Kopaliny to substancje nieorganiczne lub organiczne zgromadzone w skorupie Ziemi, mające zastosowanie gospodarcze. Mogą być wydobywane z kopalni podziemnej oraz z kopalni odkrywkowej, ale także z otworów wiertniczych. Uznanie skały bądź minerału za użyteczną kopalinę jest uzależnione od aktualnych potrzeb człowieka i poziomu technologii. Stopniowo weszły w użycie metale rodzime, potem dopiero rudy metali. Rozwój nauki oraz techniki przyczynił się do szerszego zastosowania skał oraz minerałów (rudy uranu, boksyty, rudy w skład których wchodzą pierwiastki śladowe, takie jak: german oraz selen.
Skały płonne to skały, które nie są wykorzystywane w gospodarce.
Kopaliny użyteczne możemy podzielić na:
- kopaliny stałe (węgle, sole, rudy);
- kopaliny ciekłe (wody mineralne, ropa naftowa);
- kopaliny gazowe (gaz ziemny);
Użyteczne kopaliny dzielimy na:
- użyteczne metaliczne;
- użyteczne niemetaliczne;
- użyteczne energetyczne (węgiel kamienny, węgiel brunatny, ropa naftowa, torf, gaz ziemny oraz łupki bitumiczne).
Nagromadzone kopaliny użyteczne w skorupie Ziemi przedstawiające wartość gospodarczą to złoża.
Węgle kopalne to skały osadowe, które powstały czasie nagromadzenia oraz przeobrażenia substancji roślinnych.
W skład węgli kopalnych wchodzą następujące pierwiastki: węgiel, wodór azot, siarka, tlen, wanad, german, gal, uran, arsen.
Zawierają także substancje mineralne takie jak: krzemiany, węglany, siarczki.
Wyróżniamy następujące rodzaje węgla kopalnego:
- torf;
- węgiel kamienny,
- węgiel brunatny;
- antracyt;
- szungit.
Inny podział węgla kopalnego, ze względu na rodzaju materii pierwotnej obejmuje 3 grupy. Są to:
- węgle humusowe, tzw. humolity, które są bardzo ważne w gospodarce. Powstają na torfowiskach z flory lądowej;
- węgle sapropelowe, które występują w mniejszych ilościach. Powstają z flory wodnej (glony);
- węgle liptobiolitowi, które stanowią nagromadzenie składników żywiczno-woskowych roślin. Są bardzo odporne na działanie różnorodnych czynników fizycznych oraz biochemicznych.
W czasie powstawania węgla kopalnego możemy wyróżnić 2 fazy: biochemiczną oraz geochemiczną.
W czasie pierwszej fazy materiał roślinny ulega procesowi rozkładu (butwienie, próchnienie, torfienie) przy pomocy drobnoustrojów.
W czasie drugiej fazy zachodzą reakcje chemiczne, które prowadzą do usunięcia lotnych składników. Proces wzbogacania masy roślinnej w węgiel to tzw. uwęglanie , odbywa się z różnorodną intensywnością. Decyduje o powstaniu określonych typów węgla kopalnego. Na ten proces wpływ ma:
- wysoka temperatura;
- czas trwania;
- ciśnienie.
Powstawanie węgla to proces długotrwały. Węgle kopalne to podstawowe, bardzo ważne surowce energetyczne oraz chemiczne.
Destylacja sucha to proces stopniowego ogrzewania substancji. Musi zostać zatrzymany dostęp powietrza. Otrzymujemy trzy typy produktów:
- produkty gazowe (gaz koksowniczy lub świetlny);
- produkty ciekłe (woda pogazowa);
- produkty stałe (koks);
Ropa naftowa to ciekła mieszanka naturalnych węglowodorów, takich jak: alkany (węglowodory parafinowe), areny (węglowodory aromatyczne), oraz cykloalkany (węglowodory naftenowe). W skład ropy wchodzą także związki organiczne zawierające azot, siarkę, tlen, związki metaloorganiczne, substancje mineralne, związki nieorganiczne (krzemu, żelaza, sodu, wanadu, niklu).
