % маси земної кори, а разом із залізом, кальцієм, натрієм, калієм, магнієм і титаном — понад 98 %. Отже, на інших 83 елементи припадає всього 2 % маси кори.

Розподіл хімічних елементів у земній корі за декадами, запропонований В. І. Вернадським, наведено в табл. 28.

Таблиця 28

Вміст елементів у земній корі та масштаби
їх використання в економіці

Економічне значення елементів неоднакове. Загальною характеристикою елементів, яка відображає їхнє значення для економіки, є обсяг їх видобування. Виходячи з цього показника, всі елементи умовно поділяють на чотири групи за видобуванням (t/рік).

І група — елементи великотоннажного виробництва — (понад 1 Mt) Близько двох десятків таких хімічних елементів щорічно видобувається й реалізується у світовій економіці.

ІІ група — елементи середньотоннажного виробництва, «стотисячники» (від 1 kt до 1 Mt).

ІІІ група — елементи «тисячники» (до 1 kt).

IV група — елементи, які видобувають у відносно невеликій кількості (kg…t), але особливо цінні для галузей нових технологій, медицини й наукових дослідів.

Узагальнені (орієнтовні) дані щодо економічних характеристик деяких металів наведено на рис. 57.

Конструкційні матеріали.

Конструкційні матеріали — це матеріали з точно визначеними фізико-хімічними й механічними властивостями. Конструктори й технологи враховують значення цих властивостей на всіх стадіях процесу виготовлення виробу з наперед заданими характеристиками, а економісти прогнозують ефективність їх використання в народному господарстві. Порівняння окремих основних фізико-механічних властивостей конструкційних матеріалів (табл. 29) показує, що між ними не спостерігається очевидно закономірної залежності.

Таблиця 29

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ

Звичайно, у довідниках завжди можна знайти детальні їхні характеристики, але для розуміння загальних зв’язків між ними корисно хоча побіжно розглянути залежність між властивостями елементів та їхніми фундаментальними характеристиками.

Фундаментальною та точною характеристикою будь-якого матеріалу є його атомний склад і будова міжатомного зв’язку, що зумовлюються місцем елемента в Періодичній системі. На рис. 58 наведено фрагмент таблиці Періодичної системи хімічних елементів у її так званому «довгому» варіанті (періоди розміщено в одну лінію від елементів першої групи до інертних газів) з елементами, які є компонентами сплавів конструкційних металів. Неважко помітити, що метали з лівої частини таблиці є переважно представниками s-елементів (Li—2s1, Be—2s2, Mg3—s2), і лише алюміній має триелектронну конфігурацію (3s2p1) зовнішнього (валентного) електронного шару.

Уся ця група металів — це легкі, низькоплавкі (виняток — Ве), корозійно нестійкі метали. Температура їх плавлення, стійкість проти корозії та щільність збільшуються зліва направо, що зумовлено збільшенням кількості валентних електронів від одного s1 (Li) до трьох s2p1 (Al), отже, міцністю міжатомного зв’язку. У центрі таблиці — дев’ять металів IV, V і VI груп 4, 5, 6 періодів, які є представниками так званих перехідних d-елементів
(d-металів).

Зовнішню (валентну) електронну конфігурацію в металах представлено d і s-електронами. Як у групі s-металів (ліворуч), так і в дев’ятці d-металів можна легко виявити закономірність підвищення температури плавлення й густини зі збільшенням кількості електронів у зовнішній (валентній) конфігурації від Ті (3d 24s2) до Cr (3d 54s1), від Zr (4d 25s2) до Мо (4d 55s1) і від Нf (5d 26s2) до W (5d 46s2). Така сама закономірність спостерігається в групах згори донизу від елементів 4-го до 6-го періодів.

