Węglowodory w przyrodzie - węgiel i ropa naftowa

POWSTANIE

Węgiel kamienny

Większość złóż węgla formowała się od 360 do 28 mln lat temu. Węgiel powstał na bagnistych obszarach, które w tamtych czasach porastały wilgotne lasy tropikalne. Szczątki obumarłych roślin opadły na dno bagnistych jeziorzysk lub lagun, gdzie z powodu małej ilości tlenu i odpowiednich bakterii rozkładały się bardzo powoli. W pierwszej fazie rozkładu gnijące rośliny zmieniły się w torf. Procesowi temu towarzyszyło wydzielanie metanu (stąd duże jego ilości znajdują się przy pokładach węgla kamiennego). Torf nie jest w stanie samoistnie przekształcić się w węgiel. Jego pokłady muszą najpierw zostać poddane odpowiedniemu ciśnieniu. Pierwsze zgniatanie złóż torfu odbywa się pod ciężarem wciąż narastającej ilości obumarłych roślin. Z warstwy torfu o grubości od 10 do 15 m może powstać jednometrowa warstwa węgla. Po zapełnieniu bagna przez substancję roślinną, na złoża torfu osadzały się warstwy piasku i mułu. Następnie teren obniżał się, a wody morskie lub jeziorne ponownie go zalewały, dzięki czemu dochodziło do kolejnego etapu akumulacji roślinnej. Cykl ten powtarzał się wielokrotnie, dlatego mówimy, że węgiel kamienny powstał w procesie sedymentacji cyklicznej. Doprowadziła ona do powstania licznych, oddzielonych od siebie innymi skałami osadowymi, pokładów węgla. Ich grubość różni się znacznie i wynosi od kilku mm do kilku metrów.

Ropa naftowa

Niektórzy naukowcy są zdanie, iż ropa jest pochodzenia nieorganicznego i powstała w wyniku przemian w jądrze Ziemi. Jednak znaczna większość zakłada inną, bardziej prawdopodobną hipotezę:
Procesy, które doprowadziły do powstania paliw kopalnych zachodziły miliony lat temu. Większość złóż północnej i środkowej części Morza Północnego powstała z glonów i bakterii, które zostały pogrzebane pod mułem i iłem na dnie morza w okresie jurajskim (144-213 mln lat temu). Przykryta warstwą mułu materia organiczna stopniowo rozkładała się i zamieniała w ropę pod wpływem wysokiej temperatury i tego samego, ogromnego ciśnienia, które zamieniało ił i muł w litą skałę. Ropa naftowa i gaz ziemny występują prawie wyłącznie w skałach osadowych, głównie piaskowcach, których porowatości i szczeliny mogą być nasycone ropą i gazem, czyli mogą stać się kolektorem węglowodorów. Aby mogło powstać złoże ropy naftowej lub gazu ziemnego, musi istnieć warstwa skał nieprzepuszczalnych przykrywającą skałę przepuszczalną. Dzięki temu ropa może gromadzić się w strukturze zwanej pułapką.

SKŁAD

Węgiel kamienny

Wydobywany węgiel składa się głównie z węgla pierwiastkowego, co nadaje mu czarny kolor, oraz gazów: wodoru (H2), tlenu (O2), azotu(N2). W miarę przekształcania się torfu wyodrębniają się 3 rodzaje węgla:
1. Najwcześniej tworzy się torf. Zawiera tylko ok. 30% węgla, przez co ma niską wartość opałową
2. Później tworzy się węgiel brunatny o zawartości czystego węgla równej ok. 30-70%. Daje mało ciepła i bardzo dużo kopci
3. Największą ilość energii daje opisywany w tej prezentacji węgiel kamienny. Jego odmiana - antracyt zawiera 98% czystego węgla.

Ropa naftowa

Ropa jest mieszaniną różnych związków chemicznych, głównie węglowodorów. Jej skład jest odmienny w zależności od miejsca wydobywania, przez co kolor zmienia się od brązowego do czarnego. Zawiera w większości węglowodory ciekłe oraz rozpuszczone w nich węglowodory stałe i gazowe.
Stanowią one ok. 98%. Na ropę składają się głównie trzy rodzaje związków:
1. Parafiny - węglowodory o różnej długości łańcuchów
2. Kwasy naftalenowe - ich łańcuchy połączone są w pierścienie
3. Związki nienasycone.

Oprócz tego znaleźć możemy niewielkie ilości niklu(Ni), manganu(Mn), żelaza(Fe), chromu(Cr), sodu(Na) i rtęci(Mg) oraz większe chlorku sodu(NaCl), wodoru(H2), siarkowodoru(H2S), amoniaku(NH3). Z ropy naftowej naukowcy wydobyli już ok. 600 związków, ale ich ilość szacuje się na kilka tysięcy.

WYDOBYCIE

Węgiel kamienny

Większość eksploatowanych złóż węgla znajduje się w USA, w krajach byłego ZSSR i Chinach. W Polsce złoża węgla znajdują się w zagłębiach: Górnośląskim, Dolnośląskim i Lubelskim. Jego zapasy starczą na ok. 300-400 lat. Kończy się szybko, ponieważ nie ma konkurencji - jest najtańszym materiałem energetycznym. Węgiel kamienny wydobywa się metodą głębinową, gdyż jego pokłady znajdują się głęboko pod powierzchnią ziemi. Buduje się specjalne szyby i zwozi górników ze sprzętem na dół.