Barwa ropy naftowej może być różnorodna. Spotykana jest ropa zielona, żółtobrunatna, czerwona oraz czarna. Czasami ropa bywa bezbarwna. Gęstość ropy naftowej waha się w granicach 0,73-0,99 g/cm3. Do charakterystyki ropy naftowej stosujemy także wartość opałową, która wynosi 38-49 MJ/kg. Główny składnik frakcji wrzących w temperaturze do 2000C (lekkie frakcje ropy naftowej) to parafiny (węglowodory parafinowe). Wraz ze wzrostem temperatury wrzenia zawartość węglowodorów parafinowych ulega zmniejszeniu, dlatego też cięższe frakcje zawierają mniej parafin. Wraz ze wzrostem temperatury wrzenia ilość węglowodorów naftenowych ulega zwiększeniu. W temperaturze powyżej 3500C węglowodory naftenowe występują bardzo często, są to tzw. frakcje olejowe. Jeżeli zaś chodzi o węglowodory aromatyczne, to ich udział w poszczególnych frakcjach uzależniony jest od, podobnie jak w przypadku innych węglowodorów, temperatury wrzenia. Zawartość węglowodorów aromatycznych jest tym większa im większa jest temperatura. Wzrost temperatury wrzenia powoduje także wzrost pierścieni w cząsteczkach poszczególnych tworzących ropę naftową.
Azot w ropie naftowej występuje w następujących związkach: aminy cykliczne oraz acykliczne.
Tlen w ropie naftowej występuje w następujących związkach: kwasy tłuszczowe, kwasy naftenowe, żywice, fenole, asfalt.
Siarka w ropie naftowej występuje w następujących związkach: sulfidy, siarkowodór, dysulfidy, tyrole, siarka elementarna dobrze rozpuszczalna.
Ropę naftowa ze względu na ilość siarki możemy podzielić na: wysokosiarkową (ilość siarki przekraczająca 0,1%) oraz niskosiarkową (ilość siarki większa niż 0,5%). Ilość siarki może wynieść więcej niż 6%.
Ropę naftowa możemy podzielić także ze względu na rodzaj związku będącego w przewadze nad innymi (ropa parafinowa, aromatyczna, bezparafinowa, naftanowa).
Węglowodory, które stanowią 98% wszystkich składników ropy naftowej wykazują duże zróżnicowanie. Może to być metan lub związki zawierające ponad 100 atomów węgla tworzących łańcuch węglowodorowy w cząsteczce. Węglowodory dzielimy na 3 grupy:
- Kwasy naftenowe
Łańcuchy węglowe tych związków nie są proste, tylko tworzą pierścienie cykliczne. Ma miejsce zależność: im większa jest ilość atomów węgla w cząsteczce, tym gęstość substancji ma większą wartość.
- Parafiny
Są to związki węglowodorowe charakteryzujące się różną długością łańcuchów węglowych. Do tego typu związków mogą należeć alkany. W zależności od czasu powstania ropy naftowej oraz od pochodzenia alkany mogą stanowić 30-80% wszystkich składników wchodzących w jej skład. Węglowodory zawierające więcej niż 17 atomów węgla to ciała stałe, węglowodory zawierające od 6-16 atomów węgla to ciecze, zaś węglowodory zawierające mniej niż 5 atomów węgla to gazy. Maksymalna ilość atomów węgla w cząsteczkach tych związków może wynosić 40.
- Związki nienasycone
To grupa węglowodorów wchodzących w skład ropy naftowej, która posiada nienasycone wiązania pomiędzy atomami węgla. Nie wszystkie atomy węgla wchodzące w skład tych związków łączą się z innymi atomami za pomocą jednego wiązania. Warte do zapamiętania jest to, że ropa naftowa nie zawiera Albinów oraz alkenów.
Ropa naftowa może także zawierać szkodliwe składniki. Niepożądanymi związkami wchodzącymi w skład ropy naftowej są te które zawierają chlor oraz siarkę. Związki te mogą spowodować korozje sprzęty używanego w rafineriach, dlatego też zaraz po wydobyciu ropy naftowej surowiec ten musi ulec odsiarczeniu oraz odwodnieniu. Surowce pokrewne ropie naftowej to: gaz ziemny oraz bitumen (lepka, gęsta substancja-asfalt).
Są głoszone 2 teorie odnośnie pochodzenia tego wykorzystywanego na wielka skalę przemysłowa surowca.
- Nieorganiczne pochodzenie ropy naftowej
Twórcy tej teorii:
Mendelejew (1877), Ross (1891), Moissan (1896), Kudriawcew (1951), Kropotkin (1955).
