Аварийно химические опасные вещества
Аварийно химические опасные вещества (аммиак, хлор). Их воздействие на организм человека. Предельно допустимые и поражающие концентрации
Растет ассортимент применяемых в промышленности, сельском хозяйстве и быту химических веществ. Некоторые из них токсичны и вредны. При проливе или выбросе в окружающую среду способны вызвать массовые поражения людей, животных, приводят к заражению воздуха, почвы, воды, растений. Их называют аварийно химические опасные вещества(АХОВ). Определенные виды АХОВ находятся в больших количествах на предприятиях, их производящих или использующих в производстве. В случае аварии может произойти поражение людей не только непосредственно на объекте, но и за его пределами, в ближайших населенных пунктах.
Крупными запасами опасных веществ располагают предприятия химической, целлюлозно-бумажной, оборонной, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, черной и цветной металлургии, промышленности минудобрений.
Значительные их количества сосредоточены на объектах пищевой, мясо-молочной промышленности, холодильниках, торговых базах, различных АО, в жилищно-коммунальном хозяйстве.
Наиболее распространенными из них являются хлор, аммиак, сероводород, двуокись серы (сернистый газ), нитрил акриловой кислоты, синильная кислота, фосген, метилмеркаптан, бензол, бромистый водород, фтор, фтористый водород.
Хлор
При нормальных условиях газ желто-зеленого цвета с резким раздражающим специфическим запахом. При обычном давлении затвердевает при -101 °С и сжижается при -34° С. Тяжелее воздуха примерно в 2,5 раза. Вследствие этого стелется по земле, скапливается в низинах, подвалах, колодцах, тоннелях.
Ежегодное потребление хлора в мире достигает 40 млн. т.
Используется он в производстве хлорорганических соединений (винил хлорида, хлоропренового каучука, дихлорэтана, хлорбензола и др.). В большинстве случаев применяется для отбеливания тканей и бумажной массы, обеззараживания питьевой воды, как дезинфицирующее средство и в различных других отраслях промышленности.
Хранят и перевозят его в стальных баллонах и железнодорожных цистернах под давлением. При выходе в атмосферу дымит, заражает водоемы.
В первую мировую войну применялся в качестве отравляющего вещества удушающего действия. Поражает легкие, раздражает слизистые и кожу.
Первые признаки отравления — резкая загрудинная боль, резь в глазах, слезоотделение, сухой кашель, рвота, нарушение координации, одышка. Соприкосновение с парами хлора вызывает ожоги слизистой оболочки дыхательных путей, глаз, кожи.
Воздействие в течение 30 — 60 мин при концентрации 100 — 200 мг/м3 опасно для жизни.
Если все-таки произошло поражение хлором, пострадавшего немедленно выносят на свежий воздух, тепло укрывают и дают дышать парами спирта или воды.
При интенсивной утечке хлора используют распыленный раствор кальцинированной соды или воду, чтобы осадить газ. Место разлива заливают аммиачной водой, известковым молоком, раствором кальцинированной соды или каустика с концентрацией 60 —80% и более (примерный расход — 2л раствора на 1 кг хлора).
Аммиак
При нормальных условиях бесцветный газ с характерным резким запахом («нашатырного спирта»), почти в два раза легче воздуха. При выходе в атмосферу дымит. При обычном давлении затвердевает при температуре -78°С и сжижается при -34°С. С воздухом образует взрывоопасные смеси в пределах 15 — 28 объемных процентов.
Растворимость его в воде больше, чем у всех других газов: один объем воды поглощает при 20°С около 700 объемов аммиака, 10%-й раствор аммиака поступает в продажу под названием «нашатырный спирт». Он находит применение в медицине и в домашнем хозяйстве (при стирке белья, выведении пятен и т.д.). 18-20%-й раствор называется аммиачной водой и используется как удобрение.
Жидкий аммиак — хороший растворитель большинства органических и неорганических соединений.
Мировое производство аммиака ежегодно составляет около 90 млн.т. Его используют при получении азотной кислоты, азотосодержащих солей, соды, мочевины, синильной кислоты, удобрений, диазотипных светокопировальных материалов.
Перевозится в сжиженном состоянии под давлением. Предельно допустимые концентрации (ПДК) в воздухе населенных мест: среднесуточная и максимально разовая — 0,2 мг/м3, в рабочем помещении промышленного предприятия — 20 мг/м3. Если же его содержание в воздухе достигает 500 мг/м3, он опасен для вдыхания (возможен смертельный исход).
Вызывает поражение дыхательных путей. Признаки: насморк, кашель, затрудненное дыхание, удушье, учащается сердцебиение, нарастает частота пульса. Пары сильно раздражают слизистые оболочки и кожные покровы, вызывают жжение, покраснение и зуд кожи, резь в глазах, слезотечение. При соприкосновении жидкого аммиака и его растворов с кожей возникает обморожение, жжение, возможен ожог с пузырями, изъязвления.
Если поражение аммиаком все же произошло, следует немедленно вынести пострадавшего на свежий воздух. Транспортировать надо в лежачем положении. Необходимо обеспечить тепло и покой, дать увлажненный кислород. При отеке легких искусственное дыхание делать нельзя.
В случае аварии необходимо опасную зону изолировать, удалить людей и не допускать никого без средств защиты органов дыхания и кожи. Около зоны следует находиться с наветренной стороны. Место разлива нейтрализуют слабым раствором кислоты, промывают большим количеством воды. Если произошла утечка газообразного аммиака, то с помощью поливомоечных машин, авторазливочных станций, пожарных машин распыляют воду, чтобы поглотить пары.
Зоны заражения АХОВ
В большинстве случаев при аварии и разрушении емкости давление над жидкими веществами падает до атмосферного, АХОВ вскипает и выделяется в атмосферу в виде газа, пара или аэрозоля. Облако газа (пара, аэрозоля) АХОВ, образовавшееся в момент разрушения емкости в пределах первых 3 минут, называется первичным облаком зараженного воздуха. Оно распространяется на большие расстояния.
Таким образом, зона заражения АХОВ — это территория, зараженная ядовитыми веществами в опасных для жизни людей пределах (концентрациях).
Глубина зоны распространения зараженного воздуха зависит от концентрации АХОВ и скорости ветра. Например, при ветре 1 м/с за один час облако от места аварии удалится на 5 — 7 км, при 2 м/с — на 10 — 14, а при З м/с — на 16 — 21 км. Значительное увеличение скорости ветра (6-7 м/с и более) способствует его быстрому рассеиванию. Повышение температуры почвы и воздуха ускоряет испарение АХОВ, а следовательно, увеличивает концентрацию его над зараженной территорией. На глубину распространения АХОВ и величину его концентрации в значительной степени влияют вертикальные перемещения воздуха, как мы говорим, погодные условия.
Форма (вид) зоны заражения АХОВ в значительной мере зависит от скорости ветра. Так, например, при скорости менее 0,5 м/с она принимается за окружность, при скорости от 0,6 до 1 м/с — за полуокружность, при скорости от 1,1 м/с до 2 м/ с — за сектор с углом в 90°, при скорости более 2м/с — за сектор с углом в 45°.
Надо иметь в виду, что здания и сооружения городской застройки нагреваются солнечными лучами быстрее, чем расположенные в сельской местности. Поэтому в городе наблюдается интенсивное движение воздуха, связанное обычно с его притоком от периферии к центру по магистральным улицам. Это способствует проникновению АХОВ во дворы, тупики, подвальные помещения и создает повышенную опасность поражения населения. В целом можно считать, что стойкость АХОВ в городе выше, чем на открытой местности.
Вот почему все население, проживающее вблизи химически опасного объекта, должно знать, какие АХОВ используются на этом предприятии, какие ПДК установлены для рабочей зоны производственных помещений и для населенных пунктов, какие меры безопасности требуют неукоснительного соблюдения, какие средства и способы защиты надо использовать в различных аварийных ситуациях.
Защита от АХОВ
Защитой от АХОВ служат фильтрующие промышленные и гражданские противогазы, промышленные респираторы, изолирующие противогазы, убежища ГО.
Промышленные противогазы надежно предохраняют органы дыхания, глаза и лицо от поражения. Однако их используют только там, где в воздухе содержится не менее 18% кислорода, а суммарная объемная доля паро- и газообразных вредных примесей не превышает 0,5%.
Недопустимо применять промышленные противогазы для защиты от низкокипящих, плохо сорбирующихся органических веществ (метан, ацетилен, этилен и др.)
Если состав газов и паров неизвестен или их концентрация выше максимально допустимой, применяется только изолирующие противогазы ИП-4 и ИП-5.
Коробки промышленных противогазов строго специализированы по назначению (по составу поглотителей) и отличаются окраской и маркировкой. Некоторые из них изготавливаются с аэрозольными фильтрами, другие без них. Белая вертикальная полоса на коробке означает, что она оснащена фильтром.
Рассмотрим несколько примеров по основным АХОВ. Для защиты от хлора можно использовать промышленные противогазы марок А (коробка коричневого цвета), БКФ (защитного), В (желтого), Г (половина черная, половина желтая), а также гражданские противогазы ГП-5, ГП-7 и детские.
А если их нет? Тогда ватно-марлевую повязку, смоченную водой, а лучше 2%-м раствором питьевой соды.
От аммиака защищает противогаз с другой коробкой, марки КД (серого цвета) и промышленные респираторы РПГ-67КД, РУ-60МКД.
У них две сменных коробки (слева и справа). Они имеют ту же маркировку, что и противогазы. Надо помнить, что гражданские противогазы от аммиака не защищают. В крайнем случае надо воспользоваться ватно-марлевой повязкой, смоченной водой или 5%-м раствором лимонной кислоты.
Для защиты от АХОВ в очаге аварии используются в основном средства индивидуальной защиты кожи (СИЗК) изолирующего типа, общевойсковой защитный комплект ОЗК.
Для населения рекомендуются подручные средства защиты кожи в комплекте с противогазами. Это могут быть обычные непромокаемые накидки и плащи, а также пальто из плотного толстого материала, ватные куртки. Для ног — резиновые сапоги, боты, калоши. Для рук — все виды резиновых и кожаных перчаток и рукавицы.
В случае аварии с выбросом АХОВ убежища обеспечивают надежную защиту. Во-первых, если неизвестен вид вещества или его концентрация слишком велика, можно перейти на полную изоляцию (третий режим), можно также какое-то время находиться в помещении с постоянным объемом воздуха. Во-вторых, фильтропоглотители защитных сооружений препятствуют проникновению хлора, фосгена, сероводорода и многих других ядовитых веществ, обеспечивая безопасное пребывание людей.
В крайнем случае при распространении газов, которые тяжелее воздуха и стелются по земле, как хлор и сероводород, можно спасаться на верхних этажах зданий, плотно закрыв все щели в дверях, окнах, задраив вентиляционные отверстия.
Выходить из зоны заражения нужно в одну из сторон, перпендикулярную направлению ветра, ориентируясь на показания флюгера, развевание флага или любого другого куска материи, наклон деревьев на открытой местности.
Первая помощь пораженным АХОВ
Она складывается из двух частей. Первая — обязательная для всех случаев поражения, вторая — специфическая, зависящая от характера воздействия вредных веществ на организм человека.
Итак, общие требования. Надо как можно скорее прекратить воздействия АХОВ. Для этого необходимо надеть на пострадавшего противогаз и вынести его на свежий воздух, обеспечить полный покой и создать тепло. Расстегнуть ворот, ослабить поясной ремень. При возможности снять верхнюю одежду, которая может быть заражена парами хлора, сероводорода, фосгена или другого вещества.
Специфические. Например, при поражении хлором, чтобы смягчить раздражение дыхательных путей, следует дать вдыхать аэрозоль 0,5%-го раствора питьевой соды. Полезно также вдыхать кислород. Кожу и слизистые промывать 2%-м содовым раствором не менее 15 мин. Из-за удушающего действия хлора пострадавшему передвигаться самостоятельно нельзя. Транспортируют его только в лежачем положении. Если человек перестал дышать, надо немедленно сделать искусственное дыхание методом «изо рта в рот».
При поражении аммиаком пострадавшему следует дышать теплыми водяными парами 10%-го раствора ментола в хлороформе, дать теплое молоко с боржоми или содой. При удушье необходим кислород, при спазме голосовой щели — тепло на область шеи, теплые водяные ингаляции. Если произошел отек легких, искусственное дыхание делать нельзя. Слизистые и глаза промывать не менее 15 мин водой или 2%-м раствором борной кислоты. В глаза закапать 2-3 капли 30%-го раствора альбуцида, в нос — теплое оливковое, персиковое или вазелиновое масло. При поражении кожи обливают чистой водой, накладывают примочки из 5%-го раствора уксусной, лимонной или соляной кислоты.
Путь гликолиза представлен в общих чертах на и более подробно на панели 2-8 (стр. 124-125). Гликолиз включает в себя последовательность из 10 отдельных реакций, каждая из которых производит разные промежуточные сахара и каждая катализируется другим ферментом.Как и большинство ферментов, все эти ферменты имеют названия, оканчивающиеся на аза , подобно изомеру аза и дегидрогеназе , что указывает на тип реакции, которую они катализируют.
Рисунок 2-71
Схема гликолиза. Каждая из 10 показанных стадий катализируется другим ферментом. Обратите внимание, что на шаге 4 шестиуглеродный сахар расщепляется на два трехуглеродных сахара, так что количество молекул на каждом последующем этапе удваивается. Как указано, этап 6 (подробнее…)
Панель 2-8
Подробная информация о 10 этапах гликолиза.
Хотя молекулярный кислород не участвует в гликолизе, происходит окисление, при котором электроны удаляются NAD + (с образованием NADH) от некоторых атомов углерода, полученных из молекулы глюкозы. Ступенчатый характер процесса позволяет высвобождать энергию окисления небольшими порциями, так что большая ее часть может храниться в активированных молекулах-носителях, а не выделяться в виде тепла (см. Ресурсы). Таким образом, часть энергии, высвобождаемой при окислении, обеспечивает прямой синтез молекул АТФ из АДФ и P i , а часть остается с электронами в высокоэнергетическом переносчике электронов НАДН.
Две молекулы НАДН образуются на одну молекулу глюкозы в процессе гликолиза. В аэробных организмах (тех, которым для жизни необходим молекулярный кислород) эти молекулы НАДН отдают свои электроны цепи переноса электронов, описанной в главе 14, а НАД + , образованный из НАДН, снова используется для гликолиза (см. шаг 6 в Панель 2–8, стр. 124–125).