Отже, знаючи цю закономірність, досить запам’ятати, в якого металу найбільші числові значення характеристик (температура плавлення та щільність) і в якого найменші, щоб орієнтовно оцінити ці характеристики в інших металів дев’ятки. Такими металами відповідно будуть титан і вольфрам. Наприклад, температура плавлення титану tпл = 1670°С, а вольфраму tпл = 3380°С. Для ніобію, який розміщено між ними в V групі 5-го періоду, температуру визначимо (приблизно) як середню арифметичну

Насправді температура плавлення ніобію 2400°С (розбіжність лише 5 %). Хоча не в кожному випадку числові значення, отримані таким способом, будуть точними, але послідовність у ряду збільшення (чи зменшення) таких характеристик цілком вірогідна.

Вода й повітря у промисловості та побуті

Особливу роль у природних і технологічних процесах відіграють вода й повітря. Понад 85 % води, яка застосовується в промисловості, витрачається в процесах охолодження й нагрівання матеріальних потоків. Це пояснюється унікальними властивостями води: високою теплоємністю та ентальпією випаровування. Так, нагадаємо, що для підігрівання 1 kg води на один градус потрібно витратити 4,2 kJ (1 kkal), а для її випаровування — 2,26 MJ (539 kkal). За зворотних процесів — конденсації пари й охолодження води — буде виділятися така сама кількість теплоти. Під час випаровування кожна тонна води поглинає 2,26 GJ, що еквівалентно енергії, яка виділяється під час згоряння понад 100 kg вугілля.

У сучасних теплових і атомних електростанціях теплоносієм від джерела виділення теплоти (парового котла чи ядерного реактора) до турбоелектрогенератора є вода. Вода й водяна пара за допомогою теплообмінників нагрівають чи охолоджують технологічні середовища в багатьох промислових процесах. Близько 25 % води в промисловості застосовується для очищення технологічних газів, гідротранспортування подрібненої сировини, вугілля, а також як розчинник і мийний засіб. У низці хімічних, електрохімічних, біохімічних процесів вода застосовується як основний реагент або сировина.

Важливе значення для ефективного використання води у промисловості має її якість. Оскільки вода — добрий розчинник, вона рідко трапляється в природі в чистому (як речовина) стані. Для промисловості важливою характеристикою якості води є кількість і хімічний склад розчинених у ній солей. Природна вода, що містить солі кальцію та магнію (карбонати, сульфати, хлориди), називається твердою водою (табл. 30), а вода, де таких солей немає або дуже мало, — м’якою.

Таблиця 30

ХІМІЧНИЙ СКЛАД ПРИРОДНИХ ВОД

Найбільш небажаними солями у воді, яка застосовується в енергетиці та різних мийних системах, є карбонатні солі кальцію та магнію. Нормальні карбонатні солі CaCO3, MgCO3, які досить поширені в земній корі, у воді майже нерозчинні, але якщо вода містить діоксид вуглецю (СО2), то карбонати кальцію та магнію можуть переходити в розчин у вигляді кислих солей — гідрокарбонатів Сa(HCO3)2 і Mg(HCO3)2. Природна вода завжди розчиняє з повітря певну кількість діоксиду вуглецю, невелику, але достат­ню, щоб утворилися гідрокарбонатні розчинні солі кальцію та магнію. Відомо, що за нагрівання води, а тим більше за її кип’ятіння, розчинені в ній гази випаровуються, а солі випадають в осад, утворюючи «накип», що знижує ефективність роботи технологічного устаткування. Тверда вода потребує обов’язкового спеціального оброблення, щоб звільнити її від карбонатів кальцію та магнію. Характеристику питної води подано в табл. 31, 32, 33.

Таблиця 31

ГРАНИЧНО ДОПУСТИМИЙ ВМІСТ
ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ У ПИТНІЙ ВОДІ

Таблиця 32

Основні параметри артезіанських свердловин,
що використовуються для живлення павільйонів
бюветного водозабезпечення м. Києва [121]

Таблиця 33

Основні якісні показники води
з артезіанських свердловин [121]

В Україні, як і в інших країнах Європи, найбільшими споживачами води є хімічна (35—40 %) і металургійна (30—35 %) промисловості.