Założenia teorii:
Naukowcy Ci twierdzą, że ropa powstała na skutek różnych reakcji chemicznych, które miały miejsce w głębinach ziemskich. Przykładowa reakcja to działanie wody na węglik metalu ciężkiego, reakcja polimeryzacji, które są wydzielane z ziemskiego jądra. Część z tez teorii głoszącej nieorganiczne pochodzenie ropy naftowej głosi, że magmy zasadowe biorą udział w tym procesie. Hipotezy o nieorganicznych korzeniach ropy naftowej pomimo racjonalnych przesłanek nie mają wielu zwolenników.
- Organiczne pochodzenie ropy naftowej
Twórcy tej teorii:
Radziszewski (1877), Engler oraz Höfer (1890), Hackford (1932), White (1935).
Założenia teorii:
Ropa naftowa wiele lat temu na skutek przeobrażenia szczątków organizmów zwierzęcych oraz roślinnych, które gromadziły się z okruszkami mineralnymi w morskich osadach. Główne czynniki umożliwiające przekształcenie się substancji pochodzenia organicznego w bituminy gaz ziemny, ropę naftową, ozokeryt oraz asfalt) to: określone ciśnienie oraz temperatura, otoczenie redukujące. Korzystny wpływ bakterii oraz oddziaływanie substancji radioaktywnych. W wyniku przekształcenia substancji organicznej powstaje kerogen, a niego na skutek reakcji diagenezy oraz przekształceniu uzyskujemy ropę naftową oraz gaz ziemny. Proces powstawania oraz gromadzenia ropy naftowej ma ścisły związek z obecnością basenów sedymentacyjnych gazo- oraz roponośnych. Baseny te mogą obniżać się w stosunku do terenów sąsiednich. Proces ten trwa kilka okresów geologicznych. Skały oraz osady w skład których wchodziły szczątki organiczne w czasie osiadania mogły być w strefie, w której ciśnienie oraz temperatura przeszkadzały, a nawet pomagały w procesie przekształcenia w ropę naftową. Baseny możemy podzielić ze względu tektonikę na: śródfałdowe, śródplatformowe, przyoceaniczne platformowe oraz fałdowo-platformowe. Jak dotąd odkryto 350 basenów roponośnych (powierzchnia obejmująca obszar 10000-500000 km2), w skład których wchodzi 150 o bardzo dużym znaczeniu przemysłowym, przynoszących ogromne zyski. Pierwotnymi skałami ropy naftowej są skały węglanowe oraz ilaste, w skład których wchodzi więcej niż 0,5% kerogenu. W wyniku ruchów górotwórczych, zmiany temperatury, ciśnienia warstw, które nagromadzają się w skale macierzystej, ropa uwalnia się z miejsca, w którym powstała i migruje oraz gromadzi się w skałkach porowatych, ewentualnie bardzo spękanych (kolektory). Najważniejsze tego typu skały to: dolomity oraz wapienie. W tych właśnie skałach ulokowana jest ponad połowa wszystkich geologicznych zasobów tego surowca oraz osady piaszczyste, łupki oraz piaskowce. Warunkiem koniecznym do spełnienia, aby nastąpiła nagromadzenie ropy naftowej w części warstwy przepuszczalnych oraz gazy ziemnego i wody, jest występowanie określonych geologicznych struktur, takich jak: monoklina, wysad solny, antyklina oraz uskok. Struktury te umożliwiają gromadzenie ropy naftowej w kolektorze dzięki warstwom nieprzepuszczalnym (ekran). Do warstw tych należą: margle, iły, kwarcyty oraz łupki ilaste. W monoklinach oraz antyklinach antyklinach innych tego rodzaju strukturach geologicznych mogą występować rozległe złoża ropy naftowej. 50% odkrytych dotychczas złóż ropy naftowej występuje w utworach mezozoicznych, zaś 25% odkrytych dotychczas złóż w trzeciorzędowych utworach.
Produkty powstałe w wyniku obróbki ropy naftowej są wykorzystywane w celach energetycznych (oleje opałowe, gazy opałowe oraz benzyna) oraz w branży chemicznej (smary), do budowy nawierzchni bitumicznych.