Ферментации позволяют производить АТФ в отсутствие кислорода
Для большинства животных и растительных клеток гликолиз является лишь прелюдией к третьему и последнему этапу распада пищевых молекул.В этих клетках пируват, образующийся на последнем этапе стадии 2, быстро транспортируется в митохондрии, где превращается в СО 2 плюс ацетил-КоА, который затем полностью окисляется до СО 2 и Н 2 O
Напротив, для многих анаэробных организмов, которые не используют молекулярный кислород и могут расти и делиться без него, гликолиз является основным источником клеточного АТФ. Это также верно для некоторых тканей животных, таких как скелетные мышцы, которые могут продолжать функционировать при ограничении молекулярного кислорода.В этих анаэробных условиях электроны пирувата и НАДН остаются в цитозоле. Пируват превращается в продукты, выделяемые из клетки, например, в этанол и СО 2 в дрожжах, используемых в пивоварении и выпечке хлеба, или в лактат в мышцах. В этом процессе НАДН отдает свои электроны и снова превращается в НАД + . Эта регенерация НАД + необходима для поддержания реакций гликолиза ().
Рисунок 2-72
Два пути анаэробного распада пирувата.(A) При недостатке кислорода, например, в мышечной клетке, подвергающейся энергичному сокращению, пируват, образующийся в результате гликолиза, превращается в лактат, как показано. Эта реакция регенерирует (подробнее…)
Подобные анаэробные пути выработки энергии называются ферментациями. Исследования коммерчески важных ферментаций, осуществляемых дрожжами, во многом вдохновили раннюю биохимию. Работа в девятнадцатом веке привела в 1896 году к поразительному тогда открытию, что эти процессы можно изучать вне живых организмов, в клеточных экстрактах.Это революционное открытие в конечном итоге позволило проанализировать и изучить каждую из отдельных реакций в процессе ферментации. Сбор воедино полного пути гликолиза в 1930-х годах был крупным триумфом биохимии, за которым вскоре последовало признание центральной роли АТФ в клеточных процессах. Таким образом, большинство фундаментальных концепций, обсуждаемых в этой главе, известны уже более 50 лет.
Гликолиз иллюстрирует, как ферменты связывают окисление с накоплением энергии (видеть ).Ферменты играют роль гребного колеса в нашей аналогии, и теперь мы вернемся к этапу гликолиза, который мы обсуждали ранее, чтобы проиллюстрировать, как именно происходят сопряженные реакции.
Две центральные реакции гликолиза (стадии 6 и 7) превращают трехуглеродный промежуточный сахар глицеральдегид-3-фосфат (альдегид) в 3-фосфоглицерат (карбоновую кислоту). Это влечет за собой окисление альдегидной группы до группы карбоновой кислоты, которое происходит в две стадии. Общая реакция высвобождает достаточно свободной энергии, чтобы преобразовать молекулу АДФ в АТФ и передать два электрона от альдегида к НАД + с образованием НАДН, в то же время выделяя достаточно тепла в окружающую среду, чтобы сделать общую реакцию энергетически выгодной (Δ ). G ° для суммарной реакции равно -3.0 ккал/моль).
Путь, по которому совершается этот выдающийся подвиг, описан в . Химические реакции управляются двумя ферментами, с которыми прочно связаны промежуточные соединения сахаров. Первый фермент ( глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа ) образует короткоживущую ковалентную связь с альдегидом через реакционноспособную -SH-группу фермента и катализирует окисление этого альдегида, пока еще находится в присоединенном состоянии. Высокоэнергетическая связь фермент-субстрат, созданная в результате окисления, затем замещается неорганическим ионом фосфата с образованием высокоэнергетического промежуточного продукта сахар-фосфат, который тем самым высвобождается из фермента.Это промежуточное соединение затем связывается со вторым ферментом ( фосфоглицераткиназа ). Этот фермент катализирует энергетически выгодный перенос только что созданного высокоэнергетического фосфата на АДФ, образуя АТФ и завершая процесс окисления альдегида в карбоновую кислоту (см. ).
Рисунок 2-73
Накопление энергии на этапах 6 и 7 гликолиза. На этих стадиях окисление альдегида до карбоновой кислоты сопряжено с образованием АТФ и НАДН. (A) Стадия 6 начинается с образования ковалентной связи между субстратом (глицеральдегидом (подробнее…)
Мы показали этот конкретный процесс окисления довольно подробно, потому что он представляет собой наглядный пример опосредованного ферментами накопления энергии посредством связанных реакций (). Эти реакции (этапы 6 и 7) являются единственными в гликолизе, которые создают высокоэнергетическую фосфатную связь непосредственно из неорганического фосфата. Как таковые, они объясняют чистый выход двух молекул АТФ и двух молекул НАДН на молекулу глюкозы (см. панель 2–8, стр. 124–125).
Рисунок 2-74
Схематическое изображение сопряженных реакций образования НАДН и АТФ на стадиях 6 и 7 гликолиза.Энергия окисления связи C-H приводит к образованию как НАДН, так и высокоэнергетической фосфатной связи. Затем разрыв высокоэнергетической связи приводит к образованию АТФ. (подробнее…)
Как мы только что видели, АТФ может легко образовываться из АДФ, когда образуются промежуточные продукты реакции с более энергичными фосфатными связями, чем в АТФ. Фосфатные связи можно упорядочить по энергии, сравнив стандартное изменение свободной энергии ( Δ G° ) для разрыва каждой связи гидролизом. сравнивает высокоэнергетические фосфоангидридные связи в АТФ с другими фосфатными связями, некоторые из которых образуются во время гликолиза.
Рисунок 2-75
Некоторые энергии фосфатных связей. Перенос фосфатной группы с любой молекулы 1 на любую молекулу 2 энергетически выгоден, если стандартное изменение свободной энергии (Δ G °) гидролиза фосфатной связи в молекуле 1 более отрицательно (подробнее…)
Сахара и жиры расщепляются до ацетил-КоА в митохондриях
Теперь мы переходим к рассмотрению стадии 3 катаболизма, процесса, который требует большого количества молекулярного кислорода (O 2 газа).Поскольку считается, что Земля создала атмосферу, содержащую газ O 2 , между одним и двумя миллиардами лет назад, в то время как многочисленные формы жизни, как известно, существовали на Земле в течение 3,5 миллиардов лет, использование O 2 в реакции, которые мы обсуждаем далее, считаются относительно недавними. Напротив, механизм, используемый для производства АТФ, не требует кислорода, и родственники этой изящной пары связанных реакций могли возникнуть очень рано в истории жизни на Земле.
В аэробном метаболизме пируват, образующийся в результате гликолиза, быстро декарбоксилируется гигантским комплексом из трех ферментов, называемым пируватдегидрогеназным комплексом . Продуктами декарбоксилирования пирувата являются молекула СО 2 (отход), молекула НАДН и ацетил-КоА. Трехферментный комплекс находится в митохондриях эукариотических клеток; его структура и способ действия описаны в .
Рисунок 2-76
Окисление пирувата до ацетил-КоА и СО 2 .(А) Структура комплекса пируватдегидрогеназы, который содержит 60 полипептидных цепей. Это пример большого мультиферментного комплекса, в котором промежуточные продукты реакции поступают непосредственно из (далее…)
Ферменты, расщепляющие жирные кислоты, полученные из жиров, также производят ацетил-КоА в митохондриях. Каждая молекула жирной кислоты (как активированная молекула жирного ацил-КоА ) полностью расщепляется циклом реакций, в ходе которого от карбоксильного конца отщепляется по два атома углерода за раз, образуя одну молекулу ацетил-КоА на каждый оборот цикла.В этом процессе также образуются молекула NADH и молекула FADH 2 ().
Рисунок 2-77
Окисление жирных кислот до ацетил-КоА. (А) Электронная микрофотография липидной капли в цитоплазме (вверху), и в структуре жиров (внизу). Жиры представляют собой триацилглицеролы. Часть глицерина, с которой три жирные кислоты связаны сложноэфирными связями, (подробнее…)
Сахара и жиры являются основными источниками энергии для большинства нефотосинтезирующих организмов, включая человека.Однако большая часть полезной энергии, которая может быть извлечена при окислении обоих типов пищевых продуктов, остается запасенной в молекулах ацетил-КоА, образующихся в результате только что описанных двух типов реакций. Таким образом, цикл реакций лимонной кислоты, в котором ацетильная группа в ацетил-КоА окисляется до CO 2 и H 2 O, занимает центральное место в энергетическом метаболизме аэробных организмов. У эукариот все эти реакции протекают в митохондриях, органеллах, в которые направляются пируват и жирные кислоты для производства ацетил-КоА.Поэтому не следует удивляться, обнаружив, что митохондрия — это место, где в клетках животных вырабатывается большая часть АТФ. Напротив, аэробные бактерии осуществляют все свои реакции в одном компартменте, цитозоле, и именно здесь в этих клетках происходит цикл лимонной кислоты.
Рисунок 2-78
Пути производства ацетил-КоА из сахаров и жиров. Митохондрия в эукариотических клетках — это место, где ацетил-КоА вырабатывается из обоих типов основных пищевых молекул.Поэтому именно здесь протекает большинство клеточных реакций окисления (подробнее…)
Цикл лимонной кислоты Генерирует НАДН путем окисления ацетильных групп до CO
2В девятнадцатом веке биологи заметили, что в отсутствие воздуха (анаэробные условия) клетки вырабатывают молочную кислоту (например, в мышцах) или этанол (например, в дрожжах), а в его присутствии (аэробные условия) потребляют О 2 и производят СО 2 и Н 2 О.Интенсивные усилия по определению путей аэробного метаболизма в конечном итоге сосредоточились на окислении пирувата и привели в 1937 году к открытию цикла лимонной кислоты, также известного как цикл трикарбоновых кислот или цикл Кребса . На цикл лимонной кислоты приходится около двух третей всего окисления соединений углерода в большинстве клеток, и его основными конечными продуктами являются CO 2 и высокоэнергетические электроны в форме НАДН. CO 2 высвобождается как побочный продукт, в то время как высокоэнергетические электроны от NADH передаются в связанную с мембраной цепь переноса электронов, в конечном итоге объединяясь с O 2 с образованием H 2 O.Хотя сам цикл лимонной кислоты не использует O 2 , ему требуется O 2 , чтобы продолжить, потому что у NADH нет другого эффективного способа избавиться от своих электронов и, таким образом, регенерировать NAD + , то есть необходимо для поддержания цикла.
Цикл лимонной кислоты, происходящий внутри митохондрий эукариотических клеток, приводит к полному окислению атомов углерода ацетильных групп в ацетил-КоА, превращая их в CO 2 .Но ацетильная группа не окисляется напрямую. Вместо этого эта группа переносится от ацетил-КоА к более крупной четырехуглеродной молекуле, оксалоацетату, , с образованием шестиуглеродной трикарбоновой кислоты, лимонной кислоты, , в честь которой назван последующий цикл реакций. Затем молекула лимонной кислоты постепенно окисляется, позволяя использовать энергию этого окисления для производства богатых энергией активированных молекул-носителей. Цепь из восьми реакций образует цикл, потому что в конце оксалоацетат регенерируется и вступает в новый виток цикла, как показано в схеме на рис.
Рисунок 2-79
Простой обзор цикла лимонной кислоты. Реакция ацетил-КоА с оксалоацетатом запускает цикл с образованием цитрата (лимонной кислоты). В каждом обороте цикла в качестве отходов образуется две молекулы CO 2 плюс три молекулы NADH, одна (подробнее…)
До сих пор мы обсуждали только один из трех типов активированных молекул-носителей. продуцируемые циклом лимонной кислоты, пара НАД + -НАДН (см. ).В дополнение к трем молекулам НАДН каждый оборот цикла также производит одну молекулу ФАДН 2 (восстановленный флавинадениндинуклеотид) из FAD и одна молекула рибонуклеотида GTP (гуанозинтрифосфат) из GDP. Структуры этих двух активированных молекул-носителей показаны на рис. ГТФ является близким родственником АТФ, и перенос его концевой фосфатной группы на АДФ приводит к образованию одной молекулы АТФ в каждом цикле. Как и NADH, FADH 2 является переносчиком высокоэнергетических электронов и водорода.Как мы вскоре обсудим, энергия, запасенная в легко переносимых высокоэнергетических электронах НАДН и ФАДН 2 , будет впоследствии использована для производства АТФ в процессе окислительного фосфорилирования, единственного этапа окислительного катаболизма пищевых продуктов. для этого непосредственно требуется газообразный кислород (O 2 ) из атмосферы.
Рисунок 2-80
Структуры GTP и FADH 2 . (A) GTP и GDP являются близкими родственниками АТФ и АДФ соответственно.(B) FADH 2 является переносчиком атомов водорода и высокоэнергетических электронов, таких как NADH и NADPH. Он показан здесь в окисленной форме (FAD) с переносчиком водорода (подробнее…)
Полный цикл лимонной кислоты представлен на панелях 2-9 (стр. 126–127). Дополнительные атомы кислорода, необходимые для образования CO 2 из ацетильных групп, входящих в цикл лимонной кислоты, поставляются не молекулярным кислородом, а водой. Как показано на рисунке, в каждом цикле расщепляются три молекулы воды, и атомы кислорода некоторых из них в конечном итоге используются для образования CO 2 .
Помимо пирувата и жирных кислот некоторые аминокислоты переходят из цитозоля в митохондрии, где также превращаются в ацетил-КоА или один из других промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты. Таким образом, в эукариотической клетке митохондрия является центром, к которому ведут все энергетические процессы, начинаются ли они с сахаров, жиров или белков.
Цикл лимонной кислоты также служит отправной точкой для важных биосинтетических реакций, производя жизненно важные углеродсодержащие промежуточные продукты, такие как оксалоацетат и α-кетоглутарат. Некоторые из этих веществ, образующихся в результате катаболизма, переносятся обратно из митохондрий в цитозоль, где они служат в анаболических реакциях предшественниками для синтеза многих незаменимых молекул, таких как аминокислоты.
Электронный транспорт управляет синтезом большей части АТФ в большинстве клеток
Именно на последнем этапе деградации молекулы пищи высвобождается основная часть ее химической энергии. В этом заключительном процессе переносчики электронов НАДН и ФАДН 2 передают электроны, полученные ими при окислении других молекул, на электрон-транспортную цепь, встроенную во внутреннюю мембрану митохондрии.Когда электроны проходят по этой длинной цепи специализированных молекул-акцепторов и доноров электронов, они последовательно переходят в более низкие энергетические состояния. Энергия, которую высвобождают электроны в этом процессе, используется для перекачивания ионов H + (протонов) через мембрану — из внутреннего митохондриального компартмента наружу (). Таким образом создается градиент ионов H + . Этот градиент служит источником энергии, используемой как батарея для управления различными реакциями, требующими энергии.Наиболее известной из этих реакций является образование АТФ путем фосфорилирования АДФ.
