استخدام الموارد

تحتاج مدينة إلى ماء آمن، وجسر مقاوم للتآكل، ومخصب للمزارع. المادة الخام الأرخص ليست بالضرورة أفضل خيار: المعالجة، عمر الخدمة، الطاقة والنفايات كلها مهمة. قارن نفس الخدمة المفيدة، واذكر الظروف واشرح الكيمياء وراء القرار.

يشمل هذا المرجح 4.10.1.1–4.10.4.2 للكيمياء المنفصلة. الاستخراج البيولوجي البديل للمعادن وتقييم التوازن/معدل عملية هابر هما المستوى الأعلى (HT). أسئلة RP8 المكتوبة تقيس المعرفة؛ يتطلب التحليل والمعايرة الفعلية المراقبة المسبقة سجلاً عملياً.

توفر موارد الأرض الدفء والمأوى والغذاء والنقل. يكمل الزراعة الإمدادات الطبيعية للغذاء والخشب والألياف. يمكن استكمال الصوف/القطن الطبيعي أو استبداله بألياف اصطناعية مثل البوليستر؛ المنتج الاصطناعي ليس بالضرورة أكثر استدامة.

المورد المحدود له إمداد محدود لا يتم تجديده على نطاق زمن الاستخدام، مثل خام معدني أو وقود حفري. المورد المتجدد يمكن تجديده على نطاق زمني مفيد، مثل الخشب المدبر بشكل مستدام. المتجدد لا يعني غير محدود: قطع الأشجار أسرع من نموها لا يزال يقلل المخزون.

التنمية المستدامة تلبي الاحتياجات الحالية دون المساس بقدرة الأجيال القادمة على تلبية احتياجاتها. يمكن للكيمياء تحسين إنتاج المحاصيل وعمر المواد وكفاءة الصناعة. قم بتقييم التحسن باستخدام الأدلة، بما في ذلك تكاليفه ونفاياته.

مقارنة مقياس موضح. مخزون المورد الوهمي هو 20 طن و20 000 طن. النسبة هي $20\,000/20=1000=10^3$: ثلاثة أرقام كبيرة. تحقق من الوحدات الشائعة أولاً. المخزون الكبير وحده لا يحدد الاستدامة؛ معدل الاستخراج والتجديد مهمان أيضاً.

المياه الصالحة للشرب آمنة للاستهلاك البشري، وتحتوي على أملاح ذائبة وكائنات دقيقة ضارة بكميات منخفضة بما يكفي. وليست ماءً نقيًا كيميائيًا لأنها تحتوي على مواد ذائبة. قد يبدو الماء صافيًا ظاهريًا، لكنه لا يزال قد يحتوي على أملاح أو كائنات دقيقة أو مواد كيميائية ذائبة.

في المملكة المتحدة، توفر الأمطار مياهًا عذبة تتجمع في التربة والبحيرات والأنهار. اختر مصدرًا مناسبًا، ومرر الماء عبر أحواض الفلترة لإزالة المواد الصلبة العالقة، ثم تعقمه باستخدام الكلور أو الأوزون أو الأشعة فوق البنفسجية. لا تزيل عملية الفلترة جميع الأملاح الذائبة؛ بل يهدف التعقيم إلى التحكم في الكائنات الدقيقة بدلاً من إزالة الأملاح.

إذا كانت الإمدادات العذبة محدودة، فإن التحلية تزيل الملح من مياه البحر أو المياه المالحة. تتضمن التقطير غليان الماء وتكثيف بخاره، مما يترك معظم الأملاح الذائبة وراءه. أما التناضح العكسي فيستخدم الضغط لدفع الماء عبر غشاء مناسب مع احتجاز الأملاح. كلا الطريقتين تتطلبان طاقة كبيرة: إما لتسخين/تكثيف الماء أو لإنتاج الضغط. اختر المسار المناسب بناءً على المصدر المحلي وإمداد الطاقة والجودة المطلوبة، ولا تعامل الفلترة العادية كتحلية.