Слід зазначити, що нині витрати води у промисловості значно менші, ніж у сільському господарстві (майже вдвічі). Але найнебезпечніше забруднення токсичними відходами річок триває всупереч впровадженню у виробництво так званих «безвідходних технологій замкнутого циклу». Накопичені у відстійниках і «нейтралізаторах» токсичні відходи з часом у висококонцентрованих стоках однаково виходять у навколишнє середовище, завдаючи ще більшої шкоди.

Так, промислові регіони Німеччини в кінці 80-х рр. щорічно скидали в Рейн близько 250 тонн свинцю і 15 тонн кадмію, а в Ельбу — майже 4 тонни ртуті.

Поряд із природною водою широко в різних технологічних процесах використовується повітря атмосфери. Передовсім повітря витрачається в енергетичних агрегатах під час спалювання органічних носіїв (вугілля, газу, мазуту, бензину) — на теплових електростанціях і двигунах внутрішнього згоряння. Великі об’є­ми повітря використовують у металургії: для виготовлення 1 t сталі його потрібно понад 15 ×103 m3, 1 t міді — близько 60 ×103 m3. Повітря широко використовується для транспортування матеріалів (пневмотранспорт), для теплопередачі й охолодження технологіч­них об’єктів, як робоче тіло у пневматичних системах.

Фізичні характеристики атмосферного повітря було наведено в табл. 19.

За температури нижчої від –192°С і тиску 760 mm Hg повітря зріджується в блакитну легкорухому рідину зі щільністю 960 kg/m3.

Оскільки температура кипіння кисню –183°С, тобто вища, ніж температура кипіння азоту — –196°С, то кисень легше перетво­рюється на рідину, ніж азот, унаслідок чого рідке повітря збагачується киснем. Рідке повітря можна досить довго зберігати в спеціальних термосах — посудинах Дьюара. Під час зберігання рідкого повітря вміст кисню в ньому додатково підвищується внаслідок випаровування азоту. Рідке повітря використовують у великих кількостях для добування з нього газів кисню, азоту, аргону та ін. методом ректифікації — перегонки. Горіння в чистому кисні відбувається швидше, ніж у повітрі, і теплота не витрачається на нагрівання азоту повітря. Цей ефект використовують для одержання високих температур (до 3200°С) за спалювання ацетилену чи водню у зварювальних апаратах.

Кисень інтенсифікує хімічні процеси багатьох виробництв. У доменному процесі за допомогою кисневого дуття збільшують продуктивність плавки. У виробництві сірчаної й азотної кислот, у процесі полімеризації етилену кисень застосовують як каталізатор (0,5 % у суміші з етиленом), що підвищує швидкість процесу та вихід поліетилену. Суміш зрідженого кисню з органічною речовиною (вугіллям, деревиною) має сильні вибухові властивості й застосовується в гірничодобувній технології для підривних робіт. На противагу кисню, другий компонент повітря — молекуляр­ний азот, є хімічно малоактивним газом. Атмосферний азот у великій кількості застосовують як вихідну речовину для синтезу аміаку та деяких інших сполук, а також як інертне середовище.

Аргон широко застосовується як інертний газ у спецметалургії, зварюванні, як робоче тіло у плазмотронах. Важливе значення у процесах нової технології мають інші інертні гази. Наприклад, гелій, вміст якого в атмосфері Землі становить частки процента і який є найстійкішим з інертних газів, він знов привертає до себе увагу.

Нині відновлюється інтерес до дирижаблебудування. Випробовуються дирижаблі, які можуть легко транспортувати великогабаритні конструкції (металеві опори електропередач, труби газонафтопроводів та ін.). Заповнення дирижаблів сумішшю 85 % гелію і 15 % водню є вогнебезпечним, а підйомна сила такої суміші менша, ніж у чистого водню лише на 7 %. Експлуатація дирижаблів буде економічною та водночас екологічно безпечною для навколишнього середовища. У контейнерах з гелієм зберігають і транспортують елементи ядерних реакторів, що виділяють тепло. Це підвищує екологічну безпеку.