Рисунок 2-81
Генерация градиента H + через мембрану в результате реакций переноса электронов. Высокоэнергетический электрон (полученный, например, в результате окисления метаболита) последовательно передается переносчиками А, В и С в более низкое энергетическое состояние. На этой диаграмме (подробнее…)
В конце этой серии переносов электроны передаются молекулам газообразного кислорода (O 2 ), которые диффундировали в митохондрии, которые одновременно соединяются с протонами (H + ) из окружающего раствора с образованием молекул воды.Электроны теперь достигли своего самого низкого энергетического уровня, и поэтому вся доступная энергия была извлечена из окисляемой пищевой молекулы. Этот процесс, называемый окислительным фосфорилированием, также происходит в плазматической мембране бактерий. Как одно из самых замечательных достижений клеточной эволюции, оно станет центральной темой главы 14.
Рисунок 2-82
Заключительные стадии окисления пищевых молекул. Молекулы НАДН и ФАДН 2 (ФАДН 2 не показаны) образуются в цикле лимонной кислоты.Эти активированные носители отдают высокоэнергетические электроны, которые в конечном итоге используются для восстановления газообразного кислорода до воды. A major (подробнее…)
В общей сложности полное окисление молекулы глюкозы до H 2 O и CO 2 используется клеткой для производства около 30 молекул АТФ. Напротив, только 2 молекулы АТФ образуются на молекулу глюкозы только за счет гликолиза.
Организмы хранят молекулы пищи в специальных резервуарах
Всем организмам необходимо поддерживать высокое соотношение АТФ/АДФ, если необходимо поддерживать биологический порядок в их клетках.Тем не менее животные имеют лишь периодический доступ к пище, а растениям необходимо выживать в течение ночи без солнечного света, без возможности производства сахара в результате фотосинтеза. По этой причине и растения, и животные превращают сахара и жиры в специальные формы для хранения ().
Рисунок 2-83
Хранение сахаров и жиров в животных и растительных клетках. (A) Структуры крахмала и гликогена, формы хранения сахаров у растений и животных соответственно. Оба являются запасными полимерами сахарной глюкозы и различаются только частотой разветвления (больше…)
Чтобы компенсировать длительное голодание, животные запасают жирные кислоты в виде капелек жира, состоящих из нерастворимых в воде триацилглицеролов, преимущественно в специализированных жировых клетках. А для более краткосрочного хранения сахар запасается в виде субъединиц глюкозы в большом разветвленном полисахариде гликогене, который присутствует в виде мелких гранул в цитоплазме многих клеток, включая печень и мышцы. Синтез и расщепление гликогена быстро регулируются в зависимости от потребности. Когда требуется больше АТФ, чем может быть произведено из пищевых молекул, поступающих из кровотока, клетки расщепляют гликоген в результате реакции, в результате которой образуется глюкозо-1-фосфат, который вступает в гликолиз.
В количественном отношении жир является гораздо более важной формой хранения, чем гликоген, отчасти потому, что при окислении грамма жира высвобождается примерно в два раза больше энергии, чем при окислении грамма гликогена. Кроме того, гликоген отличается от жира тем, что связывает большое количество воды, что приводит к шестикратной разнице в фактической массе гликогена, необходимой для хранения того же количества энергии, что и жир. Средний взрослый человек хранит достаточно гликогена только для одного дня нормальной деятельности, но достаточно жира, чтобы его хватило почти на месяц.Если бы наш основной топливный резервуар должен был быть гликогеном, а не жиром, вес тела должен был бы увеличиться в среднем примерно на 60 фунтов.
Большая часть нашего жира хранится в жировой ткани, из которой он высвобождается в кровоток для использования другими клетками по мере необходимости. Потребность возникает после периода воздержания от еды; даже обычное ночное голодание приводит к мобилизации жира, так что утром большая часть ацетил-КоА, поступающего в цикл лимонной кислоты, образуется из жирных кислот, а не из глюкозы.Однако после еды большая часть ацетил-КоА, поступающего в цикл лимонной кислоты, поступает из глюкозы, получаемой из пищи, и любой избыток глюкозы используется для пополнения истощенных запасов гликогена или для синтеза жиров. (В то время как животные клетки легко превращают сахара в жиры, они не могут превращать жирные кислоты в сахара.)
Хотя растения производят НАДФН и АТФ путем фотосинтеза, этот важный процесс происходит в специализированной органелле, называемой хлоропластом, которая изолирована от остальной части растительная клетка мембраной, непроницаемой для обоих типов активированных молекул-носителей.Кроме того, в растении есть много других клеток, например, в корнях, в которых отсутствуют хлоропласты, и поэтому они не могут производить собственные сахара или АТФ. Следовательно, для производства большей части АТФ растение использует экспорт сахаров из своих хлоропластов в митохондрии, расположенные во всех клетках растения. Большая часть АТФ, необходимой растению, синтезируется в этих митохондриях и экспортируется из них в остальную часть растительной клетки, используя точно такие же пути окислительного расщепления сахаров, которые используются нефотосинтезирующими организмами.
Рисунок 2-84
Как производится АТФ, необходимый для метаболизма большинства растительных клеток. У растений хлоропласты и митохондрии совместно снабжают клетки метаболитами и АТФ.
В периоды избыточной фотосинтетической способности в течение дня хлоропласты превращают часть производимых ими сахаров в жиры и в крахмал — полимер глюкозы, аналогичный гликогену животных. Жиры в растениях представляют собой триацилглицеролы, как и жиры в животных, и различаются только типами преобладающих жирных кислот.Жир и крахмал хранятся в хлоропластах в качестве резервуаров для мобилизации в качестве источника энергии в периоды темноты (см. ).
Эмбрионы внутри семян растений должны жить за счет накопленных источников энергии в течение длительного периода времени, пока они не прорастут и не произведут листья, которые смогут собирать энергию солнечного света. По этой причине семена растений часто содержат особенно большое количество жиров и крахмала, что делает их основным источником пищи для животных, в том числе и для нас самих.
Рисунок 2-85
Семена некоторых растений, которые являются важной пищей для человека.Кукуруза, орехи и горох содержат богатые запасы крахмала и жира, которые обеспечивают зародыш молодого растения в семени энергией и строительными блоками для биосинтеза. (С любезного разрешения Фонда Джона Иннеса.) (подробнее…)
Аминокислоты и нуклеотиды являются частью азотного цикла
До сих пор в нашем обсуждении мы концентрировались в основном на углеводном обмене. Мы еще не рассматривали метаболизм азота или серы. Эти два элемента входят в состав белков и нуклеиновых кислот, которые являются двумя наиболее важными классами макромолекул в клетке и составляют примерно две трети ее сухого веса.Атомы азота и серы переходят от соединения к соединению и между организмами и окружающей их средой в серии обратимых циклов.
Хотя молекулярный азот в изобилии содержится в атмосфере Земли, азот химически неактивен в виде газа. Лишь немногие живые виды способны включать его в органические молекулы, этот процесс называется фиксацией азота. Фиксация азота происходит у некоторых микроорганизмов и при некоторых геофизических процессах, например при разряде молнии. Он необходим для биосферы в целом, ибо без него не было бы жизни на этой планете.Однако лишь небольшая часть азотистых соединений в современных организмах обусловлена свежими продуктами фиксации азота из атмосферы. Большая часть органического азота уже некоторое время находится в обращении, переходя от одного живого организма к другому. Таким образом, можно сказать, что современные азотфиксирующие реакции выполняют функцию «пополнения» общего запаса азота.
Позвоночные животные получают практически весь азот с пищей, содержащей белки и нуклеиновые кислоты. В организме эти макромолекулы расщепляются на аминокислоты и компоненты нуклеотидов, а содержащийся в них азот используется для производства новых белков и нуклеиновых кислот или используется для создания других молекул.Около половины из 20 аминокислот, содержащихся в белках, являются незаменимыми аминокислотами для позвоночных (), что означает, что они не могут быть синтезированы из других ингредиентов рациона. Другие могут быть синтезированы таким образом с использованием различных исходных материалов, включая промежуточные продукты цикла лимонной кислоты, как описано ниже. Незаменимые аминокислоты производятся беспозвоночными организмами, как правило, длительными и энергетически затратными путями, утраченными в ходе эволюции позвоночных.
Рисунок 2-86
Девять незаменимых аминокислот.Они не могут быть синтезированы клетками человека и поэтому должны поступать с пищей.
Нуклеотиды, необходимые для производства РНК и ДНК, могут быть синтезированы с использованием специализированных путей биосинтеза: не существует «необходимых нуклеотидов», которые должны поступать с пищей. Все атомы азота в пуриновых и пиримидиновых основаниях (а также некоторые атомы углерода) получены из многочисленных аминокислот глутамина, аспарагиновой кислоты и глицина, тогда как сахара рибозы и дезоксирибозы получены из глюкозы.
Аминокислоты, которые не используются в биосинтезе, могут окисляться для получения метаболической энергии. Большинство их атомов углерода и водорода в конечном итоге образуют CO 2 или H 2 O, тогда как их атомы азота проходят через различные формы и в конечном итоге появляются в виде мочевины, которая выводится из организма. Каждая аминокислота обрабатывается по-своему, и для их катаболизма существует целая совокупность ферментативных реакций.
Многие пути биосинтеза начинаются с гликолиза или цикла лимонной кислоты
Катаболизм производит как энергию для клетки, так и строительные блоки, из которых состоят многие другие молекулы клетки (см. ).До сих пор в наших дискуссиях о гликолизе и цикле лимонной кислоты основное внимание уделялось производству энергии, а не предоставлению исходных материалов для биосинтеза. Но многие из промежуточных продуктов, образующихся в этих путях реакции, также перекачиваются другими ферментами, которые используют их для производства аминокислот, нуклеотидов, липидов и других небольших органических молекул, в которых нуждается клетка. Некоторое представление о сложности этого процесса можно получить из рисунка, который иллюстрирует некоторые ответвления от центральных катаболических реакций, ведущих к биосинтезу.
Рисунок 2-87
Гликолиз и цикл лимонной кислоты дают предшественники, необходимые для синтеза многих важных биологических молекул. Аминокислоты, нуклеотиды, липиды, сахара и другие молекулы, представленные здесь как продукты, в свою очередь служат предшественниками (подробнее…)
Существование стольких ветвящихся путей в клетке требует, чтобы выбор в каждой ветви быть тщательно отрегулированы, как мы обсудим далее.
Метаболизм организован и регулируется
О сложности клетки как химической машины можно судить по взаимосвязи гликолиза и цикла лимонной кислоты с другими метаболическими путями, описанными в .Этот тип диаграммы, который использовался ранее в этой главе для введения метаболизма, представляет только некоторые из ферментативных путей в клетке. Очевидно, что наше обсуждение клеточного метаболизма касается лишь небольшой части клеточной химии.
Рисунок 2-88
Гликолиз и цикл лимонной кислоты находятся в центре метаболизма. Около 500 метаболических реакций типичной клетки показаны схематически с реакциями гликолиза и цикла лимонной кислоты красным цветом . Другие реакции ведут к этим двум (подробнее…)
Все эти реакции происходят в клетке диаметром менее 0,1 мм, и для каждой требуется свой фермент. Как видно из , одна и та же молекула часто может быть частью многих различных путей. Пируват, например, является субстратом для полудюжины или более различных ферментов, каждый из которых химически модифицирует его по-своему. Один фермент превращает пируват в ацетил-КоА, другой — в оксалоацетат; третий фермент превращает пируват в аминокислоту аланин, четвертый — в лактат и так далее.Все эти разные пути конкурируют за одну и ту же молекулу пирувата, и одновременно происходят аналогичные соревнования за тысячи других малых молекул. Возможно, лучше понять эту сложность можно с помощью трехмерной метаболической карты, которая позволяет установить более прямые связи между путями (4).
Рисунок 2-89
Представление всех известных метаболических реакций с участием малых молекул в дрожжевой клетке. Как и на рис. 2-88, реакции гликолиза и цикла лимонной кислоты выделены красным цветом . Эта метаболическая карта необычна тем, что использует трехмерное изображение, (подробнее…)
В многоклеточном организме ситуация еще более усложняется. Разным типам клеток в целом потребуются несколько разные наборы ферментов. И разные ткани вносят различный вклад в химию организма в целом. В дополнение к различиям в специализированных продуктах, таких как гормоны или антитела, существуют значительные различия в «общих» метаболических путях между различными типами клеток одного и того же организма.
Хотя практически все клетки содержат ферменты гликолиза, цикла лимонной кислоты, синтеза и распада липидов и метаболизма аминокислот, уровни этих процессов, необходимых в разных тканях, неодинаковы. Например, нервные клетки, которые, вероятно, являются самыми привередливыми клетками в организме, почти не имеют запасов гликогена или жирных кислот и почти полностью зависят от постоянного поступления глюкозы из кровотока. Напротив, клетки печени снабжают глюкозой активно сокращающиеся мышечные клетки и перерабатывают молочную кислоту, вырабатываемую мышечными клетками, обратно в глюкозу.Все типы клеток имеют свои отличительные черты метаболизма, и они широко взаимодействуют в нормальном состоянии, а также в ответ на стресс и голодание. Можно подумать, что вся система должна быть настолько точно сбалансирована, что любое незначительное нарушение, такое как временное изменение рациона питания, будет иметь катастрофические последствия.
Рисунок 2-90
Схематическое изображение метаболического взаимодействия между клетками печени и мышц. Основным топливом активно сокращающихся мышечных клеток является глюкоза, большая часть которой поставляется клетками печени.Молочная кислота, конечный продукт анаэробного распада глюкозы путем гликолиза (подробнее…)
На самом деле, метаболический баланс клетки удивительно стабилен. Всякий раз, когда равновесие нарушается, клетка реагирует так, чтобы восстановить исходное состояние. Клетка может адаптироваться и продолжать функционировать во время голодания или болезни. Мутации многих видов могут повреждать или даже уничтожать определенные пути реакций, и тем не менее — при соблюдении определенных минимальных требований — клетка выживает. Это происходит потому, что сложная сеть из 90 813 механизмов управления 90 814 регулирует и координирует скорость всех его реакций.В конечном счете, этот контроль основан на замечательной способности белков изменять свою форму и свой химический состав в ответ на изменения в их непосредственном окружении. Следующей нашей задачей станут принципы, лежащие в основе построения больших молекул, таких как белки, и химия, стоящая за их регуляцией.
