Месторождений ртути в чистом виде не существует, но в связанном состоянии она присутствует в некоторых рудах. Извлечение её из пород в промышленных масштабах опасно для человека и окружающей среды, поскольку некоторые формы этого металла токсичны даже в небольших дозах. Экологические последствия от деятельности горно-перерабатывающих предприятий зависят от того, как добывают ртуть и утилизируют её отходы.
Физические свойства и значение
Ртуть (Hg) — тяжёлый серебристый металл, который при нормальных условиях находится в жидком состоянии. Легко образует сплавы (амальгамы) с другими металлами, и это делает её ценной для добычи и обработки золота. В сравнении с другими металлами ртуть — плохой проводник тепла, но отличный проводник электричества. Наиболее известные и используемые соединения:
- Хлорид HgCl2 — сулема, сильный яд.
- Хлорид Hg2Cl2 — каломель, применяется в медицине.
- Гремучая ртуть Hg (ОНК)2 — детонатор, используется для производства взрывчатых средств.
- Сульфид HgS — киноварь, высокосортный пигмент.
Соединения Hg с углеродом называют ртутьорганическими. Значительное количество из этой категории веществ изучено, применяется и синтезируется человеком. Наибольшую известность получила метилртуть как яд биогенного и антропогенного происхождения.
В металлической форме традиционно используется в термометрах и специальных типах электрических переключателей. Разгерметизация подобных устройств связана с риском испарения некоторой части жидкого металла, поэтому использование элементарной ртути в бытовых приборах сокращают. В промышленности она незаменима как единственный жидкий металл. Например, в качестве электрода при производстве хлора и гидроксида натрия электролизом из раствора. Основные характеристики металлической формы выглядят так:
- атомный номер — 80;
- плотность — 13,5336 г/м3;
- температура плавления — -38C;
- температура кипения — 356,73C.
Ртуть не имеет никакой известной биологической роли, но присутствует в каждом живом существе и широко распространена в биосфере. Она попадает в окружающую среду в результате нормального распада минералов в горных породах и почве под воздействием ветра и воды. Высвобождение её из природных источников — медленный непрерывный процесс на протяжении тысяч и миллионов лет.
Заметное увеличение концентрации ртути в окружающей среде происходит благодаря человеческой деятельности. Бо́льшая часть выбрасывается в атмосферу после сгорания ископаемого топлива в результате работы горнодобывающей промышленности и сжигания твёрдых отходов. Непосредственное попадание в почвы и мировой океан связано с применением сельскохозяйственных удобрений и утилизацией промышленных сточных вод.
История применения
Существуют доказательства, что ртуть использовалась человеком ещё в очень древние времена. Найдены останки людей, датируемые V тысячелетием до нашей эры, одежда которых была выкрашена киноварью. Более позднее свидетельство — обнаруженная в египетской гробнице XV века до н. э. церемониальная чаша со следами жидкого металла.
Ртутьсодержащие краски найдены в домах, погребённых под вулканическим пеплом Везувия, что говорит о широком использовании древними римлянами киновари как пигмента. Для добычи красного сульфида они содержали рудники на территории Испании. Аристотелю принадлежит старейшее письменное свидетельство, в котором он называл металл «жидким серебром». Его современниками ртуть использовалась в церемониях и для лечения кожных заболеваний. Древние алхимики на основании трудов Аристотеля о четырёх элементах считали, что ртуть содержится во всех металлах.
К X веку Hg стали использовать для извлечения золота способом амальгамации. Этот метод до сих пор практикуется мелкими кустарными золотодобытчиками. В 1643 году Торричелли изобрёл барометр, а в 1720 г. Фаренгейтом был создан термометр. Так ртуть стала востребованной для научных исследований как компонент измерительных приборов. Скачок спроса на Hg связан с изобретениями в связи с промышленной революцией:
- 1799 г. — гремучая ртуть впервые использовалась как детонатор для взрывчатки.
- 1835 г. — появился поливинилхлорид, синтез которого опирался на Hg в качестве катализатора.
- 1891 г. — изобретение ртутьсодержащих ламп Эдисоном.
- 1894 — Кастнер обнаружил, что жидкий металл может быть использован для получения хлора и каустической соды.
- Начало 1900-х гг. — производство фетровых шляп и войлочных изделий.
- 1940-е гг. — появление сухих элементарных батарей.
Подсчитано, что за последние 4 тыс. лет человечество перенесло около 350 тыс. тонн ртути из недр на поверхность, в атмосферу и Мировой океан. Это оказало существенное влияние на чувствительную биосферу Земли, поэтому применение жидкого металла сейчас находится под строгим контролем. Историческое использование заложило основу для многих современных продуктов и процессов с применением Hg.
