자원 활용

한 도시는 안전한 수자원, 부식에 강한 다리 및 농장을 위한 비료를 필요로 합니다. 가장 저렴한 원자재가 자동으로 최고의 선택지는 아닙니다: 처리, 수명, 에너지 및 폐기물 등이 모두 중요합니다. 동일한 유용한 서비스를 비교하고 조건을 명시하며 의사결정의 화학적 배경을 설명하십시오.

이 참고 자료는 개별 화학의 4.10.1.1–4.10.4.2를 다룹니다. 대체 생물학적 금속 추출 및 하버 공정의 평형/속도 평가는 **고급 수준(HT)**에 해당합니다. 서술형 RP8 문제는 지식을 평가하며, 실제 감시 분석 및 정제 과정은 실험 기록을 요구합니다.

지구의 자원은 warmth, shelter, food and transport를 제공합니다. 농업은 자연 공급된 식품, 임산물 및 섬유를 보충합니다. 천연 울/면은 폴리에스터와 같은 합성섬유로 보충되거나 대체될 수 있으며, 합성 제품이 반드시 더 지속 가능하다는 의미는 아닙니다.

한정 자원은 사용 기간 내에서 대체되지 않는 제한된 공급량을 가지는 것으로, 금속 광석이나 화석 연료 등이 포함됩니다. 재생 가능 자원은 유용한 시간 범위 내로 보충될 수 있는 것으로, 지속 가능한 관리가 이루어지는 임산물이 해당합니다. 재생 가능이라고 해서 무제한이라는 뜻은 아니며, 나무를 자르는 속도가 자라는 속도보다 빠르면 재고량 자체는 감소합니다.

지속 가능한 개발은 미래 세대의 필요를 충족할 능력을 해치지 않으면서 현재의 필요를 충족하는 것입니다. 화학은 작물 생산, 소재 수명 및 산업 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 비용과 폐기물 등 증거를 포함하여 개선 효과를 평가하십시오.

작업 예제: 규모 비교. 가상의 자원 재고는 20 톤과 20 000 톤입니다. 비율은 $20\,000/20=1000=10^3$: 3자릿수 차이입니다. 먼저 일반적인 단위를 확인하십시오. 재고가 크다고 해서 자동으로 지속 가능성을 보장하지 않으며, 채굴 속도와 보충 속도도 중요합니다.

식수는 마시기 안전하며, 용존 염분과 유해 미생물이 충분히 낮습니다. 이는 용존 물질이 포함되어 있으므로 화학적으로 순수한 물이 아닙니다. 맑아 보이는 물에도 염분, 미생물 또는 용존 화학물질이 포함되어 있을 수 있습니다.

영국에서 강우는 지하수, 호수 및 강에 모여 담수를 공급합니다. 적절한 원수를 선택하고, 부유 고체를 제거하기 위해 여과층을 통과시킨 후 클로린, 오존 또는 자외선으로 살균하십시오. 여과는 모든 용존 염분을 제거하지 않으며, 살균은 염분을 제거하는 것이 아니라 미생물을 제어하는 것입니다.

담수 공급이 제한된 경우, 탈염수는 바닷물 또는 염수를 통해 염분을 제거합니다. 증류는 물을 끓여 증기를 응축시키며, 대부분의 용존 염분을 남깁니다. 역삼투는 압력을 사용하여 물을 적절한 막을 통과시키면서 염분을 유지합니다. 두 방법 모두 상당한 에너지가 필요합니다: 가열/응축 또는 압력 생성. 일반 여과를 탈염수로 간주하지 말고, 현지 원수, 에너지 공급 및 필요한 품질에 따라 경로를 선택하십시오.

RP8 지식. pH 및 용존 고형물 측정을 사용하여 물 시료를 비교한 후 교사의 감시 하에 증류를 조사하십시오. 잔류물에 대해서는 알려진 시료 부피를 측정하고, 건조된 용기의 무게를 잽니다. 물을 안전하게 증발시키고, 식힌 후 다시 무게를 잱으며, 적절할 경우 일정 질량이 될 때까지 가열/냉각을 반복하십시오. 잔류물 질량은 최종 무게에서 빈 용기 무게를 뺀 값입니다. 증류는 시료를 단순히 말리는 것이 아니라 증기의 수집 및 냉각이 필요합니다. 실험실 시료를 절대 마시거나 한 번의 측정만으로 안전을 보증한다고 가정하지 마십시오.

작업 예제: 잔류물. 50.0 cm³ 시료가 0.120 g 고체를 남깁니다. $50.0\ \mathrm{cm^3}=0.0500\ \mathrm{dm^3}$를 변환하므로 농도는 $=0.120/0.0500=2.40\ \mathrm{g/dm^3}$입니다. 이는 미생물 안전성이 아닌 명시된 방법에 따른 잔류물 측정치입니다.

하수 및 농업용 폐수는 유기물 및 유해 미생물의 제거가 필요합니다. 산업 폐수에는 적절한 추가 처리가 필요한 유해 화학물질이 포함될 수도 있습니다. 환경 방출 전 처리가 자동으로 물을 식수로 만드는 것은 아닙니다.

스크리닝은 큰 물체를 제거하고 그릿 제거는 무거운 모래를 제거합니다. 침전은 침강된 슬러지를 액체 배수와 분리합니다. 이후 이들은 서로 다른 경로를 거칩니다: 무산소 소화는 산소 없이 슬러지를 처리하고, 호기성 생물학적 처리는 배수의 유기물을 산소를 사용하여 처리합니다. 두 제품을 하나의 상상된 직렬 체인을 통해 보내지 마십시오.

비교 가능한 현지 조건에서 적절한 지하수는 일반적으로 폐수보다 적은 처리만 필요하며, 염수는 에너지 집약적인 염분 제거가 필요합니다. 이는 모든 오염된 원수에 대한 절대적 순위가 아닌 논리적인 비교입니다. 용존 물질, 유기물, 미생물 및 이용 가능한 공정을 확인하십시오.

구리 광석은 한정된 자원이며 고품위 공급은 점차 희귀해지고 있습니다. 식물 채광은 식물을 사용하여 금속 화합물을 흡수하게 합니다. 식물을 수확하고 태우면, 그 재에 해당 화합물이 포함됩니다. 추가 가공이 필요합니다: 식물은 순수 구리 조각을 직접 생산한 것이 아니므로.

생물용출은 세균을 사용하여 금속 화합물이 포함된 용출액을 생성합니다. 구리는 적절히 처리된 용출액에서 철 폐기물로 치환하거나 전기분해를 통해 회수할 수 있습니다. 두 방법 모두 금속을 포함하는 재료를 얻은 후 추가적인 회수 과정이 필요합니다.

철은 구리보다 반응성이 커서 이를 치환합니다. 생물학적 경로는 대량의 암석을 파고, 운반하고, 폐기처분하는 작업을 피할 수 있으나, 제공된 정보를 바탕으로 처리 시간, 수율, 에너지 소비, 토지 사용량 및 폐기량을 비교해야 합니다. “생물학적”이라는 표현이 반드시 무비용, 즉시 완료 또는 환경 무해함을 의미하지는 않습니다.

생애 주기 평가(LCA)는 원료 추출/가공; 제조/포장; 사용/운영; 그리고 유용한 수명 종료 시 폐기 단계를 고려합니다. 각 단계의 운송 및 유통을 포함하십시오. 동일한 서비스와 수명을 비교하십시오. 예를 들어, 같은 쇼핑 적재량을 같은 횟수만큼 운반하는 경우를 비교합니다.

물, 자원, 에너지 및 일부 폐기물은 적절한 데이터를 통해 정량화할 수 있습니다. 그러나 측정값과 가정치에는 여전히 불확실성이 존재합니다. 다양한 오염 물질의 영향을 하나의 점수로 합산하려면 가치 판단이 필요하므로 LCA는 순수하게 객관적이지 않습니다. 해당 단계에 대한comparison으로는 폐기 처리 comparisons가 유용할 수 있으나, 전체 수명 기간 중 가장 우수한 제품을 결정하기에는 부족합니다.

해설된 동일 서비스 결정. 한 가지 쇼핑 과정에 대한 가상의 종이봉투 데이터는 총 $6+4+2=12$ 에너지 단위를 소모합니다. 재사용 가능한 플라스틱 봉투는 제작에 30 단위, 작업당 세척에 1 단위가 소요됩니다. $n$회 작업 후 종이 봉투는 $12n$, 플라스틱 봉투는 $30+n$이 필요합니다. 평등 조건은 $30=11n$이므로 $n=2.73$입니다. 이러한 가정 하에서 재사용 옵션은 세 번째 완전 작업 이후부터 더 적은 에너지를 사용합니다. 이 에너지 결과는 물 사용량, 쓰레기, 혹은 모든 오염물질 효과도 낮음을 증명하지는 않습니다. 각 범위를 기록하고 실제 재사용률을 확인하십시오.

재료 사용량을 줄이면 채굴, 가공 및 폐기량을 감소시킬 수 있습니다. 수집 및 세척 후 유리병 전체를 재사용하면 다시 제조할 필요가 없으며, 재활용은 유리를 분쇄하여 재융점하여 다른 제품으로 만듭니다. 금속은 융점하여 주조하거나 변형할 수 있습니다. 고로에서 얻은 철에 폐철강 일부를 혼합하면 광석으로부터 채굴되는 양을 줄일 수 있습니다.

분리 요구사항은 최종 특성 요구 사항에 따라 다릅니다. 혼합 재료 및 오염은 더 많은 정제를 필요로 할 수 있으며, 수집, 운송, 세척 및 재융합은 여전히 자원을 소모합니다. 재활용 가능이라는 것은 수집 및 가공이 실제로 이루어진다는 증거가 아닌, 가능한 경로를 의미합니다. 제공된 데이터를 사용하여 피할 수 있는 채굴/채석 및 가공 부담과 이를 비교하십시오.

전달. 특정 배치의 재활용에 8 MJ가 소요되지만, 동일한 소재 및 품질의 신규 생산에 50 MJ가 소요된다면, 제공된 절감량은 $50-8=42$ MJ 또는 $42/50\times100=84\%$입니다. 그 수치를 주장에 사용하기 전에 수집 과정이 포함되어 있는지 확인하십시오.

부식은 환경과의 화학 반응을 통해 재료를 파괴합니다. 철은 물과 산소 둘 다 존재할 때만 녹슬며, 비교 실험에서 일반 습기 있는 공기는 녹슬게 하지만, 건조한 공기는 물이 없어 녹슬지 않으며, 기름으로 덮인 끓인 물은 산소 유입을 제한합니다. 철 샘플과 노출 조건을 동일하게 유지해야 합니다. 통제되지 않은 습한 못 하나만으로는 두 물질이 모두 필수임을 입증할 수 없습니다.

페인트, grease 및 적절한 도금막은 장벽을 형성합니다. 긁힘은 철을 산소와 물에 노출시킬 수 있습니다. 아연 도금은 희생 보호를 제공합니다: 아연은 철보다 반응성이 커서 우선적으로 산화되므로, 적절한 아연 접촉이 유지되는 한 긁힌 부위 근처의 철은 보호받을 수 있습니다. 반응성이 낮은 코팅은 이러한 보호를 제공할 수 없습니다. 알루미늄의 얇고 밀착된 산화층은 표면을 보호하지만, 이것이 알루미늄이 절대 반응하지 않는 증거는 아닙니다.

대부분의 일상적인 금속은 합금입니다. 서로 다른 크기의 원자가 규칙적인 금속 층을 교란시켜 미끄러짐을 어렵게 만들 수 있으므로, 모든 합금이 동일한 성질을 가지는 것은 아니라고 주장해서는 안 됩니다.

금의 순도는 캐럿(carat)으로 측정합니다. 24 캐럿은 순금이며, 18 캐럿은 질량 기준으로 $18/24=75\%$의 금을 포함합니다. 따라서 12 g 반지에 금은 $12\times18/24=9$ g, 기타 금속은 3 g 포함되어 있습니다. 미숙합금의 경우 이름으로 유추하지 말고 제공된 조성 또는 물성 데이터를 활용해야 합니다.

소다-라임 유리는 모래, 탄산 나트륨 및 석회석을 가열하여 만든다. 붕규산 유리(보로실리케이트)는 모래와 삼산화 붕소를 사용하여 높은 온도에서 융해된다. 점토 세라믹(벽돌, 도자기 등)은 젖은 점토를 성형한 후 가마에서 가열하여 제조한다. 경도, 파손성 및 내열성은 각 소재의 적용 범위를 결정한다.

저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 모두 에틸렌에서 유래합니다. 다른 생산 조건으로 인해 사슬 구조가 달라지며, LD 소재의 가지사슬은 근접 충전을 방해하는 반면, HD 사슬은 직선형이라 더 밀집되어 packing됩니다. 동일한 단량체라 하더라도 반드시 동일한 밀도나 유연성을 가지는 것은 아닙니다.

열연성 고분자는 여기서 다루는 교차 결합 네트워크 없이 개별 사슬로 이루어져 있다. 가열하면 분자 간 인력을 극복하여 사슬끼리 미끄러질 수 있으므로 연화/융해되며 재성형 가능하다. 융해는 사슬의 공유 결합 골격을 끊을 필요는 없다. 열경성 고분자는 사슬을 연결하는 공유 결합 교차 결합을 가지고 있어 가열해도 융해되지 않으며, 충분히 강한 가열 시 분해될 수 있다. 따라서 그 네트워크를 재융해하는 것은 적절한 재활용 경로가 아니다.

복합재료는 섬유나 파편 형태의 **보강재(reinforcement)**를 감싸고 고정하는 매트릭스(matrix)/바인더로 구성됩니다. 예로는 수지 속 유리섬유, 고분자 수지 속 탄소섬유, 그리고 집정제가 시멘트 기반 바인더에 포함된 콘크리트 등이 있습니다. ‘탄소섬유’라는 명칭만으로는 두 구성 요소를 모두 지칭하지 못합니다. 제공된 정량적 데이터를 사용하여 강도, 밀도, 유연성, 내온성 및 비용 등의 요구 사항에 맞는 재료 조합을 선택해야 합니다.

Haber 공정은 질소 비료 제조를 위해 암모니아를 생산합니다. 질소는 공기에서 얻으며, 수소 기체는 천연가스와 증기의 반응으로 얻을 수 있습니다. 정제된 가스들은 약 450 °C와 약 200 atm의 조건에서 철 촉매 위를 통과합니다.

반응은 가역적입니다. 혼합물을 냉각하면 암모니아가 액화로 되어 제거되고, 반응하지 않은 질소와 수소는 반응기로 다시 돌아갑니다. 재순환은 원료의 이용 효율을 높이지만 무폐기 또는 무에너지 소비를 증명하지는 않습니다. 이러한 공정 단계는 모든 단계를 거치는데 필수적입니다.

HT 추론. 정반응은 발열이므로 낮은 온도는 평형 상태의 암모니아 생성량에는 유리하지만 반응 속도는 느려진다. 높은 온도는 속도를 높이지만 평형 상태의 생성량을 줄인다. 높은 압력은 반응물 기체 분자 4개가 생성물 기체 분자 2개로 변하므로 암모니아에 유리하지만 강력한 장비와 압축 비용이 돈과 에너지를 소모한다. 산업적 조건은 속도, 생성량 및 비용을 균형 있게 맞추며, 가능한 최대 평형 생성량을 위한 조건이 아니다. 철은 양방향과 평형 도달 속도를 모두 빠르게 하지만 평형 위치는 바꾸지 않는다.

작업 예제 점검. 질소 2 mol과 수소 6 mol이 있을 때, 모든 반응물이 전환된다면 이론적 최대 암모니아 생성량은 4 mol입니다. 만약 한 번의 통과(pass)에서 질소 1 mol만이 반응한다면, 수소 3 mol이 반응하고 암모니아 2 mol이 생성됩니다. 이때 재순환을 위해 남는 질소는 1 mol, 수소는 3 mol입니다. 한 번의 통과 전환율은 반복적인 재순환 후의 전체 전환율과 동일하지 않습니다.

NPK 비료는 식물 생장에 필요한 질소, 인, 칼륨을 공급하는 염류의 조제물입니다. 암모니아는 암모늄 염류 및 질산을 제조하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 암모니아가 질산과 중화되는 과정은 다음과 같습니다:

염화칼륨, 황산칼륨 및 인회석은 채굴을 통해 얻어집니다. 인회석은 직접 비료로 사용하기에 적합하지 않으며, 처리를 통해 사용 가능한 가용성 염으로 전환됩니다. 이 제품들을 recalling하십시오:

단일/삼중인산에 들어있는 인 비료는 인산수소칼슘입니다. 모든 산 처리를 단순히 '인산'이라고 표시하거나, 인산을 칼륨 원천과 혼동해서는 안 됩니다.

제시된 정보를 사용하여 같은 염에 대해 실험실 및 산업적 경로를 비교하십시오. 신중한 실험실 중화/적정 및 증발·결정 과정을 거치면 순수 고체를 얻을 수 있습니다. 적정 자체가 본질적으로 불순물이 포함된 제품을 의미하지는 않습니다. 산업계는 암모니아/산 제조를 통합하고, 연속적인 대규모 생산을 통제하며 열을 회수할 수 있지만, 장비, 에너지 및 배출물 관리가 필요합니다. 실제 트레이드오프를 설명하십시오. '산업계가 항상 더 좋다'는 평가가 아닙니다.

한 학교가 음용수, 재사용 가능한 용기 및 비료를 필요로 합니다. 여과만으로는 해수를 탈염할 수 없는 이유, 재사용 제품은 동일한 서비스의 LCA(생명주기평가)를 요구하는 이유, 하버 가스 순환에도 불구하고 비료 제조가 여전히 자원을 소비하는 이유를 설명하십시오. 또한 철강 표면의 긁힌 페인트와 긁힌 아연 코팅을 비교하십시오. 하나의 옵션이 모든 문제를 해결한다고 주장하기보다는 각 결정에sat missing data 또는 조건을 명시하십시오.