Резюме
Глюкоза и другие молекулы пищевых продуктов расщепляются контролируемым ступенчатым окислением с получением химической энергии в виде АТФ и НАДН. Это три основных набора реакций, которые действуют последовательно, продукты каждого из которых являются исходным материалом для следующего: гликолиз (который происходит в цитозоле), цикл лимонной кислоты (в митохондриальном матриксе) и окислительное фосфорилирование (на внутренняя митохондриальная мембрана).Промежуточные продукты гликолиза и цикла лимонной кислоты используются как в качестве источников метаболической энергии, так и для производства многих малых молекул, используемых в качестве сырья для биосинтеза. Клетки хранят молекулы сахара в виде гликогена у животных и крахмала у растений; как растения, так и животные также широко используют жиры в качестве продовольственного запаса. Эти материалы для хранения, в свою очередь, служат основным источником пищи для людей, наряду с белками, составляющими большую часть сухой массы клеток, которые мы едим.
Уголь | Национальное географическое общество
Уголь — это черная или коричневато-черная осадочная порода, которую можно сжигать в качестве топлива и использовать для выработки электроэнергии. Он состоит в основном из углерода и углеводородов, содержащих энергию, которая может выделяться при сгорании (сгорании).
Уголь является крупнейшим источником энергии для производства электроэнергии в мире и самым распространенным ископаемым топливом в Соединенных Штатах.
Ископаемое топливо образуется из останков древних организмов.Поскольку на разработку угля уходят миллионы лет, а его количество ограничено, это невозобновляемый ресурс.
Условия, которые в конечном итоге привели к образованию угля, начали формироваться около 300 миллионов лет назад, в каменноугольный период. В это время Земля была покрыта широкими, мелкими морями и густыми лесами. Моря время от времени затопляли лесные массивы, задерживая растения и водоросли на дне болотистой заболоченной местности. Со временем растения (в основном мхи) и водоросли были погребены и спрессованы под тяжестью вышележащего ила и растительности.
По мере того, как растительные остатки просеивались глубже под поверхность Земли, они столкнулись с повышением температуры и повышением давления. Грязь и кислая вода препятствовали контакту растительного вещества с кислородом. Из-за этого растительное вещество разлагалось очень медленно и сохраняло большую часть своего углерода (источника энергии).
Эти участки захороненных растений называются торфяными болотами. Торфяные болота хранят огромное количество углерода на много метров под землей. Сам торф можно сжигать в качестве топлива, и он является основным источником тепловой энергии в таких странах, как Шотландия, Ирландия и Россия.
При определенных условиях торф превращается в уголь посредством процесса, называемого карбонизацией. Карбонизация происходит при невероятной температуре и давлении. Около 3 метров (10 футов) слоистой растительности в конечном итоге сжимаются в треть метра (1 фут) угля!
Уголь находится в подземных формациях, называемых «угольными пластами» или «угольными пластами». Угольный пласт может иметь толщину до 30 метров (90 футов) и простираться на 1500 километров (920 миль).
Угольные пласты есть на каждом континенте.Крупнейшие запасы угля находятся в США, России, Китае, Австралии и Индии.
В США уголь добывают в 25 штатах и трех крупных регионах. В Западном угольном регионе Вайоминг является ведущим производителем — около 40% добываемого в стране угля добывается в штате. Более одной трети национального угля поступает из Аппалачского угольного региона, который включает Западную Вирджинию, Вирджинию, Теннесси и Кентукки. Уголь, добываемый в Техасе во Внутреннем угольном регионе, поставляется в основном на местные рынки.
Типы угля
Уголь сильно отличается от минеральных пород, которые состоят из неорганического материала. Уголь состоит из хрупкого растительного материала и претерпевает множество изменений, прежде чем становится знакомым черным и блестящим веществом, сжигаемым в качестве топлива.
Уголь проходит различные фазы карбонизации на протяжении миллионов лет, и его можно найти на всех стадиях разработки в разных частях мира.
Уголь ранжируется в зависимости от того, насколько сильно он изменился с течением времени.Закон Хилта гласит, что чем глубже угольный пласт, тем выше его ранг. На большей глубине материал сталкивается с более высокими температурами и давлением, и больше растительных остатков превращается в углерод.
Торф
Торф — это не уголь, но при определенных обстоятельствах он может превратиться в уголь. Торф представляет собой скопление частично сгнившей растительности, прошедшей небольшую карбонизацию.
Однако торф по-прежнему считается частью «семейства» угля, потому что он содержит энергию, которую содержали его исходные растения.Он также содержит большое количество летучих веществ и газов, таких как метан и ртуть, которые при сжигании представляют опасность для окружающей среды.
Торф сохраняет достаточно влаги, чтобы быть губчатым. Он может поглощать воду и расширять болото, образуя больше торфа. Это делает его ценной защитой окружающей среды от наводнений. Торф также можно интегрировать в почву, чтобы помочь ей удерживать и медленно высвобождать воду и питательные вещества. По этой причине торф и так называемый «торфяной мох» представляют ценность для садоводов.
Торф является важным источником энергии во многих странах, включая Ирландию, Шотландию и Финляндию, где его обезвоживают и сжигают для получения тепла.
Бурый уголь
Бурый уголь представляет собой уголь низшего сорта. Он обуглен до состояния торфа, но содержит небольшое количество энергии — содержание углерода в нем составляет около 25–35%. Он происходит из относительно молодых угольных месторождений, возраст которых составляет около 250 миллионов лет.
Бурый уголь, рассыпчатая коричневая порода, также называемая бурым углем или углем с бутонами розы, удерживает больше влаги, чем другие виды угля. Это делает добычу, хранение и транспортировку дорогими и опасными. Он подвержен случайному возгоранию и имеет очень высокие выбросы углерода при сжигании.Большая часть бурого угля используется на электростанциях очень близко к месту его добычи.
Бурый уголь в основном сжигают и используют для производства электроэнергии. В Германии и Греции бурый уголь обеспечивает 25-50% электроэнергии, вырабатываемой углем. В США месторождения бурого угля вырабатывают электроэнергию в основном в штатах Северная Дакота и Техас.
Полубитуминозный уголь
Полубитуминозный уголь имеет возраст около 100 миллионов лет. Он содержит больше углерода, чем лигнит, около 35-45%. Во многих частях мира полубитуминозный уголь считается «бурым углем» наряду с лигнитом.Как и лигнит, суббитуминозный уголь в основном используется в качестве топлива для производства электроэнергии.
Большая часть полубитуминозного угля в США добывается в штате Вайоминг и составляет около 47% всего угля, добываемого в США. За пределами США Китай является ведущим производителем полубитуминозного угля.
Битуминозный уголь
Битуминозный уголь образуется при большем нагреве и давлении, и ему от 100 до 300 миллионов лет. Он назван в честь липкого смолоподобного вещества, называемого битумом, которое также содержится в нефти.Он содержит около 45-86% углерода.
Уголь представляет собой осадочную горную породу, и битуминозный уголь часто содержит «полосы» или полосы различной консистенции, которые отмечают слои спрессованного растительного материала.
Битуминозный уголь делится на три основных типа: кузнечный уголь, каннельный уголь и коксующийся уголь. Кузнечный уголь имеет очень низкую зольность и идеально подходит для кузнечных горнов, где металл нагревают и формуют.
Каннельский уголь широко использовался в качестве источника каменноугольного масла в 19 веке.Угольное масло производится путем нагревания каннельского угля с контролируемым количеством кислорода, этот процесс называется пиролизом. Угольное масло использовалось в основном в качестве топлива для уличных фонарей и другого освещения. Широкое использование керосина сократило использование каменноугольного топлива в 20 веке.
Коксующийся уголь используется в крупномасштабных промышленных процессах. Уголь коксуется, процесс нагревания породы в отсутствие кислорода. Это снижает содержание влаги и делает продукт более стабильным. Сталелитейная промышленность зависит от коксующегося угля.
Битуминозный уголь составляет почти половину всего угля, используемого для производства энергии в Соединенных Штатах. В основном его добывают в Кентукки, Пенсильвании и Западной Вирджинии. За пределами США такие страны, как Россия и Колумбия, используют битуминозный уголь для производства энергии и промышленного топлива.
Антрацит
Антрацит – уголь высшего сорта. Он имеет наибольшее количество углерода, до 97%, и поэтому содержит больше всего энергии. Он тверже, плотнее и блестяще, чем другие виды угля.Почти вся вода и двуокись углерода были вытеснены, и он не содержит мягких или волокнистых участков, присутствующих в битуминозном угле или лигните.
Поскольку антрацит — высококачественный уголь, он горит чисто, с очень небольшим количеством сажи. Он дороже других углей и редко используется на электростанциях. Вместо этого антрацит в основном используется в печах и печах.
Антрацит также используется в системах фильтрации воды. У него более мелкие поры, чем у песка, поэтому задерживается больше вредных частиц.Это делает воду более безопасной для питья, санитарии и промышленности.
Антрацит обычно можно найти в географических районах, которые подверглись особенно напряженной геологической деятельности. Например, запасы угля на плато Аллегейни в Кентукки и Западной Вирджинии простираются до подножия Аппалачей. Здесь процесс орогенеза, или горообразования, способствовал достаточно высоким температурам и давлению для создания антрацита.
Китай доминирует в добыче антрацита, на его долю приходится почти три четверти производства антрацитового угля.Другие страны-производители антрацита включают Россию, Украину, Вьетнам и США (в основном Пенсильванию).
Графит
Графит является аллотропом углерода, то есть представляет собой вещество, состоящее только из атомов углерода. (Алмаз — еще один аллотроп углерода.) Графит — заключительная стадия процесса карбонизации.
Графит хорошо проводит электричество и обычно используется в литий-ионных батареях. Графит также может выдерживать температуры до 3000 ° по Цельсию (5400 ° по Фаренгейту).Его можно использовать в таких продуктах, как огнестойкие двери и детали ракет, такие как носовые обтекатели. Однако наиболее известное использование графита, вероятно, — это карандашные «грифели».
Китай, Индия и Бразилия являются ведущими мировыми производителями графита.
Добыча угля
Уголь можно добывать из недр открытым или подземным способом. После извлечения угля его можно использовать непосредственно (для отопления и промышленных процессов) или в качестве топлива для электростанций.
Открытая добыча
Если уголь находится на глубине менее 61 метра (200 футов), его можно добывать открытым способом.
При добыче открытым способом рабочие просто удаляют любые вышележащие отложения, растительность и скальные породы, называемые вскрышными породами. С экономической точки зрения открытая добыча является более дешевым вариантом добычи угля, чем подземная. На одного рабочего в час можно добыть примерно в два с половиной раза больше угля, чем при подземной добыче.
Открытая добыча полезных ископаемых оказывает огромное воздействие на окружающую среду.Ландшафт буквально разрывается, уничтожая места обитания и целые экосистемы. Открытая добыча полезных ископаемых также может вызывать оползни и проседания (когда земля начинает проседать или проваливаться). Токсичные вещества, попадающие в воздух, водоносные горизонты и грунтовые воды, могут представлять опасность для здоровья местных жителей.
В Соединенных Штатах Закон о контроле за открытыми разработками и рекультивации от 1977 года регулирует процесс добычи угля и направлен на ограничение вредного воздействия на окружающую среду. Закон предоставляет средства для решения этих проблем и очистки заброшенных участков добычи полезных ископаемых.
Существует три основных типа открытой добычи угля: добыча открытым способом, добыча открытым способом и добыча на вершинах гор (MTR).
Открытая разработка: Открытая разработка
Открытая разработка используется там, где угольные пласты расположены очень близко к поверхности и могут быть удалены массивными пластами или полосами. Вскрышу обычно удаляют с помощью взрывчатки и отбуксируют с помощью некоторых из самых больших транспортных средств, когда-либо созданных. Самосвалы, используемые на карьерах, часто весят более 300 тонн и имеют мощность более 3000 лошадиных сил.
Открытые горные работы можно использовать как на равнинных, так и на холмистых ландшафтах. Открытая разработка в горной местности называется контурной разработкой. Контурная добыча следует по гребням или контурам вокруг холма.
Открытая разработка: открытая разработка
Открытая разработка используется, когда уголь залегает глубже под землей. Яма, иногда называемая займом, выкапывается на участке. Эта яма становится карьером, иногда называемым карьером. Карьеры могут расширяться до огромных размеров, пока не будет выработано угольное месторождение или стоимость транспортировки вскрышных пород не превысит инвестиции в шахту.
Добыча открытым способом обычно ограничивается плоскогорьем. После того, как шахта истощена, яму иногда превращают в свалку.
Открытые горные работы: MTR
Во время горных работ (MTR) вся вершина горы очищается от вскрышных пород: камней, деревьев и верхнего слоя почвы.
Вскрышу часто вывозят в близлежащие долины, за что этот процесс получил прозвище «засыпка долины». После того, как вершина очищена от растительности, для обнажения угольного пласта используется взрывчатка.
После того, как уголь извлечен, вершина лепится из вскрыши со следующей горной вершины, которую предстоит добывать. По закону ценный верхний слой почвы должен быть сохранен и заменен после завершения добычи. Бесплодную землю можно засадить деревьями и другой растительностью.
Удаление горных вершин началось в 1970-х годах как дешевая альтернатива подземной добыче полезных ископаемых. В настоящее время он используется для добычи угля в основном в Аппалачах в США, в штатах, включая Вирджинию, Западную Вирджинию, Теннесси и Кентукки.
MTR, пожалуй, самый противоречивый метод добычи угля. Последствия для окружающей среды радикальны и серьезны. Водные пути перекрыты или загрязнены засыпкой долины. Места обитания разрушены. Токсичные побочные продукты добычи полезных ископаемых и взрывных работ могут попадать в местные водоемы и загрязнять воздух.
Подземная добыча
Большая часть мировых запасов угля находится глубоко под землей. Подземная добыча, иногда называемая глубокой добычей, представляет собой процесс, при котором уголь добывается глубоко под поверхностью Земли, иногда на глубине до 300 метров (1000 футов).Шахтеры спускаются на лифте по стволу шахты, чтобы добраться до глубины шахты, и управляют тяжелой техникой, которая извлекает уголь и перемещает его над землей.
Непосредственное воздействие подземной добычи на окружающую среду кажется менее значительным, чем наземная разработка. Вскрышных пород мало, но при подземных горных работах остаются значительные хвосты. Хвосты представляют собой часто токсичные остатки, оставшиеся после процесса отделения угля от пустой породы или экономически неважных полезных ископаемых. Токсичные угольные хвосты могут загрязнять местные источники воды.
Для шахтеров подземная добыча опасна. Подземные взрывы, удушье от нехватки кислорода или воздействие ядовитых газов — вполне реальная угроза.
Чтобы предотвратить накопление газов, метан должен постоянно удаляться из подземных шахт, чтобы обеспечить безопасность горняков. В 2009 г. около 10% выбросов метана в США приходилось на вентиляцию подземных шахт; 2% приходится на добычу открытым способом.
Существует три основных типа подземной добычи угля: разработка длинными забоями, камерно-столбовая разработка и отход.
