CC BY
35
ПРИМЕНЕНИЕ БАРИЯ В ЦИРКУЛЯРНОЙ ЭКОНОМИКЕ В КОНТЕКСТЕ БЕЗОТХОДНОГО ПРОИЗВОДСТВА
B.Д. Александрова, магистрант О.А. Абрамова, магистрант
Самарский национальный исследовательский университет им. академика
C.П. Королева (Россия, г. Самара)
DOI: 10.24411/2500-1000-2018-10317
Аннотация. Циркулярная экономика, на которую в настоящее время переходят многие страны, предполагает безотходное производство, при котором все сырье и отходы превращаются в готовую продукцию. Такое внимание данной экономической модели уделяется из-за значительного истощения определенных ресурсов, в том числе - бария. В статье автором были проанализированы физические и химические свойства металла, его статус как критического сырья, сфера применение, его значение и влияние на природу и человека. Данное исследование может послужить основой для дальнейшего анализа эффективного применения бария и его отходов в безотходном производстве.
Ключевые слова: циркулярная экономика, устойчивое развитие, циркулярная экономика металлов, безотходное производство, барий.
В настоящее время наблюдается тенденция резкого истощения природных ресурсов, в том числе - некоторых металлов и минералов. По этой причине многие страны заменяют привычную линейную модель экономики на циркулярную. Циркулярная экономика предполагает безотходное производство. Безотходным называется производство, при котором все сырье и отходы превращаются в готовую продукцию. Концепция такого производства предусматривает переработку любой продукции, в том числе после ее морального и физического износа. Не всегда можно добиться полностью безотходного производства, однако остаточный материал (отходы) можно минимизировать.
К металлам, запасы которых быстро сокращаются, относится барий. Для дальнейшего анализа применения бария и его производственных отходов необходимо знать физические и химические свойства металла, его статус как критического сырья, сферу применение, а также его значение и влияние на природу и человека.
Барий - это химический элемент II группы периодической системы Менделеева. Атомный номер 56, атомная масса 137,34. Барий в виде оксида открыл в
1774 г. К. Шееле, который обнаружил неизвестную ранее «землю», позже названную «тяжёлой землёй» - баритом (от греч. Рари^ - тяжёлый). В 1808 г. английский химик Г. Дэви получил металлический барий в виде амальгамы электролизом расплавленных солей. Содержание бария в земной коре равно 0,05% по массе, в свободном состоянии в природе не встречается [1].
Из минералов бария промышленное значение имеют барит (тяжелый шпат) Ба804 и реже встречающийся витерит ВаСО3. К более редким минералам бария относятся цельзиан или бариевый полевой шпат (алюмосиликат бария), гиалофан (смешанный алюмосиликат бария и калия), нитробарит (нитрат бария) и пр. [2].
Барий - это серебристо-белый ковкий металл, который раскалывается при резком ударе. Барий тверже свинца, но мягче цинка, т.е. является достаточно мягким металлом. Его плотность 3,76 г/см3, 1пд710°С, ^п 1637-1640°С. Хранят металлический барий в керосине или под слоем парафина. Барий относится к щелочноземельным металлам и по химическим свойствам сходен с кальцием и стронцием, превосходя их по активности. На воздухе
барий быстро окисляется, образуя смесь оксида бария BaO и нитрида бария Ba3N2, а при незначительном нагревании воспламеняется. Энергично реагирует с водой, образуя гидроксид бария Ba(ОН)2. Онак-тивно взаимодействует с разбавленными кислотами и легко вступает в реакцию с галогенами, образуя галогениды. Многие соли бария нерастворимы или малорастворимы в воде. При нагревании с водородом барий образует гидрид бария BaH2. Также барий реагирует при нагревании с аммиаком. Барий восстанавливает оксиды, галогениды и сульфиды многих металлов до соответствующего металла [1].
В настоящее время надежный и беспрепятственный доступ к определенному сырью - одна из основных проблем для ЕС и других стран. Для решения этой проблемы Европейская комиссия создала список важных сырьевых материалов, которые имеют не только большое значение для экономики ЕС, но и высокие риски, связанные с их предложением. Несмотря на то, что по отчетам 2011 и 2014 года барит не входил в список критического сырья, в 2017 году ситуация изменилась.
Коэффициент экономической значимости барита по отчету 2017 года равен 2.9, а индекс замещения для коэффициента экономической значимости - 0.93. Стоит от-
метить, что в 2011 году коэффициент экономической значимости барита составлял 3.7, а в 2014 году снизился до 2.8. Риск поставок барита равен 1.6; индекс замещения для риска поставок - 0.94. В 2011 и 2014 году этот показатель был равен 1.7. [3].