معرفة RP8. قارن بين عينات الماء باستخدام قياسات الرقم الهيدروجيني والمواد الصلبة الذائبة، ثم تحقّق من عملية التقطير تحت إشراف المعلم. بالنسبة للبقايا، قِس حجم عينة معلوم، وزن وعاءً جافًا، وأبخر الماء بأمان، وبرّده وأعد وزنه؛ كرر التسخين والتبريد حتى الوصول إلى كتلة ثابتة إن لزم الأمر. كتلة البقايا هي الكتلة النهائية ناقص كتلة الوعاء الفارغ. يتطلب التقطير جمع وتبريد البخار، وليس مجرد تجفيف العينة. لا تشرب العينات المخبرية أبداً، ولا تفترض أن قياساً واحداً يضمن السلامة.

مثال محلول للبقايا. ترك عينة بحجم 50.0 سم³ مادة صلبة مقدارها 0.120 جم. حول $50.0\ \mathrm{cm^3}=0.0500\ \mathrm{dm^3}$، ليكون التركيز $=0.120/0.0500=2.40\ \mathrm{g/dm^3}$. هذا القياس يقيّم البقايا وفق الطريقة المذكورة، ولا يعكس السلامة من الكائنات الدقيقة.

تحتاج مياه الصرف الصحي والزراعية إلى إزالة المواد العضوية والكائنات الدقيقة الضارة. كما قد تحتوي مياه الصرف الصناعي على مواد كيميائية ضارة تتطلب معالجة إضافية مناسبة. لا تضمن المعالجة قبل الإطلاق البيئي أن تصبح المياه صالحة للشرب تلقائياً.

إزالة الشوائب الكبيرة تأخذ الأجسام الكبيرة، بينما تزيل إزالة الرمل الثقيل الحصى الثقيل. تقوم عملية الترسيب بفصل الحمأة المترسبة عن السائل النفاي. تأخذ هذان المنتجان مسارات مختلفة: الهضم اللاهوائي يعالج الحمأة بدون أكسجين؛ بينما تستخدم المعالجة البيولوجية الهوائية الأكسجين لمعالجة المواد العضوية في النفايات. لا ترسل كلتا النتيجتين عبر سلسلة تسلسلية افتراضية واحدة.

بالنسبة للظروف المحلية المقابلة، عادة ما تحتاج المياه الجوفية المناسبة إلى معالجة أقل مقارنة بمياه الصرف؛ بينما تتطلب المياه المالحة إزالة أملاح مكلفة للطاقة. هذه مقارنة مبنية على المنطق، وليست تصنيفاً مطلقاً لكل مصدر ملوث. تحقق من المواد الذائبة والمواد العضوية والكائنات الدقيقة والعمليات المتاحة.

مخازن خامات النحاس محدودة وتصبح الإمدادات عالية الجودة أكثر ندرة. تستخدم عملية التعدين النباتي النباتات لامتصاص مركبات المعادن. اجمع المحاصيل وحرقها؛ تحتوي رماد النباتات على تلك المركبات. هناك حاجة لمعالجة إضافية: فالنبات لم ينتج قطعة من النحاس النقي مباشرة.

استخدام الاستخلاق الحيوي للبكتيريا لإنتاج محلول استخلاص يحتوي على مركبات المعادن. يمكن استعادة النحاس من محلول مناسب عن طريق الإزاحة بالحديد المهمل أو بالكهرباء. كلا الطريقتين تتطلب مرحلة استعادة بعد الحصول على المادة الحاوية على المعدن.

الحديد أكثر نشاطاً من النحاس ويزيحه. يمكن للمسارات البيولوجية تجنب حفر ونقل والتخلص من كميات ضخمة جداً من الصخور، ولكن قارن وقت المعالجة والإنتاج والطاقة واستخدام الأراضي والنفايات باستخدام المعلومات المقدمة. مصطلح "بيولوجي" لا يعني المجاني أو الفوري أو الخالي من الآثار.