Подземная добыча: разработка длинными забоями
При разработке длинными забоями горняки срезают огромные пласты угля толщиной около 1 метра (3 фута), длиной 3-4 километра (2-2,5 мили) и 250-400 метров ( 800-1300 футов) в ширину. Панели перемещаются конвейерной лентой обратно на поверхность.
Крыша шахты поддерживается гидравлическими опорами, известными как колодки. По мере продвижения мины продвигаются и клинья. Область за клиньями обрушивается.
Разработка длинными забоями является одним из старейших методов добычи угля.До широкого использования конвейерных лент пони спускались по глубоким узким каналам и вытаскивали уголь обратно на поверхность.
Сегодня почти треть американских угольных шахт используют разработку длинными забоями. За пределами США этот показатель еще выше. В Китае, крупнейшем в мире производителе угля, более 85% угля добывается лавовым способом.
Подземная добыча: камерно-столбовая
При камерно-столбовой добыче горняки вырезают «комнату» из угля.Колонны (столбы) из угля поддерживают перекрытие и вскрышные породы. Комнаты имеют ширину около 9 метров (30 футов), а опорные столбы могут быть шириной 30 метров (100 футов).
Существует два типа камерно-столбовой разработки: традиционная и непрерывная. В обычной добыче полезных ископаемых используются взрывчатые вещества и режущие инструменты. При непрерывной добыче уголь извлекается сложной машиной, называемой комбайном непрерывного действия.
В США в большинстве камерно-столбовых горных работ используется комбайн непрерывного действия. В развивающихся странах камерно-столбовые угольные шахты используют традиционный метод.
Подземная добыча: отступная добыча
Отступная добыча — это разновидность камерно-столбовой разработки. Когда весь доступный уголь извлечен из комнаты, горняки покидают комнату, осторожно разрушают столбы и позволяют обрушиться потолку. Остатки гигантских столбов дают еще больше угля.
Отступная добыча может быть самым опасным методом добычи. На оставшиеся столбы оказывается большая нагрузка, и если их не вытащить в точном порядке, они могут рухнуть и запереть горняков под землей.
Как мы используем уголь
Люди во всем мире используют уголь для обогрева своих домов и приготовления пищи на протяжении тысячелетий. Уголь использовался в Римской империи для обогрева общественных бань. В Империи ацтеков блестящий камень использовался не только в качестве топлива, но и для украшений.
Промышленная революция питалась углем. Это была более дешевая альтернатива древесному топливу, и при сжигании производилось больше энергии. Уголь обеспечивал пар и энергию, необходимые для массового производства предметов, выработки электроэнергии и топлива для пароходов и поездов, которые были необходимы для перевозки предметов для торговли.Большинство шахт или угольных шахт времен промышленной революции находились в северной Англии, где в начале 18 века добывалось более 80% угля.
Сегодня уголь по-прежнему используется напрямую (отопление) и косвенно (производство электроэнергии). Уголь также необходим для сталелитейной промышленности.
Топливо
Во всем мире уголь в основном используется для производства тепла. Это основной источник энергии для большинства развивающихся стран, и в 2011 году мировое потребление увеличилось более чем на 30%.
Уголь можно сжигать в отдельных домохозяйствах или в огромных промышленных печах. Он производит тепло для комфорта и стабильности, а также нагревает воду для санитарии и здоровья.
Электроэнергия
Электростанции, работающие на угле, являются одним из самых популярных способов производства и распределения электроэнергии. На угольных электростанциях уголь сжигается и нагревает воду в огромных котлах. Кипящая вода создает пар, который вращает турбину и активирует генератор для производства электроэнергии.
Почти вся электроэнергия в ЮАР (около 93%) вырабатывается за счет угля. Польша, Китай, Австралия и Казахстан — другие страны, использующие уголь для производства электроэнергии. В Соединенных Штатах около 45% электроэнергии в стране вырабатывается за счет угля.
Кокс
Уголь играет жизненно важную роль в сталелитейной промышленности. Чтобы произвести сталь, железную руду необходимо нагреть, чтобы отделить железо от других минералов в породе. В прошлом для нагревания и разделения руды использовался сам уголь.Однако при нагревании уголь выделяет примеси, такие как сера, что может сделать полученный металл слабым.
Еще в 9 веке химики и инженеры открыли способ удаления этих примесей из угля перед его сжиганием. Уголь запекается в печи в течение примерно 12–36 часов при температуре примерно 1000–1100 °C (1800–2000 °F). Это отгоняет примеси, такие как угольный газ, окись углерода, метан, смолы и нефть. Полученный материал — уголь с небольшим количеством примесей и высоким содержанием углерода — представляет собой кокс.Метод называется коксованием.
Кокс сжигают в доменной печи с железной рудой и воздухом при температуре около 1200 °C (2200 °F). Горячий воздух воспламеняет кокс, а кокс плавит железо и отделяет примеси. В результате получается сталь. Кокс обеспечивает тепловые и химические свойства, которые придают стали прочность и гибкость, необходимые для строительства мостов, небоскребов, аэропортов и автомобилей.
Многие крупнейшие производители угля в мире (США, Китай, Россия, Индия) также входят в число крупнейших производителей стали.Япония, еще один лидер сталелитейной промышленности, не имеет значительных запасов угля. Это один из крупнейших импортеров угля в мире.
Синтетические продукты
Газы, выделяющиеся в процессе коксования, могут использоваться в качестве источника энергии. Угольный газ можно использовать для обогрева и освещения. Уголь также можно использовать для производства синтез-газа, комбинации водорода и монооксида углерода. Сингаз можно использовать в качестве транспортного топлива, аналогичного нефти или дизельному топливу.
Кроме того, побочные продукты угля и кокса могут использоваться для производства синтетических материалов, таких как смола, удобрения и пластмассы.
Уголь и выбросы углерода
При сжигании угля выделяются газы и твердые частицы, вредные для окружающей среды. Углекислый газ является основным выбросом.
Углекислый газ является неотъемлемой частью атмосферы нашей планеты. Его называют парниковым газом, потому что он поглощает и сохраняет тепло в атмосфере и поддерживает на нашей планете температуру, пригодную для жизни. В естественном углеродном цикле углерод и углекислый газ постоянно циркулируют между землей, океаном, атмосферой и всеми живыми и разлагающимися организмами.Углерод также изолируется или хранится под землей. Это удерживает углеродный цикл в равновесии.
Однако при добыче и сжигании угля и других видов ископаемого топлива в атмосферу высвобождается секвестрированный углерод, что приводит к накоплению парниковых газов и отрицательно влияет на климат и экосистемы.
В 2011 году около 43% электроэнергии в США производилось за счет сжигания угля. Однако на добычу угля приходилось 79% выбросов углерода в стране.
Другие токсичные выбросы
Двуокись серы и оксиды азота также выделяются при сжигании угля.Они способствуют кислотным дождям, смогу и респираторным заболеваниям.
Ртуть выбрасывается при сжигании угля. В атмосфере ртуть обычно не представляет опасности. Однако в воде ртуть превращается в метилртуть, которая токсична и может накапливаться в рыбе и организмах, потребляющих рыбу, включая людей.
Летучая зола (которая уносится вместе с другими газами при сжигании угля) и зольный остаток (который не улетучивается) также выделяются при сжигании угля. В зависимости от состава угля эти частицы могут содержать токсичные элементы и раздражители, такие как кадмий, диоксид кремния, мышьяк и оксид кальция.
В США летучая зола должна улавливаться промышленными «скрубберами», чтобы предотвратить ее загрязнение атмосферы. К сожалению, летучая зола часто хранится на свалках или электростанциях и может стекать в грунтовые воды. В ответ на эту опасность для окружающей среды летучая зола используется в качестве компонента бетона, тем самым изолируя его от окружающей среды.
Многие страны не регулируют угольную промышленность так строго, как США, а выбросы загрязняют воздух и воду.
Угольные пожары
При соответствующих условиях тепла, давления и вентиляции угольные пласты могут самовозгораться и гореть под землей. Молнии и лесные пожары также могут воспламенить открытый участок угольного пласта, и тлеющий огонь может распространиться вдоль пласта.
Угольные пожары выбрасывают в атмосферу тонны парниковых газов. Даже если поверхностный пожар потушен, уголь может тлеть годами, прежде чем вспыхнуть и снова вызвать лесной пожар.
Угольные пожары также могут начаться в шахтах в результате взрыва.Угольные пожары в Китае, многие из которых возникли в результате взрывов, используемых в процессе добычи, могут составлять 1% мировых выбросов углерода. В США заброшенные шахты чаще загораются, если мусор сжигают на близлежащих свалках.
Когда уголь загорается и начинает тлеть, его чрезвычайно трудно потушить. В Австралии угольный пожар на «Пылающей горе» горит уже 5500 лет!
Преимущества и недостатки
Преимущества
Уголь является важной частью мирового энергетического бюджета.Найти и извлечь его относительно недорого, и его можно найти по всему миру. В отличие от многих возобновляемых ресурсов (таких как солнечная энергия или ветер), добыча угля не зависит от погоды. Это базовое топливо, то есть его можно производить 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, 365 дней в году.
Мы используем и зависим от многих вещей, которые дает уголь, таких как тепло и электричество для питания наших домов, школ, больниц и промышленных предприятий. Сталь, необходимая для строительства мостов и других зданий, практически полностью зависит от производства кокса.
Побочные продукты угля, такие как синтетический газ, могут использоваться для производства топлива для транспорта.
Добыча угля также обеспечивает экономическую стабильность для миллионов людей во всем мире. Угольная промышленность опирается на людей с широким спектром знаний, навыков и способностей. Работа, связанная с углем, включает геологов, горняков, инженеров, химиков, географов и руководителей. Угольная промышленность является критически важной отраслью как для развитых, так и для развивающихся стран.
Недостатки
Уголь является невозобновляемым источником энергии.На его формирование ушли миллионы лет, и на нашей планете его существует конечное количество. Хотя на данный момент это стабильный и надежный источник энергии, он не будет доступен вечно.
Горнодобывающая промышленность — одна из самых опасных профессий в мире. Опасности для здоровья подземных горняков включают респираторные заболевания, такие как «черное легкое», при котором угольная пыль накапливается в легких. Помимо болезней, тысячи горняков ежегодно гибнут в результате взрывов шахт, обвалов и других несчастных случаев.
Сжигание угля для получения энергии приводит к выбросу токсинов и парниковых газов, таких как двуокись углерода. Они оказывают непосредственное влияние на местное качество воздуха и способствуют глобальному потеплению, текущему периоду изменения климата.
Добыча полезных ископаемых навсегда изменяет ландшафт. При сносе горных вершин стирается сам ландшафт и разрушаются экосистемы. Это увеличивает эрозию в этом районе. Наводнения и другие стихийные бедствия подвергают эти районы большой опасности.
Добыча угля может повлиять на местное водоснабжение несколькими способами.Потоки могут быть заблокированы, что увеличивает вероятность флуда. Токсины часто попадают в грунтовые воды, ручьи и водоносные горизонты.
Уголь — один из самых противоречивых источников энергии в мире. Преимущества добычи угля экономически и социально значимы. Однако добыча полезных ископаемых опустошает окружающую среду: воздух, землю и воду.
Нефть | Национальное географическое общество
Миллионы лет назад в мелководных морях жили водоросли и растения. Отмерев и опустившись на морское дно, органический материал смешался с другими отложениями и был погребен.За миллионы лет под высоким давлением и высокой температурой остатки этих организмов превратились в то, что мы сегодня знаем как ископаемое топливо. Уголь, природный газ и нефть — это ископаемое топливо, образовавшееся в сходных условиях.
Сегодня нефть добывают в обширных подземных резервуарах, где находились древние моря. Нефтяные резервуары можно найти под землей или на дне океана. Их сырая нефть добывается с помощью гигантских буровых машин.
Сырая нефть обычно имеет черный или темно-коричневый цвет, но также может быть желтоватой, красноватой, желтовато-коричневой или даже зеленоватой.Различия в цвете указывают на различные химические составы различных запасов сырой нефти. Например, нефть с небольшим содержанием металлов или серы имеет тенденцию быть более легкой (иногда почти прозрачной).
Нефть используется для производства бензина, важного продукта в нашей повседневной жизни. Он также обрабатывается и входит в состав тысяч различных предметов, включая шины, холодильники, спасательные жилеты и анестетики.
Когда нефтепродукты, такие как бензин, сжигаются для получения энергии, они выделяют токсичные газы и большое количество углекислого газа – парникового газа.Углерод помогает регулировать температуру атмосферы Земли, а добавление к естественному балансу за счет сжигания ископаемого топлива неблагоприятно влияет на наш климат.
Под поверхностью Земли и в смоляных карьерах, которые пузырятся на поверхности, находятся огромные количества нефти. Нефть существует даже намного ниже самых глубоких скважин, разработанных для ее добычи.
Однако нефть, как и уголь и природный газ, является невозобновляемым источником энергии. На его формирование ушли миллионы лет, и когда он будет извлечен и потреблен, мы не сможем его заменить.
Запасы масла закончатся. В конце концов, мир достигнет «пика нефти» или наивысшего уровня добычи. Некоторые эксперты предсказывают, что пик нефти может наступить уже в 2050 году. Поиск альтернатив нефти имеет решающее значение для глобального использования энергии и находится в центре внимания многих отраслей.
Образование нефти
Геологические условия, которые в конечном итоге привели к образованию нефти, сформировались миллионы лет назад, когда растения, водоросли и планктон дрейфовали в океанах и мелководных морях.Эти организмы опустились на морское дно в конце своего жизненного цикла. Со временем они были погребены и раздавлены миллионами тонн наносов и еще большим слоем растительных остатков.
Со временем древние моря высохли, и остались сухие бассейны, называемые осадочными бассейнами. Глубоко под дном бассейна органический материал был сжат между земной мантией при очень высоких температурах и миллионами тонн горных пород и отложений наверху. Кислород в этих условиях почти полностью отсутствовал, а органическое вещество начало превращаться в воскообразное вещество, называемое керогеном.
При большем нагреве, времени и давлении кероген прошел процесс, называемый катагенезом, и превратился в углеводороды. Углеводороды — это просто химические вещества, состоящие из водорода и углерода. Различные комбинации тепла и давления могут создавать различные формы углеводородов. Некоторые другие примеры: уголь, торф и природный газ.
Осадочные бассейны, где раньше лежало древнее морское дно, являются ключевыми источниками нефти. В Африке осадочный бассейн дельты Нигера охватывает земли Нигерии, Камеруна и Экваториальной Гвинеи.В огромном бассейне дельты Нигера было обнаружено более 500 нефтяных месторождений, и они составляют одно из самых продуктивных нефтяных месторождений в Африке.
Химия и классификация сырой нефти
Бензин, который мы используем для заправки наших автомобилей, синтетические ткани для наших рюкзаков и обуви, а также тысячи различных полезных продуктов, изготовленных из нефти, имеют стабильные и надежные формы. Однако сырая нефть, из которой производятся эти предметы, не является ни последовательной, ни однородной.
Химия
Сырая нефть состоит из углеводородов, в основном водорода (около 13% по весу) и углерода (около 85%). Другие элементы, такие как азот (около 0,5%), сера (0,5%), кислород (1%) и металлы, такие как железо, никель и медь (менее 0,1%), также могут быть смешаны с углеводородами в небольших количествах. .
То, как молекулы углеводородов организованы, является результатом первоначального состава водорослей, растений или планктона, существовавшего миллионы лет назад.Количество тепла и давления, которым подвергались растения, также вносят свой вклад в изменения, которые обнаруживаются в углеводородах и сырой нефти.
Из-за этой вариации сырая нефть, выкачиваемая из-под земли, может состоять из сотен различных нефтяных соединений. Легкие нефти могут содержать до 97% углеводородов, в то время как более тяжелые нефти и битумы могут содержать только 50% углеводородов и большее количество других элементов. Почти всегда необходимо перерабатывать сырую нефть, чтобы производить полезные продукты.
Классификация
Нефть классифицируется по трем основным категориям: место добычи, содержание серы и плотность по API (мера плотности).
Классификация: География
Нефть добывается во всем мире. Тем не менее, есть три основных источника сырой нефти, которые определяют ориентиры для ранжирования и ценообразования других поставок нефти: сырая нефть марки Brent, нефть West Texas Intermediate, а также Дубай и Оман.
Нефть марки Brent представляет собой смесь, добываемую на 15 различных нефтяных месторождениях между Шотландией и Норвегией в Северном море.Эти месторождения снабжают нефтью большую часть Европы.
West Texas Intermediate (WTI) — это более легкая нефть, которая производится в основном в американском штате Техас. Он «сладкий» и «легкий» — считается очень качественным. WTI снабжает нефтью большую часть Северной Америки.
Дубайская нефть, также известная как Фатех или Дубайско-Оманская нефть, представляет собой легкую высокосернистую нефть, добываемую в Дубае, части Объединенных Арабских Эмиратов. Соседняя страна Оман недавно начала добычу нефти. Сырая нефть Дубая и Омана используется в качестве ориентира для ценообразования на нефть Персидского залива, которая в основном экспортируется в Азию.
Эталонная корзина ОПЕК — еще один важный источник нефти. ОПЕК — это Организация стран-экспортеров нефти. Эталонная корзина ОПЕК представляет собой среднюю цену на нефть из 12 стран-членов ОПЕК: Алжира, Анголы, Эквадора, Ирана, Ирака, Кувейта, Ливии, Нигерии, Катара, Саудовской Аравии, Объединенных Арабских Эмиратов и Венесуэлы.
Классификация: Содержание серы
Сера считается «примесью» в нефти. Сера в сырой нефти может вызывать коррозию металла в процессе очистки и способствовать загрязнению воздуха.Нефть с содержанием серы более 0,5 % называется «кислой», а нефть с содержанием серы менее 0,5 % — «сладкой».
Сладкое масло обычно намного ценнее кислого, потому что оно не требует такой глубокой очистки и менее вредно для окружающей среды.
Классификация: API Gravity
Американский институт нефти (API) является торговой ассоциацией предприятий нефтяной и газовой промышленности. API установил общепринятые системы стандартов для различных продуктов, связанных с нефтью и газом, таких как манометры, насосы и буровое оборудование.API также установил несколько единиц измерения. Например, «блок API» измеряет гамма-излучение в скважине (стволе, пробуренном в земле).
Плотность в градусах API — это мера плотности нефтяной жидкости по сравнению с водой. Если плотность нефтяной жидкости в API больше 10, она «легкая» и плавает на поверхности воды. Если плотность в градусах API меньше 10, он «тяжелый» и тонет в воде.
Легкие нефти предпочтительнее, поскольку они имеют более высокий выход углеводородов.Более тяжелые масла имеют более высокие концентрации металлов и серы и требуют большей очистки.
Нефтяные резервуары
Нефть находится в подземных карманах, называемых резервуарами. Глубоко под землей давление чрезвычайно велико. Нефть медленно просачивается к поверхности, где давление ниже. Он продолжает это движение от высокого к низкому давлению, пока не наткнется на непроницаемый слой горной породы. Затем нефть собирается в резервуарах, которые могут находиться на глубине нескольких сотен метров от поверхности Земли.
Нефть может содержаться структурными ловушками, которые образуются, когда массивные слои горных пород изгибаются или отламываются (сломаются) от движущихся массивов суши Земли. Нефть также может содержаться стратиграфическими ловушками. Различные пласты или слои горных пород могут иметь разную степень пористости. Например, сырая нефть легко мигрирует сквозь слой песчаника, но будет задерживаться под слоем сланца.
Геологи, химики и инженеры ищут геологические структуры, которые обычно содержат нефть.Они используют процесс, называемый «сейсмическим отражением», для обнаружения подземных горных пород, которые могли удерживать сырую нефть. В процессе происходит небольшой взрыв. Звуковые волны распространяются под землей, отражаются от различных типов пород и возвращаются на поверхность. Датчики на земле интерпретируют возвращающиеся звуковые волны, чтобы определить подземную геологическую структуру и возможность наличия нефтяного резервуара.
Количество нефти в резервуаре измеряется в баррелях или тоннах.Нефтяной баррель составляет около 42 галлонов. Это измерение обычно используется производителями нефти в Соединенных Штатах. Производители нефти в Европе и Азии, как правило, используют метрические тонны. В метрической тонне содержится от 6 до 8 баррелей нефти. Преобразование неточно, потому что разные сорта масла весят разное количество, в зависимости от количества примесей.
Сырая нефть часто находится в резервуарах вместе с природным газом. В прошлом природный газ либо сжигали, либо выпускали в атмосферу.В настоящее время разработана технология улавливания природного газа и его повторной закачки в скважину или сжатия в сжиженный природный газ (СПГ). СПГ легко транспортируется и имеет универсальное применение.
Добыча нефти
В некоторых местах нефтяные пузыри выходят на поверхность Земли. В некоторых частях Саудовской Аравии и Ирака, например, пористая порода позволяет нефти просачиваться на поверхность в небольших прудах. Однако большая часть нефти находится в подземных нефтяных резервуарах.
Общее количество нефти в резервуаре называется пластовой нефтью.Многие нефтяные жидкости, составляющие пластовую нефть пласта, не поддаются извлечению. Эти нефтяные жидкости могут быть слишком сложными, опасными или дорогими для бурения.
Та часть пластовой нефти, которая может быть извлечена и переработана, представляет собой запасы нефти этого резервуара. Решение об инвестировании в комплексные буровые работы часто принимается на основе доказанных запасов нефти на участке.
Бурение может быть разведочным, разведочным или направленным.
Бурение в районе, где уже обнаружены запасы нефти, называется эксплуатационным бурением.Прудхо-Бей, Аляска, имеет самые большие запасы нефти в Соединенных Штатах. Эксплуатационное бурение в Прадхо-Бей включает новые скважины и расширение технологии добычи.
Бурение в условиях отсутствия известных запасов называется разведочным бурением. Разведочное бурение, также называемое «диким бурением», является рискованным делом с очень высокой частотой неудач. Тем не менее, потенциальные выгоды от добычи нефти соблазняют многих «диких охотников» попытаться провести разведочное бурение. «Алмазный» Гленн Маккарти, например, известен как «Король диких охотников» из-за его успеха в обнаружении огромных запасов нефти недалеко от Хьюстона, штат Техас.Маккарти 38 раз добывал нефть в 1930-х годах, заработав миллионы долларов.
Направленное бурение включает вертикальное бурение до известного источника нефти с последующим поворотом бурового долота под углом для доступа к дополнительным ресурсам. Обвинения в наклонно-направленном бурении привели к первой войне в Персидском заливе в 1991 году. Ирак обвинил Кувейт в использовании методов наклонно-направленного бурения для добычи нефти из иракских нефтяных резервуаров недалеко от границы с Кувейтом. Впоследствии Ирак вторгся в Кувейт, что привлекло международное внимание и вмешательство.После войны граница между Ираком и Кувейтом была изменена, и теперь водохранилища принадлежат Кувейту.
Нефтяные вышки
На суше нефть можно добывать с помощью устройства, называемого нефтяной вышкой или буровой установкой. На море нефть добывают с нефтяной платформы.
Первичная добыча
В большинстве современных скважин используется пневматическая роторная буровая установка, которая может работать 24 часа в сутки. В этом процессе двигатели приводят в действие буровое долото. Сверло – это режущий инструмент, используемый для создания круглого отверстия.Буровые долота, используемые в пневматических вращательных буровых установках, представляют собой полые стальные стержни с вольфрамовыми стержнями, которые используются для резки породы. Нефтяные буровые долота могут иметь диаметр 36 сантиметров (14 дюймов).
По мере того как буровое долото вращается и прорезает землю, откалываются небольшие куски породы. Мощный поток воздуха нагнетается в центр полого сверла и выходит через дно сверла. Затем воздух устремляется обратно к поверхности, унося с собой крошечные куски камня. Геологи на месте могут изучить эти куски измельченной породы, чтобы определить различные пласты горных пород, с которыми сталкивается бур.
Когда бур наталкивается на нефть, часть нефти естественным образом поднимается из-под земли, перемещаясь из области высокого давления в область низкого давления. Этот немедленный выброс нефти может быть «фонтанным фонтаном», выстреливающим в воздух на десятки метров, что является одним из самых драматичных действий по добыче. Он также является одним из самых опасных, и часть оборудования, называемая противовыбросовым превентором, перераспределяет давление, чтобы остановить такой фонтан.
Насосы используются для добычи нефти. Большинство нефтяных вышек имеют два комплекта насосов: буровые насосы и откачивающие насосы.«Грязь» — это буровой раствор, используемый для создания скважин для добычи нефти и природного газа. Буровые насосы обеспечивают циркуляцию бурового раствора.
В нефтяной промышленности используется широкий спектр экстракционных насосов. Какой насос использовать, зависит от географии, качества и положения нефтяного резервуара. Погружные насосы, например, погружаются непосредственно в жидкость. Газовый насос, также называемый пузырьковым насосом, использует сжатый воздух для выталкивания нефти на поверхность или в скважину.
Одним из наиболее известных типов экстракционных насосов является насосный станок, верхняя часть поршневого насоса.Насосных насосов прозвали «жаждущими птицами» или «кивающими ослами» за их контролируемое, регулярное ныряние. Рукоятка перемещает большую насосную установку в форме молота вверх и вниз. Глубоко под поверхностью движение насосной станции перемещает полый поршень вверх и вниз, постоянно вынося нефть обратно на поверхность или в скважину.
Успешные буровые установки могут добывать нефть в течение примерно 30 лет, хотя некоторые добывают ее в течение многих десятилетий.
Вторичная добыча
Даже после откачки подавляющая часть (до 90%) нефти может оставаться в подземном резервуаре.Для извлечения этой нефти необходимы другие методы, процесс, называемый вторичным извлечением. В 1800-х и начале 20-го века применялся метод вакуумирования лишней нефти, но он улавливал только более тонкие компоненты нефти и оставлял после себя большие запасы тяжелой нефти.
Затопление водой было обнаружено случайно. В 1870-х годах производители нефти в Пенсильвании заметили, что заброшенные нефтяные скважины накапливают дождевую и грунтовую воду. Вес воды в скважинах вытеснил нефть из резервуаров в близлежащие скважины, увеличив их добычу.Вскоре производители нефти начали намеренно затапливать скважины, чтобы добыть больше нефти.
В настоящее время наиболее распространенным методом вторичной добычи является газовый привод. Во время этого процесса скважина намеренно бурится глубже нефтяного пласта. Более глубокая скважина достигает резервуара с природным газом, и газ под высоким давлением поднимается вверх, вытесняя нефть из резервуара.
Нефтяные платформы
Бурение на море намного дороже, чем на суше. Обычно здесь используются те же методы бурения, что и на суше, но требуется массивная конструкция, способная выдержать огромную силу океанских волн в бурном море.
Морские буровые платформы являются одними из крупнейших искусственных сооружений в мире. Они часто включают в себя жилые помещения для людей, работающих на платформе, а также причалы и вертолетную площадку для перевозки рабочих.
Платформа может быть привязана ко дну океана и плавать или может представлять собой жесткую конструкцию, прикрепленную ко дну океана, моря или озера с помощью бетонных или стальных опор.
Платформа Hibernia, расположенная в 315 километрах (196 миль) от восточного побережья Канады в северной части Атлантического океана, является одной из крупнейших в мире нефтяных платформ.На платформе работают более 70 человек в трехнедельные смены. Платформа имеет высоту 111 метров (364 фута) и закреплена на дне океана. Для придания дополнительной устойчивости было добавлено около 450 000 тонн твердого балласта. Платформа может хранить до 1,3 млн баррелей нефти. Всего Hibernia весит 1,2 миллиона тонн! Однако платформа по-прежнему уязвима для сокрушительного веса и силы айсбергов. Его края зубчатые и острые, чтобы противостоять ударам морского льда или айсбергов.
Нефтяные платформы могут стать причиной огромных экологических катастроф.Проблемы с буровым оборудованием могут привести к выбросу нефти из скважины в океан. Ремонт скважины на глубине сотен метров под океаном — дело чрезвычайно сложное, дорогое и медленное. Миллионы баррелей нефти могут вылиться в океан до того, как скважина будет закупорена.
Когда нефть разливается в океане, она плавает по воде и наносит ущерб популяции животных. Одно из его самых разрушительных последствий для птиц. Нефть разрушает гидроизоляционные свойства перьев, и птицы не защищены от холодной океанской воды.Тысячи могут умереть от переохлаждения. Рыбам и морским млекопитающим также угрожают разливы нефти. Темные тени, отбрасываемые разливами нефти, могут выглядеть как еда. Нефть может повредить внутренние органы животных и быть еще более токсичной для животных, находящихся выше в пищевой цепочке. Этот процесс называется биоаккумуляцией.
Массивная нефтяная платформа в Мексиканском заливе, Deepwater Horizon , взорвалась в 2010 году. Это был крупнейший аварийный разлив нефти в море в истории. Одиннадцать рабочих платформы погибли, а в Мексиканский залив вылилось более 4 миллионов баррелей нефти.Ежедневно в океан утекало более 40 000 баррелей. Восемь национальных парков оказались под угрозой, экономика общин вдоль побережья Мексиканского залива оказалась под угрозой, поскольку туризм и рыболовство пришли в упадок, и более 6000 животных погибли.