Данных по коэффициенту риска поставок барита для России не найдено. Однако учитывая тенденции такого риска в странах ЕС, а также то, что 79-80% используемого в России в нефтегазовой отрасли, нефтегазодобывающей, химической промышленности и промышленности строительных материалов барита импортируется из Китая и стран ЕС, можно предположить, что такой риск в России приблизительно равен риску поставок в ЕС.
Хотя в ЕС существует национальное производство определенного критического сырья, в большинстве случаев наблюдается зависимость от импорта из стран, не входящих в ЕС. Что касается барита, в среднем в 2010-2014 гг. основными мировыми производителями являлись Китай (44% - 4 млн. тонн в год), Индия (18%), Марокко (10%) [4]. На рисунке 1 отражена структура мировых запасов барита в 2015 году, в соответствии с данными The USGS (United States Geological
Survey/Геологическая служба США).
Мексика _ 1,87%
Другие страны
Пакистан ^ 0,27%
Марокко___
2,67%
США ^ 4,00%
Иран 6,40%
Китай 26,67%
Индия 8,53%
Турция 9,33%
Рис. 1. Структура мировых запасов барита (2015 г.)
Казахстан 22,67%
В начале 2000-х годов наблюдалась динамика мирового производства барита с 6,0 до 6,5 млн. тонн в год. В настоящее время мировой объем производства барита составляет 9,2 млн. тонн в год, в Европе -117 тыс. тонн [3].
Барит добывается и перерабатывается в различные продукты, и в среднем в 20102014 гг. производство барита в ЕС составило 116,964 тонн в год (1,3% мирового
Стоит отметить, что объем потребления бария и его соединений в странах ЕС в 2010-2014 гг. был равен 575 тыс. тонн в год [3].
Применение металлического бария весьма ограничено из-за его высокой химической активности, соединения бария используются гораздо шире. Барий широ-
Импорт барита в 2010-2014 гг. составил 535 394 тонн в год [4]. Динамика импорта и экспорта барита в 2010-2014 гг. в соответствии с данными Евростата представлена на рисунке 2. Основными импортерами для ЕС в этот период были Китай (53%), Марокко (37%), Турция (7%).
производства) [3]. На рисунке 3 представлена структура стран Европы по производству барита в среднем в 2010-2014 гг.
ко применяется в производстве сплавов никеля с барием, используемых в производстве автомобильных свеч и изготовлении стекла, керамики и телевизионных электронно-лучевых трубок. В небольших количествах этот металл используется в металлургии для очистки расплавленных меди и свинца от примесей серы, кислоро-
Рис. 2. Динамика импорта и экспорта барита за 2010-2014 гг.
Рис. 3. Структура стран ЕС по производству барита в 2010-2014 гг.
да и азота. Кроме того, есть нестандартные применения бария, например - создание искусственных комет: выпущенные с борта космического аппарата пары бария легко ионизируются солнечными лучами и превращаются в яркое плазменное облако [5].
Оксид бария (BaO) используют для сушки газов и растворителей, а пероксид бария (BaO2) - как окислитель в органическом синтезе и отбеливатель для материалов животного происхождения и растительных волокон. Гидроксид бария (Ba(OH)2) применяется в изготовлении смазок, пестицидов, сахара, ингибиторов коррозионных процессов, жидкостей для сверления, смягчителей воды. Его также используют в производстве стекла, для вулканизации синтетической резины, очистки животных и растительных масел и для изготовления фресок [6]. Карбонат бария (BaCO3) добавляют в стекло для увеличения его коэффициента преломления, вводят в состав эмалей и глазурей. Сульфат бария (BaSO4) входит в состав литопона - неядовитой белой краски с высокой кроющей способностью, широко востребованной на рынке. В производстве дорогих сортов бумаги сульфат бария играет роль наполнителя и утяжелителя, делая бумагу белее и плотнее, его используют и в качестве наполнителя резин и керамики. Сульфат бария сильно поглощает рентгеновские и гамма-лучи, это свойство широко используется в медицине для диагностики желудочно-кишечных заболеваний. Сульфат бария используется также для изготовления баритового бетона, используемого при строительстве атомных электростанций и атомных заводов для защиты от проникающей радиации. Сульфид бария (BaS) применяется для получения литопона, в кожевенной промышленности для удаления волосяного покрова со шкур, для получения чистого сероводорода. Он также является компонентом многих люминофоров - веществ, светящихся после поглощения световой энергии. Ти-танат бария (BaTiO3) - один из лучших сегнетоэлектриков, используемых, например, для изготовления электрических кон-
денсаторов. Нитрат и хлорат (Ba(ClO3)2) бария являются составной частью фейерверков, добавки этих соединений придают пламени ярко-зеленую окраску [5].
