crustgroup (crustgroup) wrote,
crustgroup
crustgroup

Categories:

Азотный барьер, фосфорная яма и сказ о том, как можно просрать насранное (PEAK11, NUC28)

В прошлой части моего рассказа, в котором я говорил о говне, навозе, гуано и суперфосфате вместе с нитроаммофоской и процессом Габера, а также об их роли в истории человечества, меня ненавязчиво спросили: "Да при чём здесь говно? Обойдёмся мы как-нибудь и без химических удобрений, вырастим мы пшеничку и на конском и коровьем навозе, как встарь, как предки, как повелось!"
Сообщаю: нет, не вырастим.
Просто не сможем по объективным причинам.
И объективных причин для сего печального факта целых две. Первая из них именуется азотный барьер, а вторая называется вынос фосфора с суши в океан или фосфорная яма.
И, для того, чтобы вы понимали всю интригу данного момента, скажу сразу — для решения данных вопросов нам без Капитана Атома опять-таки не обойтись.

920

Капитан Атом спасал, спасает и ещё будет спасать миллионы жизней.
Ну а Лейтенант Солнце и Майор Ветер могут ему в этом начинании лишь немного помочь, но не более того.

Сначала — посмотрим на картинку великолепия 7 миллиардов человеческих жизней на планете Земля в 2010 году нашей эры.
Вот мы на весах говна природы:

921

Как видите, человек по своей природе состоит из того, что природно — из собственного говна (привет, Москва-2042), из навоза и помёта домашних животных, из окаменевшего и высушенного на солнце гуано диких птиц и из геологических осадков фосфора на дне древних морей и океанов, которые прихоти нашей геологической истории снова вынесли к нам наверх, из самых глубоких глубин океанов.

Безусловно, для наглядности восприятия, полоски гуано и человеческих экскрементов на данном графике сделаны чуть шире, нежели они есть на самом деле. Но вот соотношение между "природным" навозом и "промышленным" фосфоритом и апатитом на графике указанно вполне правильно. Ископаемого, якобы "химического" фосфорита у нас сегодня используется и в самом деле раз в десять больше, чем "природного" навоза:

927

При этом важно понять: ни конский, ни коровий навоз, ни птичий помёт, ни даже человеческие экскременты (эта тонкая коричневая ;жёлтая линия на втором графике) — никуда от нас не делись.
Кстати, человеческие экскременты имеют не менее славную историю воздействия на плодородие почв — тонкую жёлтую линию можно продолжать и до 3000 года до нашей эры, поскольку именно к этим датам относятся упоминания о внесении в Китае человеческих экскрементов на сельскохозяйственные угодья. Раньше просто, наверное, не было кому описать все эти процессы.

До сих пор, несмотря на всю масштабность геологических находок фосфора и на широчайшее развитие его добычи из фосфоритов и апатитов — повсюду в мире в дело идёт каждый килограмм доступного человечеству фосфора. Потому что, в случае фосфора вопрос пика его производства и неравномерности его распределения и потребления в мире стоит ничуть не менее остро, нежели в случае нефти или природного газа.
Весь вторичный продукт при малейшей возможности перерабатывается и снова пускается в дело.
При этом нет разницы, говорим ли мы о Москве-2042 или Нью-Йорке-2042.
Проблема добычи и доступа к фосфору будет только нарастать с течением времени.

Проблема ещё состоит и в том, что сам фосфор распределён по миру очень неравномерно. Вот наглядная картинка распределения по миру запасов фосфора по состоянию на 2000 год:

923

Карта взята из вот этого отчёта, если что.
И, если вы не почитали скучные выкладки из этого отчёта или из предыдущей статьи ("Пик фосфора"), то я расскажу вам, какую проблему предстоит решить миру в случае этого минерала.

Законодатель мод на рынке фосфора — это Марокко, в котором сосредоточено 70% мировых запасов фосфора. Именно от производства фосфора в Марокко и зависит его мировая доступность. Остальные страны, на фоне Марокко, выглядят в мире просто карликами.

Phosphate-Rock-Reserves

Кстати, интересно, что "арабская весна", прокатившаяся паровым катком по всей северной Африке, никак не затронула эту страну — и, что интересно, у Марокко с 2004 года есть эксклюзивное соглашение с США по-поводу обеспечения американцев марокканским фосфором — США уже второй десяток лет являются нетто-импортёром фосфора, миновав свой пик добычи фосфоритов ещё в 1975 году.
А вот потребляется фосфор в совершенно других странах, а именно: в Индии, в Бразилии, в Китае и в США. Именно эти страны формируют около 2/3 объёма мировой торговли фосфором.