Горнорудные процессы и переработка
Основной источник для добычи ртути — руда HgS (киноварь). Крупнейшее месторождение находится в Испании. Мировое производство Hg из неё составляет около 8 тыс. тонн в год. Кроме киновари, к ртутным рудам относят:
- кордероит Hg3S2Cl2;
- ливингстонит HgSb4S8;
- монтроидит HgO;
- каломель HgCl.
Ртутьсодержащие руды формируются глубоко под землёй и поднимаются к поверхности под воздействием вулканической деятельности. Обычно их находят в трещиноватых породах на глубине до 1 км. Кроме рудных месторождений, существуют ещё такие источники получения ртути:
- побочные продукты добычи или переработки других металлов (цинка, золота, серебра) или минералов;
- вторичное сырьё — отработанные продукты или отходы.
Окислительно-дистилляционный обжиг
Извлечение материала из киновари — основной способ промышленного производства Hg. Поскольку большинство добываемой киновари содержит менее 1% ртути, извлечённую из выработок руду необходимо обогащать. Применяют самые разнообразные методы механической обработки от отсадки до флотации. Сама технология не сильно изменилась со времён Аристотеля и представляет собой процесс перегонки. Технически это выглядит так:
- Нагрев сульфидной руды в присутствии воздуха. Кислород соединяется с серой и происходит высвобождение паров металла при температуре выше точки его кипения.
- Газы пропускаются через систему трубок для конденсации паров в жидкую фазу.
Наиболее распространённый тип печей — классический вертикальный. Перед загрузкой руду смешивают с углём или коксом. Сжигание топлива в нижней части печи порождает поток горячих газов, которые при температуре около 300 °C проходят через падающую руду и испаряют высвободившуюся ртуть. Тепло, генерируемое окислительно-восстановительной реакцией, усиливает нагрев поступающего воздуха, температура в верхней части печи поднимается до 700 °C, что делает извлечение более эффективным.
Полученные пары и продукты сгорания охлаждаются, как правило, в водяном конденсаторе. После извлечения металлической ртути газы очищают от вредных элементов перед тем, как выпустить в атмосферу. Собранный жидкий металл из-за высокого удельного веса выталкивает на поверхность примеси, которые затем нетрудно удалить фильтрованием. Для более тонкой очистки процессы перегонки повторяют несколько раз, но уже на другом оборудовании. Также с целью удаления примесей полученный продукт подвергают электролизу.
Другие способы
В практике современной горной добычи применяется и метод обработки рудных тел без извлечения на поверхность. В этом случае в штольни закачиваются раскалённые газы, вызывающие испарение металла в присутствии ранее размещённого сорбента. На последний выпадает ртутьсодержащий конденсат после охлаждения энергоносителя.
Существует и альтернативный пирометаллургическому способу процесс — гидрометаллургический метод получения металла из руд. Суть его заключается в выщелачивании ртути из породы растворами гидроксида натрия и сульфида натрия. Затем Hg выделяют электролизом. Выщелачивание обходится значительно дороже обжига и применяется в отношении неподдающихся классической переработке руд.
Токсичность добычи
Продукты переработки и отходы пород содержат токсичные вещества. Необработанные руды могут загрязнить окружающую среду, если их не хранить должным образом. Ртутное насыщение биосферы в большой степени связано с масштабной горно-обогатительной деятельностью по всему миру. В связи с нарастающими рисками глобального загрязнения биосферы ведутся международные переговоры, ориентированные на сокращение и последующий запрет на использование ртути в ближайшем будущем.
В настоящее время по оценкам учёных более 1,5 миллиона человек страдают от отравления ртутью в результате добычи и переработки руды. Большинство связанных с этим проблем возникает в странах Юго-Восточной Азии и Африки.
Важной мерой в борьбе с загрязнениями, вызванными переработкой киновари, является работа правительств над улучшением парка оборудования в отрасли и экологического регулирования. Немало проблем возникает из-за отсутствия установленных санитарных норм или существующие законы малоприменимы. Однако, если местные органы власти и экологические организации оказывают давление на добытчиков и переработчиков, это эффективно не только с точки зрения уменьшения выбросов, но и для создания новых инфраструктур, например, очистных сооружений или современных хранилищ.
Ртуть по-прежнему является важным компонентом многих продуктов и процессов, хотя её использование, скорее всего, будет продолжать снижаться. Совершенствование технологий обработки и утилизации, как ожидается, должно значительно уменьшить выбросы в окружающую среду. Поскольку локальные ртутные загрязнения имеют глобальные последствия, для сохранения биосферы важна качественная координация мировой добычи на международном уровне.