У майбутньому, коли буде реалізовано в енергетиці реакцію ядерного синтезу гелію (основа енергетики сонця й зірок), гелій, як побічний продукт, стане доступним і іншим галузям промисловості. Зрозуміло, що це водночас вирішить і екологічні проблеми енергогенеруючих технологій.

Сировина є первинним предметом праці, а її видобуток — початком будь-якої системи технологій. Для раціональнішого планування й аналізу витрат суспільної праці у виробництві економіст (насамперед менеджер виробництва) має бути добре обізна­ним з техніко-економічними характеристиками сировини та процесами її перетворення на споживні вартості.

Термін «сировина» не є однозначним поняттям. Найбільш узагальнено його слід розуміти як первинний предмет праці, взятий безпосередньо з природи, матеріальний субстрат, який містить у собі основу цільового продукту.

З погляду економіки, сировина — це видобутий природний ресурс, на який витрачено певну працю (отже, має ціну) і який потребує подальшого перероблення в цільові продукти.

Існують різні схеми класифікації промислової сировини: за походженням (мінеральна, рослинна, тваринна), за агрегатним станом (тверда, газоподібна, рідинна), за галузево-технологічним принципом використання (рудна, нерудна, паливна).

Рудна сировина — це гірські породи або мінеральні агрегати, які містять метали в такій кількості й у такій формі хімічного зв’язку з іншими елементами, що дає змогу видобувати їх за сучасною промисловою технологією та економічно виправдовувати зроблені витрати.

Нерудна сировина — це вся інша неорганічна сировина, яка не використовується для видобування металів.

Паливна сировина (вугілля, нафта, газ, торф, сланець) становить окрему групу й використовується в паливно-енергетичній та хімічній промисловості.

Що слід розуміти під техніко-економічними характеристиками сировини?

По-перше, хімічний склад сировини й наявність її в земній корі; по-друге, доступність її видобування й технологічного перероблення; по-третє, значення для економіки.

Розглянемо ці характеристики.

У природі стабільно існує 92 хімічні елементи (від водню до урану), які в різноманітних поєднаннях утворюють мільйони хімічних сполук навколишнього середовища. Джерело хімічних елементів — це земна кора разом зі Світовим океаном та атмо-
сферою. Земна кора (літосфера) — це тверда оболонка Землі глибиною від кількох десятків кілометрів під гірськими масивами до кількох кілометрів під океаном. Основу земної кори становлять осадкові породи, граніти й базальти із середньою густиною 2800 kg × m–3. Нижня її межа — мантія (ультраосновний субстрат більшої густини — 5300 kg × m–3).

Схему профілю земної кори було наведено на рис. 24. Маса земної кори визначається у 2,2 × 1019 (22 трильйони) t.

Про масштаби видобування корисних копалин свідчать такі дані: у ХХ ст. із надр Землі вилучено близько 300 млрд т рудної сировини, що дорівнює масі цілих гірських масивів. Звичайно, для промислового розроблення використовують тільки верхні шари земної кори з відносно високою концентрацією корисного елемента. Кількість тих чи тих хімічних елементів у земній корі є різною. Вміст елементів уперше підрахував американський геохімік Ф. Кларк іще наприкінці минулого сторіччя. Відтоді середній вміст елемента в земній корі, виражений у процентах, називають кларком елемента. Тільки три елементи — кисень, кремній і алюміній — становлять 82,5 % маси земної кори, а разом із залізом, кальцієм, натрієм, калієм, магнієм і титаном — понад 98 %. Отже, на інших 83 елементи припадає всього 2 % маси кори.

Розподіл хімічних елементів у земній корі за декадами, запропонований В. І. Вернадським, наведено в табл. 28.