Ситуация с мировой потребностью в фосфоре определяется сейчас двумя фактами: потребностью в фосфоре любого человеческого организма и его фактическим уровнем использования в современном сельском хозяйстве.
Человеку надо потреблять 1,2 грамма фосфора в день. Или 0,440 кг фосфора в год. По факту же современный, "индустриальный" человек потребляет 22,5 кг фосфора в год. Отсюда — и безумная цифра годового производства в 210 миллионов тонн фосфатов в 2012 году. Поэтому — не смотрите на то, сколько фосфора осталось и у кого, исходя из уровня производства в 2011 или в 2012 году, о которых говорит данный отчёт USGS.
В 2015 году мир собирается добывать уже 256 млн. тонн. фосфатов. И это оценка того же USGS. Эта цифра почти вдвое больше, нежели в 2009 году.

Такой взрывной рост добычи фосфора — прямое следствие урбанизации и улучшения жизненных условий, за которые сейчас борются Китай, Индия, Бразилия и ещё с десяток стран помельче.
"Мелкими" эти страны, конечно же, можно назвать только на фоне того же Китая или Индии: ведь 176 миллионов жителей Пакистана и 242 миллиона жителей Индонезии — это больше современного населения России.
Подобно тому, как США в 1800-е годы решало свою урбанизацию с помощью перуанского и чилийского гуано, так и весь "третий мир" сейчас решает вопрос своей урбанизации за счёт массового внесения фосфатных удобрений на поля.

Шутить касательно важности говна и других природных источников фосфора в американской истории не надо — "Закон о гуано" (Guano Act), принятый Конгрессом США ещё в 1856 году является таким же историческим фактом, как и уничтожение индейцев, распашка принадлежавших им Великих Равнин (Great Plains) и забой населявших Великие Равнины бизонов:

924

При этом все три процесса: распашка прерий, уничтожение бизонов и изведение под ноль коренного населения — шли в США в 1800-е годы параллельно и поддерживая друг друга. И все они крутились вокруг фосфора и азота.

Поскольку бизоны были основным объектом охоты индейцев, то убийство бизонов лишало индейцев объекта промысла и заставляло покидать их охотничьи угодья.
Американский генерал Филип Шеридан (Philip Henry Sheridan) писал в 1870-м году: "Охотники за бизонами сделали за последние два года больше для решения острой проблемы индейцев, чем вся регулярная армия за последние 30 лет. Они уничтожают материальную базу индейцев. Пошлите им порох и свинец, коли угодно, и позвольте им убивать, убивать бизонов, свежевать их шкуры и продавать их, и так — пока они не истребят всех бизонов. всех до единого!"

Шеридан в Конгрессе США предлагал даже учредить специальную медаль для охотников, подчёркивая важность истребления бизонов. Полковник Ричард Додж (Richard Irving Dodge), вторя Шеридану, говорил тогда же: "Смерть каждого бизона — это исчезновение индейцев".

В результате хищнического истребления численность бизонов к началу XX века снизилась с нескольких десятков миллионов до нескольких сотен голов. Французский биолог Жан Дорст (Jean Dorst) отмечал, что первоначально общая численность бизонов составляла примерно 75 миллионов голов, но уже в 1880—1885 годах в рассказах охотников Севера США говорилось об охоте на «последнего» бизона. В период 1870 по 1875 год ежегодно убивали примерно по 2,5 миллиона бизонов. Историк Эндрю Айзенберг писал о снижении численности бизонов с 30 миллионов в 1800 году до менее тысячи к концу XIX века.

Но даже убитый и освежёванный бизон мог послужить становлению США, как мощной сельскохозяйственной державы. Черепа и кости бизонов перемалывались на костную муку, которая, вместе с гуано вносилась на бедные земли плантаций Юга и поднимала урожаи хлопка и кукурузы.
И возвращала в сельскохозяйственный оборот столь важные азот и фосфор.

Однако, как мы помним из истории, "банкет" на гуано, на костях бизонов, на смерти индейцев и на использовании плодородия целинных прерий Великих Равнин длился недолго.
Всё дело в том, что как я уже сказал, рост городского населения и улучшение стандартов жизни людей в США повлекли за собой массовое изъятие минеральных веществ из почвы в виде урожая культурных растений.
А использование гуано и костной муки хоть и увеличило урожайности культурных растений, но одновременно и увеличило вынос азота и фосфора из почв.