Буровые установки для рифов
Морские нефтяные платформы также могут выступать в качестве искусственных рифов. Они обеспечивают поверхность (субстрат) для водорослей, кораллов, устриц и ракушек. Этот искусственный риф может привлечь рыбу и морских млекопитающих и создать процветающую экосистему.
До 1980-х годов нефтяные платформы разбирали и вывозили из океанов, а металл продавали как лом. В 1986 году Национальная ассоциация морского рыболовства разработала программу «Установки к рифам». Сейчас нефтяные платформы либо опрокидываются (путем подводного взрыва), либо вывозятся и буксируются на новое место, либо частично разбираются. Это позволяет морской жизни продолжать процветать на искусственном рифе, который десятилетиями обеспечивал среду обитания.
Воздействие программы Rigs-to-Reefs на окружающую среду все еще изучается.Нефтяные платформы, оставленные под водой, могут представлять опасность для кораблей и водолазов. Рыбацкие лодки запутались в платформах, и есть опасения по поводу правил безопасности заброшенных сооружений.
Экологи утверждают, что нефтяные компании должны нести ответственность за обязательства, о которых они изначально договорились, а именно о восстановлении морского дна до его первоначального состояния. Оставляя платформы в океане, нефтяные компании освобождаются от выполнения этого соглашения, и есть опасения, что это может создать прецедент для других компаний, которые хотят утилизировать свой металл или оборудование в океанах.
Нефть и окружающая среда: битум и бореальные леса
Сырая нефть не всегда должна добываться путем глубокого бурения. Если он не сталкивается с каменистыми препятствиями под землей, он может просачиваться на поверхность и пузыриться над землей. Битум — это форма нефти, которая имеет черный цвет, чрезвычайно липкая и иногда поднимается на поверхность Земли.
В своем естественном состоянии битум обычно смешивается с «нефтяными песками» или «битуминозными песками», что делает его чрезвычайно трудным для добычи и является нетрадиционным источником нефти.Только около 20% мировых запасов битума находятся на поверхности земли и могут быть добыты открытым способом.
К сожалению, из-за того, что битум содержит большое количество серы и тяжелых металлов, его добыча и переработка являются дорогостоящими и вредными для окружающей среды. Производство битума в полезные продукты приводит к выбросам углерода на 12% больше, чем при переработке обычной нефти.
Битум имеет консистенцию холодной патоки, и для его извлечения в скважину необходимо закачивать мощный горячий пар, чтобы расплавить битум.Затем для отделения битума от песка и глины используется большое количество воды. Этот процесс истощает близлежащие запасы воды. Сброс очищенной воды обратно в окружающую среду может привести к дальнейшему загрязнению оставшейся воды.
Переработка битума из битуминозных песков также является сложной и дорогостоящей процедурой. Для производства одного барреля нефти требуется две тонны нефтеносных песков.
Однако мы зависим от битума из-за его уникальных свойств: около 85% добываемого битума используется для производства асфальта для мощения и ремонта наших дорог.Небольшой процент используется для кровли и других продуктов.
Запасы битума
Большая часть мировых битуминозных песков находится в восточной части Альберты, Канада, в нефтеносных песках Атабаски. Другие крупные запасы находятся в Северо-Каспийском бассейне Казахстана и Сибири, Россия.
Нефтяные пески Атабаски являются четвертыми по величине запасами нефти в мире. К сожалению, запасы битума находятся под частью бореального леса, называемого также тайгой. Это делает добычу как сложной, так и экологически опасной.
Тайга окружает Северное полушарие чуть ниже замерзшей тундры, занимая более 5 миллионов квадратных километров (2 миллиона квадратных миль), в основном в Канаде, России и Скандинавии. На его долю приходится почти треть всей покрытой лесом земли на планете.
Тайгу иногда называют «легкими планеты», потому что она каждый день фильтрует тонны воды и кислорода через листья и хвою своих деревьев. Каждую весну бореальные леса выделяют в атмосферу огромное количество кислорода и сохраняют наш воздух чистым.Это дом для мозаики растительной и животной жизни, все из которых зависят от взрослых деревьев, мхов и лишайников бореального биома.
Наземные мины, по оценкам, занимают лишь 0,2% бореальных лесов Канады. Около 80 % нефтеносных песков Канады можно добыть с помощью бурения, а 20 % — с помощью открытых горных работ.
Переработка нефти
Переработка нефти — это процесс преобразования сырой нефти или битума в более полезные продукты, такие как топливо или битум.
Нефть выходит из-под земли с примесями, от серы до песка.Эти компоненты должны быть разделены. Это делается путем нагревания сырой нефти в дистилляционной колонне, в которой есть тарелки и температуры, установленные на разных уровнях. Углеводороды и металлы нефти имеют разные температуры кипения, и когда нефть нагревается, пары различных элементов поднимаются на разные уровни колонны, прежде чем снова конденсироваться в жидкость на многоуровневых тарелках.
Пропан, керосин и другие компоненты конденсируются на разных ярусах башни и могут собираться по отдельности.Их транспортируют по трубопроводу, океанскими судами и грузовиками в разные места для непосредственного использования или дальнейшей обработки.
Нефтяная промышленность
Нефть не всегда добывалась, очищалась и использовалась миллионами людей, как сегодня. Тем не менее, он всегда был важной частью многих культур.
Самые ранние известные нефтяные скважины были пробурены в Китае еще в 350 г. н.э. Скважины были пробурены на глубину почти 244 метра (800 футов) с использованием прочных бамбуковых долот.Нефть добывалась и транспортировалась по бамбуковым трубопроводам. Его сжигали как топливо для отопления и промышленный компонент. Китайские инженеры сжигали нефть для выпаривания рассола и получения соли.
На западном побережье Северной Америки коренные народы использовали битум в качестве клея для водонепроницаемости каноэ и корзин, а также в качестве связующего для создания церемониальных украшений и инструментов.
К 7 веку японские инженеры обнаружили, что нефть можно сжигать для получения света. Позже персидский алхимик в 9 веке перегнал нефть в керосин.В течение 1800-х годов нефть постепенно заменила китовый жир в керосиновых лампах, что привело к резкому сокращению охоты на китов.
Современная нефтяная промышленность зародилась в 1850-х годах. Первая скважина была пробурена в Польше в 1853 году, а технология распространилась в другие страны и усовершенствовалась.
Промышленная революция открыла новые широкие возможности для использования нефти. Машины, приводимые в действие паровыми двигателями, быстро стали слишком медленными, мелкосерийными и дорогими. Топливо на нефтяной основе было востребовано.Изобретение серийного автомобиля в начале 20 века еще больше увеличило спрос на нефть.
Добыча нефти быстро растет. В 1859 году в США было добыто 2000 баррелей нефти. К 1906 году это число составляло 126 миллионов баррелей в год. Сегодня США ежегодно добывают около 6,8 млрд баррелей нефти.
По данным ОПЕК, ежедневно в мире производится более 70 миллионов баррелей. Это почти 49 000 баррелей в минуту.
Хотя это кажется невероятно большим количеством, использование нефти расширилось почти во всех сферах жизни.Нефть облегчает нашу жизнь во многих отношениях. Во многих странах, в том числе в США, нефтяная промышленность обеспечивает миллионы рабочих мест, от геодезистов и рабочих платформ до геологов и инженеров.
Соединенные Штаты потребляют больше нефти, чем любая другая страна. В 2011 году США ежедневно потребляли более 19 миллионов баррелей нефти. Это больше, чем вся нефть, потребляемая в Латинской Америке (8,5 млн) и Восточной Европе и Евразии (5,5 млн) вместе взятых.
Нефть входит в состав тысяч предметов повседневного обихода.Бензин, от которого мы ездим в школу, на работу или в отпуск, поступает из сырой нефти. Баррель нефти производит около 72 литров (19 галлонов) бензина и используется людьми во всем мире для питания автомобилей, лодок, реактивных самолетов и скутеров.
Дизельные генераторы используются во многих отдаленных домах, школах и больницах. Во время чрезвычайных ситуаций, когда отключается электросеть, дизель-генераторы спасают жизни, обеспечивая электричеством больницы, многоквартирные дома, школы и другие здания, которые в противном случае были бы холодными и «темными».
Нефть также используется в жидких продуктах, таких как лак для ногтей, медицинский спирт и аммиак. Нефть содержится в таких разнообразных предметах для отдыха, как доски для серфинга, футбольные и баскетбольные мячи, велосипедные шины, сумки для гольфа, палатки, фотоаппараты и рыболовные приманки.
Нефть также содержится в более важных предметах, таких как протезы, водопроводные трубы и капсулы с витаминами. В наших домах мы окружены продуктами, содержащими нефть, и зависим от них. Краска для дома, мешки для мусора, кровля, обувь, телефоны, бигуди и даже мелки содержат очищенную нефть.
Углеродный цикл
Добыча ископаемого топлива имеет серьезные недостатки, а добыча нефти – спорная отрасль.
Углерод, важный элемент на Земле, составляет около 85% углеводородов в нефти. Углерод постоянно циркулирует между водой, землей и атмосферой.
Углерод поглощается растениями и является частью каждого живого организма, движущегося по пищевой цепи. Углерод естественным образом высвобождается из-за вулканов, эрозии почвы и испарения.Когда углерод выбрасывается в атмосферу, он поглощает и сохраняет тепло, регулируя температуру Земли и делая нашу планету пригодной для жизни.
Не весь углерод на Земле вовлечен в круговорот углерода над землей. Огромные количества его изолированы или хранятся под землей в виде ископаемого топлива и в почве. Этот секвестрированный углерод необходим, потому что он поддерживает сбалансированный «углеродный бюджет» Земли.
Однако этот бюджет выходит из равновесия. Со времен промышленной революции ископаемое топливо агрессивно добывалось и сжигалось для получения энергии или топлива.Это высвобождает углерод, который был изолирован под землей, и нарушает углеродный баланс. Это влияет на качество нашего воздуха, воды и климата в целом.
Тайга, например, поглощает огромное количество углерода на деревьях и под лесной подстилкой. Бурение природных ресурсов высвобождает не только углерод, содержащийся в ископаемом топливе, но и углерод, содержащийся в самом лесу.
Сжигание бензина, изготовленного из нефти, особенно вредно для окружающей среды.Каждые 3,8 литра (1 галлон) не содержащего этанол газа, сгорающего в двигателе автомобиля, выделяют в окружающую среду около 9 кг (20 фунтов) углекислого газа. (Бензин, наполненный 10% этанола, выделяет около 8 кг (17 фунтов).) Дизельное топливо выделяет около 10 кг (22 фунта) двуокиси углерода, а биодизель (дизельное топливо с 10% биотоплива) выделяет около 9 кг (20 фунтов).
Бензин и дизельное топливо также напрямую загрязняют атмосферу. Они выделяют токсичные соединения и твердые частицы, в том числе формальдегид и бензол.
Люди и нефть
Нефть является основным компонентом современной цивилизации. В развивающихся странах доступ к доступной энергии может расширить возможности граждан и повысить качество жизни. Нефть обеспечивает транспортное топливо, входит в состав многих химических веществ и лекарств, а также используется для изготовления важных предметов, таких как сердечные клапаны, контактные линзы и бинты. Запасы нефти привлекают внешние инвестиции и важны для улучшения экономики страны в целом.
Однако доступ развивающейся страны к нефти может также повлиять на соотношение сил между правительством и его народом.В некоторых странах доступ к нефти может привести к тому, что правительство станет менее демократичным — ситуация, получившая название «нефтедиктатура». Россию, Нигерию и Иран обвиняют в наличии нефтеавторитарных режимов.
Пиковая нефть
Нефть является невозобновляемым ресурсом, и мировых запасов нефти не всегда будет достаточно, чтобы обеспечить мировой спрос на нефть. Нефтяной пик — это момент, когда нефтяная промышленность добывает максимально возможное количество нефти. После нефтяного пика добыча нефти будет только снижаться.После пика нефти произойдет снижение добычи и рост затрат на оставшиеся запасы.
При измерении пиковой нефти используется отношение запасов к добыче (RPR). Этот коэффициент сравнивает объем доказанных запасов нефти с текущим уровнем добычи. Отношение запасов к добыче выражается в годах. RPR различен для каждой нефтяной вышки и каждого нефтедобывающего района. Нефтедобывающие регионы, которые также являются крупными потребителями нефти, имеют более низкий RPR, чем нефтедобывающие регионы с низким уровнем потребления.
Согласно одному отраслевому отчету, RPR в США составляет около девяти лет. Богатая нефтью развивающаяся страна Иран с гораздо более низким уровнем потребления имеет RPR более 80 лет.
Невозможно узнать точный год пика добычи нефти. Некоторые геологи утверждают, что он уже прошел, в то время как другие утверждают, что технология добычи отсрочит пик нефти на десятилетия. По оценкам многих геологов, пик нефти может быть достигнут в течение 20 лет.
Нефтяные альтернативы
Отдельные лица, отрасли и организации все больше обеспокоены последствиями пиковой добычи нефти и окружающей среды при добыче нефти.В некоторых областях разрабатываются альтернативы нефти, и правительства и организации призывают граждан изменить свои привычки, чтобы мы не так сильно полагались на нефть.
Биоасфальты, например, представляют собой асфальты, полученные из возобновляемых источников, таких как патока, сахар, кукуруза, картофельный крахмал или даже побочные продукты нефтяных процессов. Хотя они представляют собой нетоксичную альтернативу битуму, биоасфальты требуют огромных урожаев, что создает нагрузку на сельскохозяйственную промышленность.
Водоросли также являются потенциально огромным источником энергии.Масло водорослей (так называемая «зеленая нефть») может быть преобразовано в биотопливо. Водоросли растут очень быстро и занимают часть пространства, используемого другим сырьем для биотоплива. Около 38 849 квадратных километров (15 000 квадратных миль) водорослей — менее половины размера американского штата Мэн — могли бы обеспечить достаточное количество биотоплива, чтобы заменить все потребности США в нефти. Водоросли поглощают загрязнения, выделяют кислород и не нуждаются в пресной воде.
Швеция поставила перед собой задачу резко сократить свою зависимость от нефти и других видов ископаемого топлива к 2020 году.Эксперты в области сельского хозяйства, науки, промышленности, лесного хозяйства и энергетики объединились для разработки источников устойчивой энергии, включая геотермальные тепловые насосы, ветряные электростанции, энергию волн и солнечную энергию, а также домашнее биотопливо для гибридных автомобилей. Изменения в привычках общества, такие как увеличение количества общественного транспорта и видеоконференций для предприятий, также являются частью плана по сокращению использования нефти.
Использование нефти – Управление энергетической информации США (EIA)
Сырая нефть и другие жидкости, полученные из ископаемого топлива, перерабатываются в нефтепродукты, которые люди используют для самых разных целей.Биотопливо также используется в качестве нефтепродуктов, в основном в смесях с бензином и дизельным топливом.