يأخذ تقييم دورة الحياة (LCA) في الاعتبار استخراج/معالجة المواد الخام؛ التصنيع/التعبئة والتغليف؛ الاستخدام/التشغيل؛ والتخلص في نهاية العمر المفيد. شمل النقل والتوزيع في كل مرحلة. قارن نفس الخدمة والعمر، مثل حمل نفس حمولة التسوق لنفس عدد المرات.

Water, resources, energy and some wastes can be quantified from suitable data. Measurement and assumptions still have uncertainty. Combining different pollutant effects into one score requires value judgements; an LCA is not purely objective. A disposal-only comparison may be useful for that stage but cannot establish the best whole-life product.

قرار محلول للخدمة المتساوية. تبلغ مجمل وحدات الطاقة لأرقام أكياس الورق الخيالية لمهمة التسوق $6+4+2=12$ وحدة. تحتاج حقيبة بلاستيكية قابلة لإعادة الاستخدام 30 وحدة لإنتاجها و1 وحدة لكل مهمة للتنظيف. بعد $n$ مهام، تحتاج الورق إلى $12n$ وتحتاج البلاستيك إلى $30+n$. المساواة تعطي $30=11n$، وبالتالي $n=2.73$؛ الخيار القابل لإعادة الاستخدام يستخدم طاقة أقل بدءًا من المهمة الثالثة الكاملة وفقًا لهذه الافتراضات. لا يثبت هذا الناتج للطاقة أيضًا انخفاض استخدام الماء أو النفايات أو كل تأثير ملوث.

تقليل استخدام المواد يمكن أن يقلل الاستخراج والمعالجة والنفايات. إعادة استخدام زجاجة كاملة بعد جمعها وغسلها تتجنب إعادة تصنيعها؛ يعيد تدوير الطحن وإذابة الزجاج في منتج آخر. يمكن صهر المعادن وإعادة صبها أو تشكيلها مجددًا. يمكن إضافة بعض الفولاذ الخردة إلى الحديد من الفرن المنفجر، مما يقلل الكمية المستخرجة من الخام.

متطلبات الفصل تعتمد على الخصائص النهائية المطلوبة. المواد المختلطة والتلوث قد يتطلب المزيد من الفرز؛ الجمع والنقل والغسل والذوبان مجددًا لا يزال يستخدم الموارد. قابل لإعادة التدوير يصف مسارًا محتملاً، وليس إثباتًا أن الجمع والمعالجة يحدثان فعليًا. قارن تلك الأعباء مع التعدين/الحفر وتجنب المعالجة باستخدام البيانات المقدمة.

النقل. إذا استخدم إعادة تدوير دفعة معلومة 8 ميجا جول بينما استخدم الإنتاج الجديد 50 ميجا جول لنفس المادة والجودة، فإن التوفير المزود هو $50-8=42$ ميجا جول، أي $42/50\times100=84\%$. تحقق مما إذا كانت عملية الجمع مدرجة قبل استخدام ذلك الرقم في ادعاء.

التآكل يدمر المادة من خلال تفاعلات كيميائية مع بيئتها. يصدأ الحديد فقط عندما يكون كل من الماء والأكسجين متاحين. في مقارنة، يسمح الهواء الرطب العادي بالصدأ؛ الهواء الجاف يفتقر إلى الماء؛ الماء المغلي المغطى بالزيت يحد من دخول الأكسجين. احتفظ بعينات الحديد وظروف التعرض قابلة للمقارنة. مسمار رطب واحد بدون ضوابط لا يمكن أن يظهر أن كلتا المادتين ضروريتين.