Проблема фосфора, как необходимого нам минерала состоит в том, что у его соединений, которые существуют в земных условиях температур и давлений, нет газообразных форм, а есть только жидкие (водорастворимые) и твёрдые формы. Поэтому основная часть фосфора, безвозвратно теряемого в процессе биологического круговорота — это смыв его частиц на поверхности в виде мелкодисперсных осадков в Мировой Океан. В общем-то проблема, как и всегда, упирается в тот самый вторичный продукт, который вовсю обсуждался в "Москве-2042".
Чем в более чистой химической форме находится фосфор, тем легче ему образовать водорастворимое соединение и тем легче ему покинуть почвенный слой по току воды. Поэтому-то современное высокопродуктивное сельское хозяйство, столь зависимое от чистых удобрений вроде суперфосфата, вынуждено вносить их столь высокими дозами — суперфосфат по сравнению с тем же гуано (а тем более — по сравнению с навозом) гораздо меньше связан и гораздо проще растворим в воде. И ему значительно проще попасть в бескрайний Мировой Океан.

925

В самом Мировом океане тоже отнюдь не весь фосфор находится в водорастворимой форме. Там возникает похожая проблема — поток фосфора оказывается однонаправленным — с поверхности на глубину, вместе с погибающей органикой. Безусловно, часть фосфора потом поднимают восходящие океанические течения (так называемый апвеллинг), но, опять-таки, значительная часть его тоже захоранивается безвозвратно в самых глубоких частях Мирового океана.

Именно так возникли почти все крупные вторичные, биогенные месторождения фосфора — из захоронений на дне доисторических морей, которые были потом в результате движения плит вынесены наверх, обратно на сушу.
Поэтому, если содержание азота в почве ещё можно надеяться восстановить с помощью азотфиксирующих бактерий, то в случае фосфора тут у нас, как и с бизонами и индейцами — дорога с односторонним движением и анекдот про тёщу: "Умерла — так умерла!"
Это и есть смысл фосфорной ямы.

При этом не имеет значения, насколько богатая почва была у вас в самом начале — её плодородие вполне можно убить и за 20 лет неумелого хозяйствования.
Дадим слово современным агрономам:
"Динамика баланса азота, фосфора и калия на Украине сейчас отрицательна. До 1990 году поступления были больше, чем вынос положительных веществ, поэтому баланс был положительный. Сейчас вынос питательных веществ значительно больше, чем внесение, что приводит к истощению почв за счет неумелого хозяйствования, в частности, это касается краткосрочной аренды. Если арендаторы не планируют работать на этой земле в дальнейшем, поэтому их задача вытащить из земли за короткий срок все, и это делается за счет размещения технических культур таких как подсолнечник, рапс."
А вот эта же ситуация в наглядной картинке:
926

Куда дальше направит свои стопы Украина — для меня пока вопрос открытый. Скажу лишь одно: борьба за плодородие почв — это всегда вычерпывание воды из тонущей лодки дырявым решетом. Если ты берёшь минеральные вещества из почвы — тебе надо их вносить назад. Действует старая задачка о двух трубах и плавательном бассейне. Безусловно, буферные возможности гумуса, основной части украинских чернозёмов, в чём-то уникальны даже в мировом масштабе: гумус гораздо лучше навоза связывает и удерживает непослушные азот и фосфор. Однако любой, даже самый мощный буфер по определению конечен.

Пока Украина может ещё рассчитывать на естественное плодородие своих чернозёмов, накопленное за тысячи лет произрастания здесь степных трав и на задел по минеральным удобрениям, который был создан для неё ещё в советское время. Однако, надолго ли его хватит?
Ведь буфер гумуса отнюдь не бесконечный и на выходе из процесса вполне можно получить песок и глину. Вот такая она, злая и противная, эта фосфорная яма.
Что из почвы взял, что в унитаз стекло — то уже назад не попало.

Такая же ситуация возникла и у США в начале ХХ века.
Бизонов в США убили, "острова гуано" в количестве более, чем 50 штук были окучены и уже практически полностью выработаны, а основным поставщиком гуано для рынка США становились Чили.
При этом надо понимать, что конский и коровий навоз, человеческий фактор и птичье гуано — это удобрения комплексные. Они содержат все необходимые для растений микроэлементы — фосфор, калий, натрий и столь необходимый нам азот.
И при этом вопрос азота в чём то стоит даже острее, нежели вопрос фосфора.