Нефть исторически была крупнейшим основным источником энергии для общего годового потребления энергии в США. Мы используем нефтепродукты для приведения в движение транспортных средств, обогрева зданий и производства электроэнергии. В промышленном секторе нефтехимическая промышленность использует нефть в качестве сырья (исходного сырья) для производства таких продуктов, как пластмассы, полиуретан, растворители и сотни других промежуточных и конечных товаров.
В 2020 году потребление нефти в США в среднем составляло около 18,12 млн баррелей в сутки, в том числе около 1 млн баррелей в сутки биотоплива. 1 Общее потребление нефти в США в 2020 году было примерно на 13% ниже, чем в 2018 и 2019 годах, в основном из-за мер реагирования на пандемию COVID-19. Потребление большинства нефтепродуктов в 2020 г. было ниже, чем в 2019 г.
На транспортный сектор приходится наибольшая доля U.S. Расход нефти.
- Транспорт 66%
- Промышленный 28%
- Жилой 3%
- Коммерческий 2%
- Электроэнергия
Нажмите, чтобы увеличить
Какие нефтепродукты люди потребляют больше всего?
Бензин является наиболее потребляемым нефтепродуктом в США.В 2020 году потребление готового автомобильного бензина в среднем составляло около 8,03 млн баррелей в сутки (337 млн галлонов в сутки), что равнялось примерно 44% от общего потребления нефти в США.
Дистиллятное жидкое топливо является вторым наиболее потребляемым нефтепродуктом в Соединенных Штатах. Дистиллятное мазут включает дизельное топливо и печное топливо. Дизельное топливо используется в дизельных двигателях тяжелой строительной техники, грузовиков, автобусов, тракторов, лодок, поездов, некоторых автомобилей и электрогенераторов.Печное топливо, также называемое мазутом, используется в котлах и печах для обогрева домов и зданий, для промышленного отопления и для производства электроэнергии на электростанциях. Общее потребление дистиллятного мазута в 2020 году в среднем составляло около 3,78 миллиона баррелей в сутки (159 миллионов галлонов в день), что составляет 21% от общего потребления нефти в США.
Жидкие углеводородные газы (HGL), третья наиболее используемая категория нефти в Соединенных Штатах, включают пропан, этан, бутан и другие HGL, которые производятся на заводах по переработке природного газа и нефтеперерабатывающих заводах.HGL имеют множество применений. Общее потребление HGL в 2020 году в среднем составляло около 3,20 млн баррелей в сутки, что составляет около 18% от общего потребления нефти.
Топливо для реактивных двигателей является четвертым наиболее используемым нефтепродуктом в Соединенных Штатах. Потребление реактивного топлива в среднем составляло около 1,08 миллиона баррелей в сутки (45 миллионов галлонов в день) в 2020 году, что составляет около 6% от общего потребления нефти.
Сколько нефти потребляет мир?
Общее мировое потребление нефти в 2018 году составило около 100 млн баррелей в сутки.
- США20,5%
- Китай13,9%
- Индия4,8%
- Япония3,8%
- Россия3,6%
Каковы перспективы потребления нефти в США?
Управление энергетической информации США прогнозирует в Annual Energy Outlook 2021 Reference case, что общее потребление жидкого топлива в США (нефть и другие жидкости) вернется к уровням потребления в 2018 и 2019 годах к 2036 году и постепенно увеличится в течение оставшейся части года. прогнозируемый период до почти 22 миллионов баррелей в сутки в 2050 году.На жидкое топливо будет приходиться от 36% до 38% общего годового потребления энергии в США до 2050 года.
Также в Базовом случае жидкое топливо остается основным источником энергии для транспортного сектора, но его процентная доля несколько снижается с 96% в 2020 г. до 92% в 2050 г. Прогнозируется, что объем общего потребления жидкого топлива в транспортном секторе составит примерно столько же в 2050 г., как и в 2022 г.
1 Управление энергетической информации США, Petroleum Supply Monthly , февраль 2021 г., предварительные данные за 2020 г.
2 Управление энергетической информации США, Monthly Energy Review , март 2021 г., предварительные данные за 2020 г.
Последнее обновление: 10 мая 2021 г.
Уголь и окружающая среда — Управление энергетической информации США (EIA)
Уголь является богатым источником топлива, которое относительно недорого производить и преобразовывать в полезную энергию. Однако добыча и использование угля влияет на окружающую среду.
Последствия добычи угля
Открытые шахты (иногда называемые открытыми шахтами ) были источником около 64% угля, добытого в Соединенных Штатах в 2020 году. Эти горные работы удаляют почву и горные породы над угольными залежами, или пластов . Крупнейшие открытые шахты в Соединенных Штатах находятся в бассейне Паудер-Ривер в штате Вайоминг, где залежи угля находятся близко к поверхности и имеют толщину до 70 футов.
Удаление горных вершин и добыча полезных ископаемых затронули большие территории Аппалачей в Западной Вирджинии и Кентукки.При этой форме добычи угля вершины гор удаляются с помощью взрывчатых веществ. Эта техника меняет ландшафт, и ручьи иногда покрываются камнями и грязью. Вода, стекающая из этих заполненных долин, может содержать загрязняющие вещества, которые могут нанести вред водной фауне ниже по течению. Хотя добыча полезных ископаемых на вершинах гор существует с 1970-х годов, ее использование стало более распространенным и вызывающим споры с 1990-х годов.
Законы США требуют, чтобы стоки пыли и воды из районов, пострадавших от добычи угля, контролировались, а район должен быть рекультивирован близко к исходному состоянию.
Подземные шахты обычно меньше влияют на ландшафт, чем наземные. Однако земля над шахтными тоннелями может обрушиться, а из заброшенных подземных шахт может стекать кислая вода.
Газообразный метан, который встречается в угольных месторождениях, может взорваться, если он сконцентрируется в подземных шахтах. Этот метан угольных пластов должен быть удален из шахт, чтобы сделать шахты более безопасными для работы. В 2019 году выбросы метана от добычи угля и заброшенных угольных шахт составили около 8% от общего количества U.Выбросы метана S. и около 1% от общего объема выбросов парниковых газов в США (исходя из потенциала глобального потепления). Некоторые шахты улавливают и используют или продают метан угольных пластов, извлеченный из шахт.
Выбросы от сжигания угля
- Двуокись серы (SO 2 ), вызывающая кислотные дожди и респираторные заболевания
- Оксиды азота (NOx), способствующие образованию смога и респираторным заболеваниям
- Твердые частицы, вызывающие смог, дымку, респираторные и легочные заболевания
- Углекислый газ (CO 2 ), который является основным парниковым газом, образующимся при сжигании ископаемого топлива (угля, нефти и природного газа)
- Ртуть и другие тяжелые металлы, которые связаны как с неврологическими нарушениями, так и с нарушениями развития у людей и других животных
- Летучая зола и зольный остаток, образующиеся при сжигании угля на электростанциях
В прошлом летучая зола выбрасывалась в воздух через дымовую трубу, но теперь законы требуют, чтобы большая часть выбросов летучей золы улавливалась устройствами контроля загрязнения.В Соединенных Штатах летучая зола и зольный остаток обычно складируются вблизи электростанций или вывозятся на свалки. Выщелачивание загрязнения из хранилищ угольной золы и свалок в грунтовые воды, а также разрушение нескольких крупных накопителей угольной золы представляют собой экологические проблемы.
Снижение воздействия использования угля на окружающую среду
Закон о чистом воздухе и Закон о чистой воде требуют от промышленности сокращения выбросов загрязняющих веществ в воздух и воду.
Угольная промышленность нашла несколько способов снижения содержания серы и других примесей в угле.Промышленность также нашла более эффективные способы очистки угля после его добычи, и некоторые потребители угля используют уголь с низким содержанием серы.
Электростанции используют оборудование для десульфурации дымовых газов, также известное как скрубберы , для очистки дыма от серы до того, как она покинет дымовые трубы. Кроме того, угольная промышленность и правительство США сотрудничали в разработке технологий, позволяющих удалять примеси из угля или повышать его энергоэффективность, что снижает количество сжигаемого угля на единицу произведенной полезной энергии.
Оборудование, предназначенное главным образом для сокращения SO 2 , NOx и твердых частиц, также может использоваться для сокращения выбросов ртути из некоторых видов угля. Ученые также работают над новыми способами сокращения выбросов ртути на угольных электростанциях.
Ведутся исследования по изучению выбросов CO 2 при сжигании угля. Одним из методов является улавливание углерода , при котором CO 2 отделяется от источников выбросов и извлекается в виде концентрированного потока.Затем CO 2 можно закачать под землю для постоянного хранения или улавливания .
Повторное использование и переработка также могут снизить воздействие производства и использования угля на окружающую среду. Земля, которая ранее использовалась для добычи угля, может быть рекультивирована и использована для строительства аэропортов, свалок и полей для гольфа. Отходы, улавливаемые скрубберами, можно использовать для производства таких продуктов, как цемент и синтетический гипс для стеновых плит.
Последнее обновление: 2 декабря 2021 г.
Центр обработки данных по альтернативным видам топлива: производство и распределение водорода
Хотя водород широко распространен на Земле в качестве элемента, он почти всегда находится в составе другого соединения, такого как вода (H 2 O) или метан (CH 4 ), и его необходимо разделить на чистый водород (H 2 ) для использования в электромобилях на топливных элементах.Водородное топливо соединяется с кислородом воздуха через топливный элемент, создавая электричество и воду посредством электрохимического процесса.
Производство
Водород можно производить из различных внутренних ресурсов, включая ископаемое топливо, биомассу и электролиз воды с помощью электричества. Воздействие водорода на окружающую среду и энергоэффективность зависят от того, как он производится. В настоящее время реализуется несколько проектов по снижению затрат, связанных с производством водорода.
Существует несколько способов получения водорода:
-
Реформинг/газификация природного газа: Синтез-газ — смесь водорода, окиси углерода и небольшого количества двуокиси углерода — образуется путем реакции природного газа с высокотемпературным паром.Окись углерода реагирует с водой с образованием дополнительного количества водорода. Этот метод является самым дешевым, эффективным и наиболее распространенным. Конверсия природного газа с использованием пара составляет большую часть водорода, ежегодно производимого в Соединенных Штатах.
Синтез-газ также можно получить путем реакции угля или биомассы с высокотемпературным паром и кислородом в газификаторе под давлением. Это превращает уголь или биомассу в газообразные компоненты — процесс, называемый газификацией . Полученный синтез-газ содержит водород и окись углерода, которые реагируют с водяным паром для отделения водорода.
-
Электролиз: Электрический ток расщепляет воду на водород и кислород. Если электричество производится из возобновляемых источников, таких как солнце или ветер, полученный водород также будет считаться возобновляемым и имеет многочисленные преимущества в отношении выбросов. Набирают силу проекты по превращению энергии в водород, в которых используется избыточная возобновляемая электроэнергия, когда она доступна, для производства водорода путем электролиза.
-
Возобновляемый жидкий риформинг: Возобновляемое жидкое топливо, такое как этанол, вступает в реакцию с высокотемпературным паром для получения водорода вблизи места конечного использования.
-
Ферментация: Биомасса превращается в богатое сахаром сырье, которое можно ферментировать для получения водорода.
Несколько методов производства водорода находятся в разработке:
Основными штатами по производству водорода являются Калифорния, Луизиана и Техас. Сегодня почти весь водород, производимый в Соединенных Штатах, используется для переработки нефти, обработки металлов, производства удобрений и переработки пищевых продуктов.
Основной задачей производства водорода является снижение стоимости производственных технологий, чтобы сделать полученный водород конкурентоспособным по стоимости с традиционным транспортным топливом.Государственные и отраслевые научно-исследовательские и опытно-конструкторские проекты снижают стоимость, а также воздействие технологий производства водорода на окружающую среду. Узнайте больше о производстве водорода в офисе технологий водорода и топливных элементов.
Распределение
Большая часть водорода, используемого в Соединенных Штатах, производится там же или поблизости от места его использования, как правило, на крупных промышленных объектах. Инфраструктура, необходимая для распределения водорода по общенациональной сети заправочных станций, необходимых для широкого использования электромобилей на топливных элементах, все еще нуждается в развитии.Первоначальное развертывание транспортных средств и станций сосредоточено на создании этих распределительных сетей, в первую очередь в южной и северной Калифорнии.
В настоящее время водород распространяется тремя способами:
-
Трубопровод: Это наименее затратный способ доставки больших объемов водорода, но его мощность ограничена, поскольку в настоящее время в Соединенных Штатах имеется только около 1600 миль трубопроводов для доставки водорода. Эти трубопроводы расположены вблизи крупных нефтеперерабатывающих и химических заводов в Иллинойсе, Калифорнии и на побережье Мексиканского залива.
-
Трубчатые прицепы высокого давления: Транспортировка сжатого газообразного водорода на грузовиках, железнодорожных вагонах, судах или баржах в прицепах высокого давления является дорогостоящей и используется в основном на расстояния до 200 миль.
-
Танкеры для перевозки сжиженного водорода: Криогенное сжижение — это процесс, при котором водород охлаждается до температуры, при которой он становится жидким. Хотя процесс сжижения является дорогостоящим, он позволяет более эффективно транспортировать водород (по сравнению с автоцистернами высокого давления) на большие расстояния на грузовиках, железнодорожных вагонах, кораблях или баржах.Если сжиженный водород не используется с достаточно высокой скоростью в точке потребления, он выкипает (или испаряется) из своих емкостей. В результате скорость доставки и потребления водорода должна быть тщательно согласована.
Создание инфраструктуры для распределения и доставки водорода к тысячам будущих индивидуальных заправочных станций сопряжено со многими проблемами. Поскольку водород содержит меньше энергии на единицу объема, чем все другие виды топлива, его транспортировка, хранение и доставка к месту конечного использования обходится дороже в пересчете на бензиновый галлон.Строительство новой сети трубопроводов для водорода связано с высокими первоначальными капитальными затратами, а свойства водорода создают уникальные проблемы для материалов трубопроводов и конструкции компрессоров. Однако, поскольку водород можно производить из самых разных ресурсов, региональное или даже местное производство водорода может максимально использовать местные ресурсы и свести к минимуму проблемы с распределением.
Необходимо учитывать компромиссы между централизованным и распределенным производством. Централизованное производство водорода на крупных заводах снижает производственные затраты, но увеличивает затраты на сбыт.Производство водорода в точке конечного использования — например, на заправочных станциях — снижает затраты на распределение, но увеличивает производственные затраты из-за затрат на создание производственных мощностей на месте.
Правительственные и отраслевые научно-исследовательские и опытно-конструкторские проекты преодолевают барьеры на пути к эффективному распределению водорода. Узнайте больше о распределении водорода в офисе технологий водорода и топливных элементов.
.