Углерод

Углерод по распространенности в природе занимает тринадцатое место. На его долю приходится 0,087% массы земной коры, или
20000 блн т, из которых около 99,5% содержится в карбонатных породах (карбонатах кальция и магния), 0,47% составляет диоксид углерода в атмосфере и в воде, 0,02% приходится на уголь, нефть и газ и 0,01% – на биосферу.

Рациональное использование запасов углерода возможно при выполнении следующих условий:

· химические технологии должны обеспечить синтез разнообразных необходимых соединений из любого имеющегося углеродного сырья;

· для химической промышленности следует применять огромные запасы повсеместно встречающихся карбонатов;

· для энергетики нецелесообразно расходовать углерод, связанный в органические ископаемые соединения.

В действительности и энергетика, и химическая промышленность интенсивно потребляют горючие ископаемые – в основном уголь, нефть и газ, причем получение углеводородов из нефти и газа экономически гораздо более выгодно, чем из угля. Производительность труда в нефтехимии примерно в 12–16 раз выше, чем в химии карбонатов.

Переработка нефти включает операцию обессоливания и последующее разделение нефти на фракции при различных температурах кипения. Возрастающая потребность в топливе приводит к необходимости переработки нефтевых фракций, для чего применяется термический крекинг. Он представляет собой разложение нефтепродуктов при высокой температуре (выше 400°С), при которой получается низкокипящий углеводород – бензин. Перспективен каталитический метод гидрокрекинга (под действием водорода происходит гидрофикация, и тем самым отпадает необходимость в дополнительной операции очистки). На современных установках ежегодно вырабатывается более 700 тыс т нефтепродуктов. Для повышения детонационной стойкости моторное топливо подвергается каталитической обработке при температуре 500°С и давлении
20–40 атм. Нефтехимический синтез базируетсяна пиролизе парафинов при температуре 800–870 °С.

В результате переработки нефти получается более двух десятков основных соединений. Наиболее важные из них – олефины, диолефины (этилен, пропилен, бутадиен, изопрен), ароматические соединения (бензол, толуол, ксилол) и газовая смесь оксида углерода с водородом. На основе данных соединений синтезируются тысячи промежуточных и конечных продуктов. В настоящее время около 90% всех органических соединений производится из нефти и природного газа.

О темпах развития нефтехимии можно судить по росту производства этилена – сырья для получения пластмасс, лаков и красок. За 20 лет (1960–1979 гг.) объем этилена увеличился более чем в 10 раз (с 3,4 до
50 млн т). Только для производства различных нефтепродуктов без учета топлива в 1975 г. было израсходовано около 100 млн т нефти.

Вплоть до XIX в. нефть использовалась преимущественно как колесная мазь и в лечебных целях. В 1860 г. мировая потребность в ней составляла около 70 тыс т. К концу XIX в. она возросла до 21 млн т и через 75 лет – до 2730 млн т. Разведанные запасы нефти на конец 1974 г. оценивались в 97 млрд т. К началу 90-х годов XX в. они достигли примерно 600 млрд т. По некоторым оценкам, к 2000 г. разведанные запасы приблизились к 800–1000 млрд т. Предполагается, что при нынешних темпах потребления запасов нефти хватит до 2050 г.

Быстрыми темпами растет потребление природного газа. Он используется для производства электроэнергии и бытовых нужд, а также как сырье для промышленного производства ацетилена, формальдегида, метанола, синильной кислоты, водорода и т.п. Общие ресурсы природного газа оцениваются в 120000 млрд м³, из них на территории России обнаружено около 80000 млрд м³. При потреблении 1500 млрд м³ в год природного газа, как полагают некоторые ученые, хватит приблизительно на 80 лет. По другим оценкам, истощение природного газа ощутится гораздо раньше. На смену нефти и природному газу придет уголь, и лидирующее место займет химия угля. В последние десятилетия разрабатываются эффективные методы переработки угля. В частности, предложен способ эффективного производства моторного топлива из угля, объединяющий энергетические и химические установки. Запасы угля огромны, но ограничены. Чего же следует ожидать после истощения богатых ресурсов природного газа, нефти и угля? Вероятно, большее внимание будет уделяться химии карбонатов. Химические превращения карбонатов станут энергетически приемлемыми. Уже наметились пути уменьшения затрат энергии при их переработке. На стадии разработки находится каталитический метод превращения углекислого газа СО₂ воздуха в простые органические соединения без высоких температур и давления. Не следует забывать о 2 блн т углерода, накопленного в биосфере. Растительный мир Земли можно рассматривать как непрерывно работающие химические фабрики, потребляющие энергию Солнца. При разумном хозяйствовании их продукции может хватить на продолжительный период. В этой связи фотосинтез как важнейший природный процесс должен стать объектом пристального внимания все большей массы населения нашей планеты.