В окружающую среду барий попадает из природных источников и частично в результате деятельности человека. Содержание данного металла в подземных водах незначительно, кроме районов, где залегают содержащие барий минералы (барит, витерит). В этом случае содержание бария в воде может составлять от 1 до 20 мг/л, а допустимая концентрация вещества в питьевой воде согласно нормам Всемирной Организации Здравоохранения не должна превышать 0,7 мг/л, в России данный показатель находится на отметке 0,1 мг/л [7]. Кроме того, содержание бария в воде зависит от свойств воды, например -от наличия в ней сульфатов. Сульфат бария имеет низкий предел растворимости (2.2 мг/л при 18 0С) и легко выпадает в осадок, поэтому относительно высокое содержание бария возможно только в водах с низким содержанием сульфатов [8].
Несмотря на достаточно легкий способ удаления бария из воды (ионный обмен, обратный осмос, электродиализ) и присутствие его в природе, влияние металла на организм человека высоко: употребление воды с большим содержанием данного вещества может привести к болезням системы кровообращения, болезням эндокринной системы, расстройству питания, нарушению обмена веществ. Гидроксид бария оказывает негативное влияние на воздушно-дыхательные пути, прижигающее действие на роговицу глаз и кожу. Хлорид бария увеличивает проницаемость сосудов, что может привести к кровоизлиянию и оттекам, вызвать анемию, лимфоцитоз, лейкопению. Фторид бария может вызвать нервное раздражение, оказать влияние на мускулатуру [8]. Данные И8ЕРЛ свидетельствуют о том, что даже разовое употребление воды, содержание бария в которой значительно превосходит максимально допустимые значения, может привести к мышечной слабости и болям в брюшной области. Необходимо, правда, учесть, что норматив по барию, установленный стандартом качества И8ЕРЛ (2.0 мг/л) значительно превосходит величину, рекомендованную ВОЗ (0.7 мг/л) [7].
Библиографический список
1. ЗайцевД.Д., Третьяков Ю.Д. Барий [Электронный ресурс]: Большая российская энциклопедия. — URL: https://bigenc.ru/chemistry/text/862577 (дата обращения: 13.10.2018);
2. Michalis Samouhos, Maria Taxiarchou [Электронный ресурс]: D4.3 Circular Economy and zero waste aspects and business models of production. — URL: http://scrreen.eu/wp-content/uploads/2018/07/D4.3-Circular-Economy-and-zero-waste-aspects-and-business-models-of-production.pdf (дата обращения: 13.10.2018);
3. Study on the review of the list of Critical Raw Materials (Critical Raw Materials Fact-sheets). Deloitte Sustainability, British Geological Survey, Bureau de Recherches Géologiques et Minières. Netherlands Organisation for Applied Scientific Research. Июнь 2017;
4. Study on the review of the list of Critical Raw Materials (Executive summary). Deloitte Sustainability, British Geological Survey, Bureau de Recherches Géologiques et Minières. Netherlands Organisation for Applied Scientific Research. Июнь 2017;
5. Prime Chemicals Group. Барий и его соединения незаменимы в промышленности и медицине [Электронный ресурс]: Блог. — URL: https://pcgroup.ru/blog/barij-i-ego-soedineniya-nezamenimy-v-promyshlennosti-i-meditsine (дата обращения: 13.10.2018);
6. Крутяков Ю. Барий [Электронный ресурс]: Универсальная научно-популярная энциклопедия. — URL: http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/BARI.html (дата обращения: 13.10.2018);
7. BWT. Очистка воды от бария: его влияние, источники и методы очистки воды [Электронный ресурс]: Блог. - URL: http://www.bwt.ru/useful-info/1301 (дата обращения: 13.10.2018);
8. Барий [Электронный ресурс]: Блог. - URL: https://www.water.ru/bz/param/barium.php (дата обращения: 13.10.2018).
USE OF BARIUM (BARITE) IN CIRCULAR ECONOMY IN THE CONTEXT OF
WASTE-FREE PRODUCTION
V.D. Alexandrova, graduate student O.A. Abramova, graduate student Samara university (Russia, Samara)
Abstract. The circular economy, to which many countries are now moving, implies non-waste production, in which all raw materials and waste are converted into finished products. Such attention is given to this economic model due to the significant depletion of certain resources, including barium. In the article, the author analyzed the physical and chemical properties of the metal, its status as a critical raw material, the scope of application, its significance and influence on nature and man. This study can serve as a basis for further analysis of the effective use of barium and its wastes in non-waste production.
Keywords: circular economy, sustainable development, circular economy of metals, non-waste production, barium.