Ropa naftowa

Ropa naftowa znajduje się najczęściej pod dnem morskim, na dużej głębokości, nierzadko w pobliżu wybrzeży. Nie wszystkie złoża odkryto, nie wszystkie odkryte są eksploatowane. Najwięksi producenci ropy na świecie to kraje w pobliżu Zatoki Perskiej, gdzie znajdują się jej największe zasoby. W Polsce ropę wydobywa się w zagłębiach: Pomorskim, Karpackim oraz z dna morskiego w pobliżu przylądka Rozewie. Czarne złoto może wydostawać się na powierzchnię samoczynnie, w wyniku działającego na nie podziemnego ciśnienia, ale czasami trzeba mu "pomóc" ogromnymi pompami. Do wydobycia ropy z dna służą platformy wiertnicze podparte filarami. Pomiędzy nimi, aż do złoża biegnie trzpień wiertniczy. Ropa naftowa znajduje się również w tzw. piaskach bitumicznych, ale ich eksploatacja jest nieekonomiczna.

PRZETWARZANIE

Węgiel kamienny

Jedną z głównych metod przetwarzania węgla jest jego pirogenizacja - prażenie wydobytego węgla bez dostępu powietrza. W procesie tym z węgla uchodzą szkodliwe metale, lekkie oleje, związki amoniaku i woda. Powstały koks jest wspaniałym materiałem energetycznym. Wykorzystuje się także produkty uboczne pirogenizacji - smołę węglową i gaz koksowniczy.

Ropa naftowa

Po wydobyciu ropy naftowej jest ona poddawana procesowi rektyfikacji, zwanej powszechnie destylacją frakcyjną. Ropę wprowadza się do pieca destylacyjnego, którego schemat widzicie na rysunku obok, i podgrzewa do ok. 350oC. Dzięki różnicom temperatur wrzenia poszczególnych składników ropy rozdzielają się one na frakcje. Pary lżejsze wędrują do górnych części pieca gdzie, w miarę wzrostu wysokości maleje temperatura. Pary o cięższych cząsteczkach skraplają się już w następnym zbiorniku i spływają do odpowiednich magazynów. Do najwyższej części docierają już tylko najlżejsze gazy rafineryjne. Odkrywcą metody destylacji frakcyjnej był polski chemik Ignacy Łukasiewicz. Aby zwiększyć wydajność przetwarzania ropy naftowej naftę i oleje ciężkie poddaje się tzw. krakingowi - ogrzewa się je i poddaje działaniu wysokiego ciśnienia rozrywając następnie łańcuchy węgla. Metodą tą uzyskuje się oleje lekkie i benzynę.

ZASTOSOWANIE

Węgiel kamienny

Węgiel jest niezastąpiony głównie w przemyśle energetycznym oraz w starych, ogrzewanych nim gospodarstwach. Nim zaczęto wydobywać gaz ziemny, otrzymywano go właśnie z węgla. Przemysłowi chemicznemu również oddaje nieocenione usługi, służąc do produkcji kosmetyków i pestycydów. Wykorzystywane są też produkty przetwarzania węgla - ze smoły węglowej wytwarza się materiały wybuchowe, rozpuszczalniki, leki, aromaty do ciast, tłuszcze i środki pielęgnacyjne, wykorzystuje się również odzyskany z węgla amoniak.

Ropa naftowa

Ropę naftową wykorzystuje się już od dawna, używana była m.in. do balsamowania zwłok, robienia pochodni, leków, a także jako środek zapalający w machinach wojennych. Obecnie najwięcej zużywają jej wszystkie gałęzie przemysłu, szczególnie motoryzacja do produkcji olejów, smarów itp. Produkty destylacji służą do produkcji tworzyw sztucznych, środków dezynfekujących, gumy, kosmetyków, barwników, leków, wyrobów farbiarskich oraz syntetycznych tkanin.

PRZYSZŁOŚĆ

Zasoby paliw kopalnych wkrótce się wyczerpią - to jedna z niewielu rzeczy, co do których wszyscy uczeni się zgadzają. Gdyby człowiek został pozbawiony tych złóż już dziś, cofnąłby się pewnie do epoki kamienia gładzonego. Chcąc temu zapobiec, opracowano kilka alternatywnych - odnawialnych źródeł energii:
- ENERGIA SŁONECZNA - za pomocą ogniw fotoelektrycznych przekształcić ją można w elektryczną. Jest to jednak energia bardzo droga (drogie są baterie słoneczne i specjalne kolektory energii)
- ENERGIA WIATRU - jej plusami są: całkowity brak zanieczyszczeń i odnawialność. Niestety wiatr, jak to wiatr, wieje nie zawsze i nie wszędzie, dlatego turbiny wirnikowe muszą być ustawione w odpowiednim miejscu.
- ENERGIA PŁYWÓW MORSKICH - wydajna tylko przy fali wyższej niż 5m. Konieczne jest także odpowiednie ukształtowanie dna. Dotychczas powstała tylko jedna taka elektrownia, we Francji. Oprócz szukania nowych źródeł energii uczeni stale badają możliwość lepszego i ekonomiczniejszego wykorzystania paliw kopalnych. Póki co nie trzeba się na szczęście martwić, że nagle zgaśnie nam światło.