الطلاء والدهون والكهربة المناسبة تشكل حواجز. يمكن للخدش أن يكشف الحديد أمام الأكسجين والماء. طلاء الزنك يضيف حماية تضحية: الزنك أكثر نشاطًا من الحديد ويتأكسد تفضيليًا، لذلك يمكن للحديد المجاور أن يبقى محميًا عند خدش بينما يبقى اتصال الزنك المناسب موجودًا. الطلاء الأقل نشاطًا لا يمكن أن يمنح نفس الحماية. طبقة أكسيد الألومنيوم الرقيقة اللاصقة تحمي سطحه؛ إنه ليس دليلًا على أن الألومنيوم لا يتفاعل أبدًا.

معظم المعادن اليومية هي سبائك. أحجام ذرات مختلفة يمكن أن تعطل الطبقات المعدنية المنتظمة وتجعل الانزلاق أصعب؛ لا تدعي أن كل سبيكة لها خصائص متطابقة.

يقاس نقاء الذهب بالقيراط: 24 قيراط هو ذهب نقي، و18 قيراط هو $18/24=75\%$ ذهب بالنسبة للكتلة. يحتوي خاتم كتلته 12 جم إذن على $12\times18/24=9$ جم ذهب و3 جم من المعادن الأخرى. للمنتجات السبائكية غير المألوفة، استخدم بيانات تركيبه/خصائصه المزودة بدلاً من التخمين من اسمه.

يُصنع الزجاج الصوديوم-الجيري بتسخين الرمل وكربونات الصوديوم والحجر الجيري. يستخدم الزجاج البوروسيليكات الرمل وثلاثي أكسيد البورون ويذوب عند درجة حرارة أعلى. تُصنع سيراميك الطين، مثل الطوب والفخار، بتشكيل الطين الرطب وتسخينه في الفرن. تؤثر الصلابة والهشاشة ومقاومة الحرارة على الوظيفة التي يمكن لكل منها القيام بها.

يأتي كل من بولي إيثين منخفض الكثافة وبولي إيثين عالي الكثافة من الإيثين. تؤدي ظروف الإنتاج المختلفة إلى هياكل سلاسل مختلفة: يجعل التفرع التجميع المتقارب صعبًا في مادة LD؛ بينما تتراكم السلاسل المستقيمة لـ HD بشكل أكثر كثافة. لا يفرض نفس المونومر نفس الكثافة أو المرونة.

البوليمر اللين بالحرارة يحتوي على سلاسل منفصلة بدون الشبكة المترابطة المعتمدة هنا. يسمح التسخين للسلاسل بالحركة فوق بعضها البعض عندما يتم التغلب على التجاذبات بين الجزيئات، لذلك يذوب/يندمج ويمكن إعادة تشكيله. لا يتطلب الانصهار كسر الهيكل العظمي التساهمي للسلسلة. أما البوليمر الصلب بالحرارة فله روابط تساهمية متقاطعة تربط السلاسل في شبكة؛ ولا ينصهر بالتسخين، والتسخين القوي بما يكفي يمكن أن يحلله. لذا فإن إعادة الانصهار ليست طريقة تدوير مناسبة لتلك الشبكة.

المركب يحتوي على مصفوفة/رابطة تحيط بـتعزيز من الألياف أو الشظايا. تشمل الأمثلة الألياف الزجاجية في الراتنج، والألياف الكربونية في راتنج البوليمر، والخرسانة مع الحصى في رابطة قائمة على الأسمنت. كلمة "ألياف كربون" وحدها لا تحدد كلا المكونين. اختر المواد بناءً على مزيج القوة والكثافة والمرونة ومقاومة الحرارة والتكلفة المطلوب، باستخدام البيانات الكمية عند توفيرها.

يعمل عملية هابر لإنتاج الأمونيا لأسمدة النيتروجين. يأتي النيتروجين من الهواء؛ ويمكن الحصول على الهيدروجين من الغاز الطبيعي المتفاعل مع البخار. تمر الغازات المنقية فوق الحديد عند حوالي 450 °C وعند حوالي 200 أتموسفير.

التفاعل عكسي. يؤدي تبريد الخليط إلى تحويل الأمونيا إلى سائل لإزالتها؛ تعود نيتروجين وهيدروجين غير متفاعلين إلى المفاعل. يعزز إعادة التدوير استخدام المادة الخام، لكنه لا يثبت انعدام النفايات أو انعدام الطلب على الطاقة. هذه الخطوات العملية مطلوبة في كلا المستويين.

استدلال HT. التفاعل الأمامي طارد للحرارة، لذا فإن انخفاض درجة الحرارة يفضل ناتج توازن الأمونيا لكن يبطئ التفاعل. ترفع درجة الحرارة المرتفعة معدل التفاعل لكنها تقلل من ناتج التوازن. favors الضغط العالي الأمونيا لأن أربعة جزيئات غازية متفاعلة تصبح جزيئين منتجين، لكن المعدات القوية والضغوط تكلف المال والطاقة. تتوازن الظروف الصناعية بين المعدل والناتج والتكلفة؛ وهي ليست ظروف أقصى ناتج توازن ممكن. يسرع الحديد الاتجاهين الاثنيْن والوصول إلى التوازن دون تغيير موقعه.

تحقق من المسار المحلول. مع 2 مول نيتروجين و6 مول هيدروجين، يكون الحد الأقصى النظري هو 4 مول أمونيا إذا تحولت جميع المواد المتفاعلة. إذا تفاعل فقط 1 مول نيتروجين في مرور واحد، يتفاعل 3 مول هيدروجين ويتشكل 2 مول أمونيا؛ يتبقى 1 مول نيتروجين و3 مول هيدروجين لإعادة التدوير. ليس تحويل المرور الواحد نفسه هو التحويل الكلي بعد إعادة التدوير المتكرر.

أسمدة NPK هي تركيبة من الأملاح توفر النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم لنمو النبات. يمكن للأمونيا إنتاج أملاح الأمونيوم وأحماض النيتريك. على سبيل المثال، تعادل الأمونيا حمض النيتريك:

يتم الحصول على كلوريد البوتاسيوم وكبريتات البوتاسيوم وصخر الفوسفات عن طريق التعدين. صخر الفوسفات غير مناسب مباشرة كأسمدة؛ المعالجة تنتج أملاحًا قابلة للذوبان قابلة للاستخدام. تذكر هذه المنتجات:

الأسمدة الفوسفورية في فوسفات أحادي/ثلاثي هي فوسفات ثنائي هيدروجين الكالسيوم. لا تسمّ كل معالجة بالحمض ببساطة "فوسفات"، ولا تخلط بين حمض الفوسفوريك كمصدر للبوتاسيوم.

لنفس الملح، قارن بين المسارات المعملية والصناعية باستخدام المعلومات المقدمة. يمكن أن ينتج التعديل الدقيق/التعريف المتبع بالتبخير والتبلور مادة صلبة نقية؛ فالتعريف ليس بحد ذاته منتجًا غير نقي. تستطيع الصناعة دمج تصنيع الأمونيا/الحمض، والتحكم في الإنتاج المستمر الضخم واستعادة الحرارة، بينما تتطلب إدارة المعدات والطاقة والانبعاثات. اشرح المقايضة الفعلية؛ فإن عبارة "الصناعة دائمًا أفضل" ليست تقييمًا.

تريد مدرسة ماءً للشرب، ووعاءً قابلًا لإعادة الاستخدام، وأسمدة. اشرح لماذا لا يمكن للتصفية وحدها إزالة الملوحة من مياه البحر، ولماذا يحتاج المنتج القابل لإعادة الاستخدام إلى تحليل دورة حياة (LCA) لخدمة مساوية، ولماذا تستهلك صناعة الأسمدة موارد حتى عند إعادة تدوير غازات هابر. ثم قارن الطلاء الخشن بالزنك الخشن على الحديد. حدد البيانات الناقصة أو الشرط لكل قرار بدلاً من الادعاء بأن خيارًا واحدًا يحل جميع المشاكل.