Produkty przeróbki ropy naftowej o największym znaczeniu to:
- gaz parafinowy (z niego otrzymujemy parafinę);
- paliwa (benzyna samochodowa, nafta, oleje opałowe oraz napędowe, gaz płynny, benzyna lotnicza);
- koks naftowy oraz asfalt;
- oleje smarowe;
- smary stale.
Są stosowane różne techniki w czasie przerabiania ropy naftowej. Wszystko jest uzależnione od typu ropy naftowej i produktów, które chcemy otrzymać.
Rafinerię możemy podzielić na:
- paliwowo-olejowe;
- petrochemiczne;
- paliwowe.
W rafinerii paliwowo-olejowej stosowana jest metoda zachowawcza przeróbki ropy, która polega na rozkładzie ropy na poszczególne frakcje. Nie zachodzi chemiczna zmiana składników. Destylacja ropy naftowej zachodzi pod normalnym ciśnieniem. Jesteśmy w stanie otrzymać frakcje z temperatura wrzenia równą 300-3500C, zaś pod zmniejszonym ciśnieniem występują frakcję wyższą temperaturą wrzenia. Zmniejszone ciśnienie jest stosowane, aby nie doszło do rozkładu składników ropy. Procesy destylacyjne zachodzą w rurowo-wieżowych instalacjach (kolumny destylacyjne, piece, pompy, chłodnice, wymienniki ciepła). Po odwodnieniu ropa poddawana jest stabilizacji, w wyniku której oddzielane są najlżejsze gazowe węglowodory. Następnie ropa jest podgrzewana w piecu do temperatury równej 3500C i wprowadzana do kolumny destylacyjnej. Tam ulega rozdzieleniu na: naftę, benzynę, olej napędowy. Składniki te są następnie chłodzone i gromadzone w odpowiednich zbiornikach, Powstały także w wyniku rozdzielenia mazut po ogrzaniu jest wprowadzany do próżniowej kolumny destylacyjnej. Tam odbierane są destylaty oleju.
Produkty destylacyjne ropy naftowej, aby mogły być wykorzystywane w celach handlowych musza zostać uszlachetnione (odsiarczanie, odparafinowanie, odsfaltowanie).
W rafinerii petrochemicznej lub paliwowej frakcje, które są otrzymywane w czasie destylacji poddawane są procesom destruktywnym. Katalityczny kraking próżniowych destylatów jest prowadzony w rafinerii paliwowej. W tego typu rafineriach może zajść proces koksowania mazutu. Uzyskujemy dzięki temu procesowi wysokooktanową benzynę stosowana w silnikach oraz olej napędowy. W rafinerii petrochemicznej, w której są uzyskiwane surowce wykorzystywane w syntezach organicznych (butadien, eten, propan, toluen, benzen) procesem destruktywnym może być piroliza lżejszych frakcji naftowych oraz katalityczny kraking frakcji cięższych powstałych w czasie destylacji pod ciśnieniem atmosferycznym.
Gaz ziemny to mieszanka węglowodorów gazowych (etan, metan, propan), węglowodorów ciekłych oraz pewnych ilości dwutlenku węgla, azotu, wodoru, siarkowodoru, gazów szlachetnych (argon, hel).
Gaz ziemny w skorupie ziemskiej występuje jako gaz lub jest związany w hydratach węglowodorów. Może także występować w formie rozpuszczonej, w wodzie podziemnej, ropie naftowej.
Istnieje kilka hipotez odnośnie pochodzenia gazu ziemnego. W myśl jednej z teorii, gaz ziemny ma takie same geologiczne pochodzenie jak ropa naftowa.
Gaz ziemny jest źródłem energii, dlatego może być stosowany w hodowli zwierząt oraz roślin. Zapewnia stałą temperaturę konieczną do prawidłowego rozwoju tych organizmów. Przy zastosowaniu gazu ziemnego jesteśmy w stanie szybko i równomiernie rozprowadzić przyjemne ciepłe powietrze w celach grzewczych. Jest także niezbędny w czasie suszenia zbóż, pasz, nasion oraz do produkcji karmy dla zwierząt.
Niewysoka cena gazu ziemnego sprawia, że jest on na szeroka skalę wykorzystywany jako paliwo w samochodach osobowych oraz ciężarowych.
Gaz ziemny może być wykorzystany w przemyśle w: procesach technologicznych, procesie ogrzewania hal oraz w pomieszczeniach biurowych i produkcyjnych.