Вот краткое описание схемы азотного цикла:

928

В отличии от фосфора, азоту несказанно повезло. "Азотная яма" ему грозит гораздо меньше, поскольку у азота есть сразу несколько газообразных соединений — сам молекулярный азот, которого у нас чуть ли не 4/5 от всей массы атмосферы и вредные окислы азота, которые выбрасывают наши транспорт и промышленность.
Поэтому естественное стекание азота в различные ямы нашей гидросферы и литосферы гораздо ниже, чем у фосфора.
Однако, в отличии от фосфора, который в основных его формах доступен всем растениям на Земле, азот в его газообразной форме растения усваивать не умеют.
Для усвоения азота он должен быть переведен в водорастворимые формы: в вид  нитритов NO2- ,нитратов NO3- или иона аммония NH4+.
Занимается этим процессом целая группа бактерий-азотфиксаторов и бактерий-нитрификаторов.
Ну а ещё одна группа бактерий, как вы понимаете, занимается разложением водорастворимых форм азота обратно на молекулярный азот, замыкая этот кругооборот. Ожидаемо их называют бактериями-денитрификаторами.

И вот с этими маленькими зверушками у нас и связана основная проблема азотного цикла, которая получила название азотного барьера.
Всё дело в том, что для процесса азотфиксации бактериям нужна энергия. Энергию бактерии, ожидаемо, берут не из нефти или природного газа, как мы, а из питательных веществ, которые содержатся в самой почве.
В силу этого у нас присутствует строго определённый объём азота, который может быть зафиксирован в расчёте на на единицу площади поверхности плодородной земли.
Желающим понять все тонкости процесса советую прочитать вот эту статью, а для остальных приведу лишь голые факты.
Микроорганизмы, в зависимости от вида почв и климата, переводят в водорастворимые формы всего лишь от 20 до 200 килограмм атмосферного азота в год на гектар.
Ещё от 1 до 30 килограмм азота на гектар добавляют ещё и дожди за счёт образования соединений азота в разрядах молний. Что интересно, если дожди кислотные, то азота они добавляют больше.
Поэтому Сержант Уголь и Мичман Нефть тоже пытаются решить нам азотную проблему. Правда, чадят они при этом безбожно и пользы от их усилий особой нет.

Таким образом, основная масса азота, содержащегося в населяющих нашу планету организмах, своим происхождением обязана именно биологической азотфиксации и составляет около 17,2•107 тонн в год, что в настоящее время в четыре раза превышает мировое промышленное производство аммиака.
Однако, как вы понимаете, весь этот объём равномерно "размазан" по всей поверхности и по всей биосфере, в то время, как человечество уже наполовину строит себя из азота биологической фиксации, а наполовину — из жуткого, химического азота, полученного в результате процесса Габера.
Именно процесс Габера, изобретённый немецким химиком Фрицем Габером, позволил человечеству на недолго выскользнуть из-под проклятия азотного барьера.
Во время пребывания в университете Карлсруэ с 1894 по 1911 годы Фриц Габер и Карл Бош разработали процесс Габера, при котором аммиак образуется из водорода и атмосферного азота (в условиях высоких температур и высокого давления, а также в присутствии катализатора). К вопросу высоких температур мы ещё вернёмся, когда будем звать на помощь Капитана Атома, а пока перенесёмся в начало XX века.

К 1913 году основным поставщиком связанного азота в мире были Чили. Именно в Чили были обнаружены, вдобавок к залежам гуано, ещё и громадные месторождения природной селитры. Я рассказывал о современной добыче селитры и йода в Чили вот здесь. Сейчас Чили, благодаря залежам селитры в пустыне Атакама контролирует мировой рынок йода, но в 1913 году ситуация была ещё интереснее.
Чили контролировала плодородие почв повсюду в мире, обладая практической монополией на производство и фосфорных, и азотных удобрений:

929

От такого монополизма больше всего страдала именно Германия.
Именно из-за такого монополизма Чили в деле снабжения мира азотом и фосфором и активности США касательно "островов гуано" и была предпринята попытка Германии аннексировать одно интересное островное государство.
История жизни и смерти этого островного государства заслуживает отдельной истории, но вернёмся пока снова в 1913 год.
После доведения до ума процесса Габера-Боша Германия, в отсутствии своих источников минерального азота, разворачивает масштабное производство аммиака. И уже к 1934 году, несмотря на позорные условия Версальского договора и на поражение в Первой Мировой войне, Германия неожиданно вырывается вперёд в деле производства соединений азота:

930
931

Мир азота разительно меняется. Месторождения селитры в Чили отходят на второй план, давая к 1934 году лишь 7,2% производства азота от 56,5%, которые они занимали в 1913 году.
Ну а синтетический аммиак, полученный в процессе Габера-Боша уже занимает к 1934 году 63,8% рынка. И впереди этого процесса идёт побеждённая, ограбленная, но не сломленная Германия.
Так Сержант Уголь, Мичман Нефть и Старшина Природный Газ спасали мир от азотного барьера. И делали это верой и правдой весь ХХ век.