Таблиця 28

Вміст елементів у земній корі та масштаби
їх використання в економіці

Економічне значення елементів неоднакове. Загальною характеристикою елементів, яка відображає їхнє значення для економіки, є обсяг їх видобування. Виходячи з цього показника, всі елементи умовно поділяють на чотири групи за видобуванням (t/рік).

І група — елементи великотоннажного виробництва — (понад 1 Mt) Близько двох десятків таких хімічних елементів щорічно видобувається й реалізується у світовій економіці.

ІІ група — елементи середньотоннажного виробництва, «стотисячники» (від 1 kt до 1 Mt).

ІІІ група — елементи «тисячники» (до 1 kt).

IV група — елементи, які видобувають у відносно невеликій кількості (kg…t), але особливо цінні для галузей нових технологій, медицини й наукових дослідів.

Узагальнені (орієнтовні) дані щодо економічних характеристик деяких металів наведено на рис. 57.

Конструкційні матеріали.

Конструкційні матеріали — це матеріали з точно визначеними фізико-хімічними й механічними властивостями. Конструктори й технологи враховують значення цих властивостей на всіх стадіях процесу виготовлення виробу з наперед заданими характеристиками, а економісти прогнозують ефективність їх використання в народному господарстві. Порівняння окремих основних фізико-механічних властивостей конструкційних матеріалів (табл. 29) показує, що між ними не спостерігається очевидно закономірної залежності.

Таблиця 29

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ

Звичайно, у довідниках завжди можна знайти детальні їхні характеристики, але для розуміння загальних зв’язків між ними корисно хоча побіжно розглянути залежність між властивостями елементів та їхніми фундаментальними характеристиками.

Фундаментальною та точною характеристикою будь-якого матеріалу є його атомний склад і будова міжатомного зв’язку, що зумовлюються місцем елемента в Періодичній системі. На рис. 58 наведено фрагмент таблиці Періодичної системи хімічних елементів у її так званому «довгому» варіанті (періоди розміщено в одну лінію від елементів першої групи до інертних газів) з елементами, які є компонентами сплавів конструкційних металів. Неважко помітити, що метали з лівої частини таблиці є переважно представниками s-елементів (Li—2s1, Be—2s2, Mg3—s2), і лише алюміній має триелектронну конфігурацію (3s2p1) зовнішнього (валентного) електронного шару.

Уся ця група металів — це легкі, низькоплавкі (виняток — Ве), корозійно нестійкі метали. Температура їх плавлення, стійкість проти корозії та щільність збільшуються зліва направо, що зумовлено збільшенням кількості валентних електронів від одного s1 (Li) до трьох s2p1 (Al), отже, міцністю міжатомного зв’язку. У центрі таблиці — дев’ять металів IV, V і VI груп 4, 5, 6 періодів, які є представниками так званих перехідних d-елементів
(d-металів).

Зовнішню (валентну) електронну конфігурацію в металах представлено d і s-електронами. Як у групі s-металів (ліворуч), так і в дев’ятці d-металів можна легко виявити закономірність підвищення температури плавлення й густини зі збільшенням кількості електронів у зовнішній (валентній) конфігурації від Ті (3d 24s2) до Cr (3d 54s1), від Zr (4d 25s2) до Мо (4d 55s1) і від Нf (5d 26s2) до W (5d 46s2). Така сама закономірність спостерігається в групах згори донизу від елементів 4-го до 6-го періодів.

Отже, знаючи цю закономірність, досить запам’ятати, в якого металу найбільші числові значення характеристик (температура плавлення та щільність) і в якого найменші, щоб орієнтовно оцінити ці характеристики в інших металів дев’ятки. Такими металами відповідно будуть титан і вольфрам. Наприклад, температура плавлення титану tпл = 1670°С, а вольфраму tпл = 3380°С. Для ніобію, який розміщено між ними в V групі 5-го періоду, температуру визначимо (приблизно) як середню арифметичну

Насправді температура плавлення ніобію 2400°С (розбіжність лише 5 %). Хоча не в кожному випадку числові значення, отримані таким способом, будуть точними, але послідовність у ряду збільшення (чи зменшення) таких характеристик цілком вірогідна.

Вода й повітря у промисловості та побуті

Особливу роль у природних і технологічних процесах відіграють вода й повітря. Понад 85 % води, яка застосовується в промисловості, витрачається в процесах охолодження й нагрівання матеріальних потоків. Це пояснюється унікальними властивостями води: високою теплоємністю та ентальпією випаровування. Так, нагадаємо, що для підігрівання 1 kg води на один градус потрібно витратити 4,2 kJ (1 kkal), а для її випаровування — 2,26 MJ (539 kkal). За зворотних процесів — конденсації пари й охолодження води — буде виділятися така сама кількість теплоти. Під час випаровування кожна тонна води поглинає 2,26 GJ, що еквівалентно енергії, яка виділяється під час згоряння понад 100 kg вугілля.

У сучасних теплових і атомних електростанціях теплоносієм від джерела виділення теплоти (парового котла чи ядерного реактора) до турбоелектрогенератора є вода. Вода й водяна пара за допомогою теплообмінників нагрівають чи охолоджують технологічні середовища в багатьох промислових процесах. Близько 25 % води в промисловості застосовується для очищення технологічних газів, гідротранспортування подрібненої сировини, вугілля, а також як розчинник і мийний засіб. У низці хімічних, електрохімічних, біохімічних процесів вода застосовується як основний реагент або сировина.

Важливе значення для ефективного використання води у промисловості має її якість. Оскільки вода — добрий розчинник, вона рідко трапляється в природі в чистому (як речовина) стані. Для промисловості важливою характеристикою якості води є кількість і хімічний склад розчинених у ній солей. Природна вода, що містить солі кальцію та магнію (карбонати, сульфати, хлориди), називається твердою водою (табл. 30), а вода, де таких солей немає або дуже мало, — м’якою.

Таблиця 30

ХІМІЧНИЙ СКЛАД ПРИРОДНИХ ВОД

Найбільш небажаними солями у воді, яка застосовується в енергетиці та різних мийних системах, є карбонатні солі кальцію та магнію. Нормальні карбонатні солі CaCO3, MgCO3, які досить поширені в земній корі, у воді майже нерозчинні, але якщо вода містить діоксид вуглецю (СО2), то карбонати кальцію та магнію можуть переходити в розчин у вигляді кислих солей — гідрокарбонатів Сa(HCO3)2 і Mg(HCO3)2. Природна вода завжди розчиняє з повітря певну кількість діоксиду вуглецю, невелику, але достат­ню, щоб утворилися гідрокарбонатні розчинні солі кальцію та магнію. Відомо, що за нагрівання води, а тим більше за її кип’ятіння, розчинені в ній гази випаровуються, а солі випадають в осад, утворюючи «накип», що знижує ефективність роботи технологічного устаткування. Тверда вода потребує обов’язкового спеціального оброблення, щоб звільнити її від карбонатів кальцію та магнію. Характеристику питної води подано в табл. 31, 32, 33.

Таблиця 31

ГРАНИЧНО ДОПУСТИМИЙ ВМІСТ
ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ У ПИТНІЙ ВОДІ

Таблиця 32

Основні параметри артезіанських свердловин,
що використовуються для живлення павільйонів
бюветного водозабезпечення м. Києва [121]

Таблиця 33

Основні якісні показники води
з артезіанських свердловин [121]

В Україні, як і в інших країнах Європи, найбільшими споживачами води є хімічна (35—40 %) і металургійна (30—35 %) промисловості.

Слід зазначити, що нині витрати води у промисловості значно менші, ніж у сільському господарстві (майже вдвічі). Але найнебезпечніше забруднення токсичними відходами річок триває всупереч впровадженню у виробництво так званих «безвідходних технологій замкнутого циклу». Накопичені у відстійниках і «нейтралізаторах» токсичні відходи з часом у висококонцентрованих стоках однаково виходять у навколишнє середовище, завдаючи ще більшої шкоди.

Так, промислові регіони Німеччини в кінці 80-х рр. щорічно скидали в Рейн близько 250 тонн свинцю і 15 тонн кадмію, а в Ельбу — майже 4 тонни ртуті.

Поряд із природною водою широко в різних технологічних процесах використовується повітря атмосфери. Передовсім повітря витрачається в енергетичних агрегатах під час спалювання органічних носіїв (вугілля, газу, мазуту, бензину) — на теплових електростанціях і двигунах внутрішнього згоряння. Великі об’є­ми повітря використовують у металургії: для виготовлення 1 t сталі його потрібно понад 15 ×103 m3, 1 t міді — близько 60 ×103 m3. Повітря широко використовується для транспортування матеріалів (пневмотранспорт), для теплопередачі й охолодження технологіч­них об’єктів, як робоче тіло у пневматичних системах.

Фізичні характеристики атмосферного повітря було наведено в табл. 19.

За температури нижчої від –192°С і тиску 760 mm Hg повітря зріджується в блакитну легкорухому рідину зі щільністю 960 kg/m3.

Оскільки температура кипіння кисню –183°С, тобто вища, ніж температура кипіння азоту — –196°С, то кисень легше перетво­рюється на рідину, ніж азот, унаслідок чого рідке повітря збагачується киснем. Рідке повітря можна досить довго зберігати в спеціальних термосах — посудинах Дьюара. Під час зберігання рідкого повітря вміст кисню в ньому додатково підвищується внаслідок випаровування азоту. Рідке повітря використовують у великих кількостях для добування з нього газів кисню, азоту, аргону та ін. методом ректифікації — перегонки. Горіння в чистому кисні відбувається швидше, ніж у повітрі, і теплота не витрачається на нагрівання азоту повітря. Цей ефект використовують для одержання високих температур (до 3200°С) за спалювання ацетилену чи водню у зварювальних апаратах.

Кисень інтенсифікує хімічні процеси багатьох виробництв. У доменному процесі за допомогою кисневого дуття збільшують продуктивність плавки. У виробництві сірчаної й азотної кислот, у процесі полімеризації етилену кисень застосовують як каталізатор (0,5 % у суміші з етиленом), що підвищує швидкість процесу та вихід поліетилену. Суміш зрідженого кисню з органічною речовиною (вугіллям, деревиною) має сильні вибухові властивості й застосовується в гірничодобувній технології для підривних робіт. На противагу кисню, другий компонент повітря — молекуляр­ний азот, є хімічно малоактивним газом. Атмосферний азот у великій кількості застосовують як вихідну речовину для синтезу аміаку та деяких інших сполук, а також як інертне середовище.

Аргон широко застосовується як інертний газ у спецметалургії, зварюванні, як робоче тіло у плазмотронах. Важливе значення у процесах нової технології мають інші інертні гази. Наприклад, гелій, вміст якого в атмосфері Землі становить частки процента і який є найстійкішим з інертних газів, він знов привертає до себе увагу.

Нині відновлюється інтерес до дирижаблебудування. Випробовуються дирижаблі, які можуть легко транспортувати великогабаритні конструкції (металеві опори електропередач, труби газонафтопроводів та ін.). Заповнення дирижаблів сумішшю 85 % гелію і 15 % водню є вогнебезпечним, а підйомна сила такої суміші менша, ніж у чистого водню лише на 7 %. Експлуатація дирижаблів буде економічною та водночас екологічно безпечною для навколишнього середовища. У контейнерах з гелієм зберігають і транспортують елементи ядерних реакторів, що виділяють тепло. Це підвищує екологічну безпеку.

У майбутньому, коли буде реалізовано в енергетиці реакцію ядерного синтезу гелію (основа енергетики сонця й зірок), гелій, як побічний продукт, стане доступним і іншим галузям промисловості. Зрозуміло, що це водночас вирішить і екологічні проблеми енергогенеруючих технологій.