934
Сержант Уголь, Мичман Нефть, Старшина Природный Газ и Капитан Атом спасают мир от азотного барьера и фосфорной ямы.

Почему же нам помогают в деле преодоления азотного барьера и в деле выбирания из фосфорной ямы Сержант Уголь, Мичман Нефть и Старшина Природный Газ?
Почему нам не помогут Лейтенант Солнце, Майор Ветер и Прапорщик Дрова?
И почему я так надеюсь на Капитана Атома?

Всё дело в температуре и в исходном сырье.
Процесс Габера эффективно идёт при температурах от 300 до 550 °C.
Для получения суперфосфата — основного фосфорного удобрения тоже необходим процесс обжига, который надо осуществлять при температуре от 320 °C до 980 °C. Чем выше температура обжига — тем большее количество фосфора переходит в водорастворимые формы.
Лейтенант Солнце, Майор Ветер и Прапорщик Дрова с трудом могут получать такие температуры в экономических реалиях их возможностей.
Кроме того — основным сырьём для производства аммиака является водород, который легко получить из жирных углей, из природного газа или даже из нефти.
А вот из дров, ветра и солнца водород можно получить только путём весьма затратной процедуры электролиза воды.

А как нам тут может помочь Капитан Атом, скажете вы?
Да вот так.
У Капитана Атома в рукаве есть козырная карта — реакторы с газовым охлаждением и, в частности, реакторы с гелие­вым теплоносителем.
Именно эти реакторы, помимо сверхвысокой эффективности в рамках термодинамического цикла, нацеленного на производство электричества, могут ещё и обеспечивать получение температур теплоносителя первого контура в пределах 900-1000 °C, которые и обеспечивают все нужды химической индустрии для целей получения сырья для производства фосфора и растворимого азота и проведения всех реакций до конечного продукта — готовых азотных и фосфорных удобрений.
Именно с такими реакторами можно легко лезть в бездонную фосфорную яму Мирового Океана, о чём уже много раз говорили большевики смелые изобретатели и получать фосфор где угодно хоть бы и из морской воды.

И такие реакторы уже испытывались и строились в 1960-х-1970-х годах.
И было это в Великобритании. И было это в Германии.
И будет это снова — так как только Капитан Атом может вытащить мир из фосфорной ямы и преодолеть азотный барьер.
Пока Капитан Атом застыл посередине пути. Планка в 650 °C уже уверенно взята на теплоносителе-углекислом газе, планка в 950 °C, достижимая на гелии, пока держится.

933
Здесь погибла немецкая программа высокотемпературных газовых реакторов.
Ещё одна не взлетевшая птица.


Но если Германия сломалась на гелиевой планке в 1988-м, то Китай и ЮАР не сдались и идут вперёд.
Идёт вперёд и Россия, хотя и нельзя сказать, что сильно спешит.

Ведь, как мы помним, Китаю в 2013 году, как и Германии в 1913 году — уже терять нечего. И времени у него, в отличии от России, нет совсем.
У него нет соглашения с Марокко и у него нет своих фосфоритов. Китаю уже не помогут Сержант Уголь, Мичман Нефть и Старшина Природный Газ.
И тем более — не смогут Китаю помочь Лейтенант Солнце, Майор Ветер и Прапорщик Дрова.
Вся надежда Китая — на Капитана Атома.
Ведь только он поможет Китаю выбраться из фосфорной ямы и взять азотный барьер.
Ну и не просрать насранное трудолюбивыми китайцами за весь трудный, но славный для них ХХ век.
Ведь назад, к опиумным войнам XIX века и к человеческим экскрементам на полях в качестве удобрения возвращаться никто не хочет.
Здравствуй, Пекин-2042.

Капитан Атом спешит на помощь.
Tags: Атом, Европа, Китай, Россия, будущее, и животноводство!, новая энергетика, прошлое, растения
Subscribe
promo crustgroup september 5, 2012 16:48 88
Buy for 100 tokens
Начиная цикл статей о ядерной энергии я постараюсь описать несколько моментов, которые часто проговариваются вскольз, либо вообще не упоминаются при разговоре о "ядерной альтернативе" ископаемым минеральным топливам. Стартанём собычных цифр и картинок, которые иногда гораздо более…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 246 comments
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →