Úvod do průmyslových technologií

Univerzita Jana Evangelisty Purkyně v Ústí nad Labem Fakulta životního prostředí Úvod do průmyslových technologií Miroslav Richter Ústí nad Labem 2012 1

Autor: Ing. Miroslav Richter, Ph.D., EUR ING Vědecký redaktor: Prof. Ing. František Kepák, DrSc Oponenti: Prof. Ing. Otakar Sőhnel, DrSc. Prof. Ing. Milan Kuchler, CSc. Miroslav Richter Ústí nad Labem 2012 2

Předmluva Předmět Úvod do průmyslových technologií úzce navazuje na předmět "Obecná chemie", kde studenti získávají základní teoretické poznatky. Dále navazuje na předmět Fyzika a přístrojová technika, který je orientován na rozšíření základních znalostí fyziky ze středních škol. Předkládaný učební text Úvod do průmyslových technologií je první částí bloku technologických předmětů vyučovaných na Fakultě životního prostředí Univerzity J.E.Purkyně v Ústí n.l. Podává obsáhlejší výklad technologicky a technicky pojatých problémů použitelný pro studium dalších tématicky příbuzných předmětů. Cílem bloku těchto předmětů je seznámit posluchače s tokem materiálů a energií hlavně v průmyslových výrobních procesech a jejich fyzikálními i chemickými přeměnami. Dále seznamuje posluchače se základními pojmy, teoretickým základem a principy technologických procesů, konstrukcemi vybraných zařízení a možnostmi jejich využívání v průmyslové praxi. V předmětu Úvod do průmyslových technologií je věnována pozornost základním postupům získávání a úprav přírodních surovin, způsobům jejich dopravy do zpracovatelských podniků včetně systémů technologických doprav. Dále jsou vysvětleny základní technologické operace zpracování surovin a polotovarů na konečné výrobky, jejich skladování, balení a expedice ke spotřebitelům. Zároveň jsou popsány postupy výroby, rozvodu a přeměn energií, mechanismy sdílení tepla a hmoty. Ve stručnosti jsou uvedeny základy řízení technologických procesů. U všech probíraných partií je též věnována pozornost problematice ochrany pracovního prostředí a složek životního prostředí. Na předmět "Průmyslové technologie - úvod" navazují v bakalářských studijních oborech předměty "Průmyslová technologie I a II" nebo Přehled průmyslových technologií" a dále "Technologie ochrany životního prostředí". V navazujícím magisterském programu pokračuje výuka předměty "Průmyslové technologie III" zaměřené na vývoj k čistším technologiím a Biotechnologie užívané především ke zneškodňování nebezpečných látek vstupujících do životního prostředí. Blok technologicky orientovaných předmětů doplňují předměty orientované na analytickou chemii a monitoring jak v bakalářském tak magisterském stupni studia. Všechny uvedené předměty tvoří ucelené bloky ve studijních programech Fakulty životního prostředí. Jsou obsahově provázané s ostatními předměty bakalářských i magisterských studijních programů a studijních oborů. Učební text byl doplněn a aktualizován v roce 2012 v rámci projektu OPVK s pracovním názvem ENVIMOD. M. Richter 3

Doporučená metodika studia Obsah učebního textu je členěn do kapitol. Důležité partie textu jsou zvýrazněny tučným tiskem, podtržením nebo umístěním části textu s principielně důležitými poznatky a důležitými závěry do rámečku. V každé kapitole je ve stručnosti uvedena (-o, -y): - část úvodní seznamující s problémem a možnostmi jeho řešení, - část teoretická objasňující základní pojmy a principy, - schéma zařízení, - praktická část popisující konkrétní technologický postup a použitá zařízení s podmínkami provozu, - uplatnění příslušné technologie, omezení a rizika provozu, - kontrolní otázky. Student si musí samostatným studiem osvojit každou z uvedených částí textu s důrazem na zvládnutí oborové terminologie, technologických postupů a jejich chemismu, pokud je v textu uveden. Zároveň musí studující zvládnout principy funkce základních technologických zařízení. Uváděná zjednodušená schémata technologických postupů a zařízení musí být schopen načrtnout a popsat minimálně v rozsahu připojené legendy. Pro kontrolu úspěšnosti studia jsou připojeny kontrolní otázky. Jejich vypracováním a kontrolou správnosti odpovědí dle předchozího textu má student průběžně zpětnou vazbu o účinnosti studia. Za dobrý výsledek lze považovat min. 2/3 správných odpovědí. 4

Obsah 1 MATERIÁLOVÉ A ENERGETICKÉ BILANCE.. 10 2 TĚŽBA A ÚPRAVA SUROVIN....12 2.1 PŘÍRODNÍ ZDROJE. 13 2.2 PRŮMYSLOVÉ VYUŽITÍ NEROSTNÝCH SUROVIN 15 2.3 DRUHOTNÉ SUROVINOVÉ ZDROJE 16 2.4 TĚŽBA NEROSTNÝCH SUROVIN VE SVĚTĚ A ČR... 17 2.5 NEROSTNÉ SUROVINY MOŘÍ A OCEÁNů...18 2.5.1 MOŘSKÁ VODA.18 2.5.2 POVRCH MOŘSKÉHO DNA.19 2.5.3 NEROSTNÉ SUROVINY POD POVRCHEM MOŘSKÉHO DNA...19 2.6 TĚŽBA NEROSTNÝCH SUROVIN NA PEVNINĚ 21 2.6.1 PODZEMNÍ - PODPOVRCHOVÁ TĚŽBA...21 2.6.2 POVRCHOVÁ - LOMOVÁ TĚŽBA..........22 2.6.3 VLIVY TĚŽBY NA PŘÍRODNÍ PROSTŘEDÍ...24 2.6.4 OMEZENÍ NEGATIVNÍCH VLIVŮ TĚŽBY NA ŽP... 25 2.7 ÚPRAVA TUHÝCH NEROSTNÝCH SUROVIN...26 2.7.1 ROZPOJOVÁNÍ (DRCENÍ A MLETÍ)......26 2.7.2 TŘÍDĚNÍ A ROZDRUŽOVÁNÍ MATERIÁLU.... 32 2.8 FLOTACE..... 39 2.9 LOUŽENÍ......40 2.10 SUŠENÍ A KALCINACE.... 41 2.11 HRUDKOVÁN, BRIKETOVÁNÍ, TABLETACE A GRANULACE.....42 3 DOPRAVA, SKLADOVÁNÍ A BALENÍ MATERIÁLU.. 44 3.1 DOPRAVA....... 44 3.1.1 ZÁKLADNÍ TERMINOLOGIE DOPRAVY......44 3.1.2 TYPY DOPRAVY.... 45 3.1.3 DRUHY DOPRAVY.... 47 3.1.3.1 VODNÍ DOPRAVA.47 3.1.3.2 ŽELEZNIČNÍ DOPRAVA...48 3.1.3.3 AUTOMOBILOVÁ DOPRAVA..50 3.1.3.4 LETECKÁ DOPRAVA 51 3.1.3.5 POTRUBNÍ DOPRAVA..51 3.1.3.6 TECHNOLOGICKÁ DOPRAVA 52 3.2. SKLADOVÁNÍ....... 57 3.2.1 SKLADOVÁNÍ PEVNÝCH SYPKÝCH SUBSTRÁTŮ 57 3.2.2 SKLADOVÁNÍ KAPALIN.58 3.2.3 SKLADOVÁNÍ PLYNŮ.58 3.3 BALENÍ......59 3.3.1 OBALOVÉ MATERIÁLY.. 59 3.3.2 BALÍCÍ A MANIPULAČNÍ TECHNIKA...60 3.4 NEGATIVNÍ ÚČINKY DOPRAVY A MANIPULACE S MATERIÁLEM NA ŽP 61 3.4.1 ZÁKLADNÍ NEGATIVNÍ ÚČINKY A JEJICH PŮVOD......61 3.4.2 OMEZENÍ NEGATIVNÍCH ÚČINKŮ DOPRAVY.. 63 5

4 ENERGETIKA.. 65 4.1 ENERGIE, DRUHY A FORMY ENERGIE.65 4.2 ENERGETICKÉ NÁZVOSLOVÍ A ZÁKLADNÍ POJMY...66 4.3 SPOTŘEBA ENERGIE.. 68 4.4 ZDROJE ENERGIE A ZÁSOBY ENERGETICKÝCH SUROVIN.. 69 4.5 VYUŽITÍ FOSILNÍCH PALIV A CENOVÉ BARIÉRY... 71 4.6 VYUŽITÍ A ZTRÁTY ENERGIÍ.... 73 4.7 ROZDĚLENÍ A VLASTNOSTI PALIV....74 4.8 OTEVŘENÝ A UZAVŘENÝ OBĚH......76 4.9 TEPELNÉ ENERGETICKÉ VÝROBNY.... 78 4.10 VODNÍ ELEKTRÁRNY..80 5 HYDROMECHANICKÉ POCHODY 83 5.1 HYDROSTATIKA.. 83 5.2 HYDRODYNAMIKA. 85 5.2.1 VISKOZITA TEKUTIN....85 5.2.2 POVAHA TOKU......87 5.2.3 ROVNICE KONTINUITY.......90 5.2.4 BERNOULLIHO ROVNICE... 90 5.2.5 MÍSTNÍ ZTRÁTY.... 95 5.2.6 INERCIÁLNÍ ZTRÁTY... 96 6 DOPRAVA TEKUTIN... 97 6.1 DOPRAVA KAPALIN - ČERPADLA..97 6.1.1 OBJEMOVÁ ČERPADLA..99 6.1.1.1 PÍSTOVÁ ČERPADLA...99 6.1.1.2 MEMBRÁNOVÁ ČERPADLA..100 6.1.2 ODSTŘEDIVÁ ČERPADLA.. 100 6.1.3 ŠNEKOVÁ ČERPADLA....103 6.1.4 VŘETENOVÁ ČERPADLA..104 6.1.5 ZUBOVÁ ČERPADLA A ČERPADLA S ROTUJÍCÍMI PÍSTY.104 6.1.6 HADICOVÁ ČERPADLA A PERISTALTICKÁ ČERPADLA...105 6.1.7 OSTATNÍ TYPY ČERPADEL.....105 6.2 DOPRAVA A KOMPRESE PLYNŮ.108 6.2.1 KOMPRESORY.109 6.2.2 DMYCHADLA...113 6.2.3 VENTILÁTORY.114 6.2.4 VÝVĚVY 116 7 ROZDĚLOVÁNÍ HETEROGENNÍCH SMĚSÍ...118 7.1 ODLUČOVÁNÍ TUHÝCH NEBO KAPALNÝCH ČÁSTIC Z TEKUTIN...118 7.1.1 ZÁKLADNÍ TERMINOLOGIE ODLUČOVAČŮ.... 118 7.1.2 PŮVOD A VLASTNOSTI TUHÝCH A KAPALNÝCH ČÁSTIC...121 7.1.3 TVAR ČÁSTIC..125 7.1.4 MĚRNÁ, SYPNÁ A SETŘESNÁ HMOTNOST TUHÝCH ČÁSTIC 125 7.1.5 DISTRIBUCE TUHÝCH ČÁSTIC 126 7.1.6 MĚRNÝ POVRCH ČÁSTIC.127 7.1.7 PERMITIVITA...127 6

7.1.8 ELEKTRICKÝ NÁBOJ ČÁSTIC...128 7.1.9 ELEKTRICKÝ ODPOR.129 7.1.10 SYPNÝ ÚHEL A ÚHEL SKLUZU 130 7.1.11 LEPIVOST..130 7.1.12 OPOTŘEBENÍ 131 7.1.13 SMÁČIVOST..131 7.1.14 VÝBUŠNOST.132 7.1.15 ROZPUSTNOST...133 7.2 FYZIKÁLNÍ PRINCIPY ODLUČOVÁNÍ.133 7.2.1 GRAVITAČNÍ SÍLA......133 7.2.2 ODSTŘEDIVÁ SÍLA.135 7.2.3 ELEKTROSTATICKÁ SÍLA.136 7.2.4 DIFUZNÍ JEVY..140 7.2.5 KOAGULAČNÍ JEVY 140 7.2.6 FILTRACE..140 7.3 KONSTRUKCE A TECHNICKÉ PARAMETRY ODL. PRACHU. 141 7.3.1 SUCHÉ MECHANICKÉ ODLUČOVAČE PRACHU - CYKLÓNY. 141 7.3.2 MOKRÉ MECHANICKÉ UČOVAČE..143 7.3.2.1 SPRCHOVÉ VĚŽE.. 143 7.3.2.2 PĚNOVÉ ODLUČOVAČE...145 7.3.2.3 PROUDOVÉ ODLUČOVAČE.....146 7.3.2.4 DALŠÍ TYPY MOKRÝCH MECHANICKÝCH ODLUČOVAČŮ...148 7.4. ELEKTROSTATICKÉ ODLUČOVAČE.....148 7.4.1 VERTIKÁLNÍ TRUBKOVÉ ODLUČOVAČE....149 7.4.2 HORIZONTÁLNÍ KOMOROVÉ ODLUČOVAČE.....151 7.5 TEXTILNÍ FILTRY. 152 7.6 FYZIKÁLNĚ-MECHANICKÉ ČIŠTĚNÍ KAPALIN..155 7.6.1 LAPÁKY ŠTĚRKU A PÍSKU.. 155 7.6.2 ČESLE. 156 7.6.3 SÍTA.... 155 7.6.4 LAPÁKY OLEJŮ A TUKŮ...156 7.6.5 USAZOVÁKY 157 7.7 FILTRAČNÍ ZAŘÍZENÍ KAPALIN..159 7.7.1 NUČ 159 7.7.2 KOMOROVÉ FILTRY..160 7.7.3 SVÍČKOVÉ FILTRY.161 7.7.4 BUBNOVÉ FILTRY..162 7.7.5 PÁSOVÉ FILTRY A PÁSOVÉ LISY....163 7.8 ODSTŘEDIVKY... 164 7.8.1 DEKANTÉRY 164 7.8.2 FILTRAČNÍ ODSTŘEDIVKY..165 8. SDÍLENÍ TEPLA..168 8.1 SDÍLENÍ TEPLA VEDENÍM (KONDUKCÍ).. 169 8.2 SDÍLENÍ TEPLA SÁLÁNÍM (RADIACÍ)..171 8.3. SDÍLENÍ TEPLA PROUDĚNÍM (KONVEKCÍ)...175 8.4 PROSTUP TEPLA...179 7

8.5 ZAHŘÍVÁNÍ, CHLAZENÍ A KONDENZACE 180 8.5.1 ZAHŘÍVÁNÍ..181 8.5.2 CHLAZENÍ 182 8.5.3 VÝMĚNÍKY TEPLA.184 8.6 ODPAŘOVÁNÍ....188 9. PŘESTUP HMOTY - DIFÚZNÍ PROCESY.192 9.1 ABSORPCE.....192 9.1.1 TERMODYNAMIKA ABSORPCE..192 9.1.2 KINETIKA ABSORPCE...194 9.1.3 KONSTRUKCE A TECHNOLOGICKÉ USPOŘÁDÁNÍ ABSORPCE..199 9.1.4 ABSORPCE S CHEMICKOU REAKCÍ (PŘÍLADY)..205 9.1.5 DESORPCE (EXSORPCE)...209 9.2 ADSORPCE..210 9.2.1 FYZIKÁLNÍ ADSORPCE. 210 9.2.2 CHEMISORPCE 211 9.2.3 TERMODYNAMIKA ADSORPCE..212 9.2.4 KINETIKA ADSORPCE...213 9.2.5.1 ADSORBÉRY S PEVNÝM LOŽEM 213 9.2.5.2 ADSORBÉRY S POHYBLIVÝM LOŽEM..215 9.3 KRYSTALIZACE.... 217 9.3.1 FÁZOVÁ ROVNOVÁHA.217 9.3.2 KINETIKA RŮSTU KRYSTALŮ 219 9.3.3 HLAVNÍ TYPY KRYSTALIZÁTORŮ 220 9.4 GRANULACE, TABLETACE, ŠUPINKOVÁNÍ.223 9.5 SUŠENÍ.226 9.5.1 MECHANISMUS SUŠENÍ...229 9.5.2 MATERIÁLOVÁ BILANCE KONTINUÁLNÍ PROTIPROUDÉ SUŠÁRNY 230 9.5.3 ENTALPICKÁ BILANCE KONTINUÁLNÍ PROTIPROUDÉ SUŠÁRNY 231 9.5.4 TEORETICKÉ ŘEŠENÍ SUŠENÍ POMOCÍ STAVOVÉHO DIAGRAMU...231 9.5.5 ZÁKLADNÍ KONSTRUKČNÍ TYPY SUŠÁREN...233 9.6 DESTILACE A REKTIFIKACE... 238 9.6.1 CHARAKTERISTIKA SOUSTAV...238 9.6.2 ROVNOVÁŽNÝ ISOBARICKÝ FÁZOVÝ DIAGRAM NEAZEOTROPNÍ SOUSTAVY...239 9.6.3 ROVNOVÁŽNÝ ISOBARICKÝ FÁZOVÝ DIAGRAM AZEOTROPNÍ SOUSTAVY...240 9.6.4 ZÁKLADNÍ TYPY DESTILACÍ..242 9.7 EXTRAKCE.245 9.7.1 ROVNOVÁŽNÝ DIAGRAM PRO EXTRAKCI...246 9.7.2 ZPŮSOBY PROVÁDĚNÍ EXTRAKCE KAPALINY KAPALINOU...248 9.7.3 TYPY EXTRAKTORŮ A EXTRAKČNÍCH KOLON..248 9.7.4 PRŮMYSLOVÉ POUŽITÍ EXTRAKTORŮ.249 10. ZÁKLADY SYSTÉMŮ ŘÍZENÍ TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ 251 10.1 ZÁKLADNÍ POJMY, ZÁKLADNÍ PRVKY OBVODŮ MĚŘENÍ A ŘÍZENÍ.. 251 10.2 METODY MĚŘENÍ FYZIKÁLNÍCH A FYZ.-CHEMICKÝCH VELIČIN 252 10.2.1 TEPLOTA 253 10.2.2 TLAK... 253 8

10.2.3 HLADINA... 253 10.2.4 PRŮTOK. 254 10.2.5 HMOTNOST... 256 10.2.6 HUSTOTA.. 256 10.2.7 ELEKTRICKÉ VELIČINY. 257 10.2.8 KVALITATIVNÍ VELIČINY. 258 10.3 ZÁKLADY TEORIE ŘÍZENÍ 257 10.4 PŘECHODOVÉ CHARAKTERISTIKY 261 10.5 ZÁKLADNÍ STRUKTURA ŘÍDÍCÍHO OBVODU.. 262 10.6 OBECNÝ POPIS ČÍSLICOVĚ ŘÍZENÉ SOUSTAVY. 262 10.7 ZPŮSOBY OZNAČOVÁNÍ OBVODŮ MĚŘENÍ, REGULACE A ŘÍZENÍ... 265 11. ÚPRAVA VODY 268 11.1 ZDROJE VOD. 268 11.1.1 POVRCHOVÉ VODY. 268 11.1.2 PODZEMNÍ VODY 269 11.2 POTRUBNÍ SÍTĚ 271 11.3 TECHNOLOGIE ÚPRAVY PITNÉ VODY.. 272 11.4 TECHNOLOGICKÉ PROCESY ÚPRAVY POVRCHOVÉ VODY. 275 11.4.1 MECHANICKÉ PŘEDČIŠTĚNÍ VODY PŘED ÚPRAVNOU. 275 11.4.2 ÚPRAVA ph 275 11.4.3 ÚPRAVA VODY ČIŘENÍM.. 276 11.4.4 ODŽELEZOVÁNÍ A ODMANGANOVÁNÍ. 276 11.4.5 FILTRACE.. 277 11.4.6 DESINFEKCE. 277 11.4.7 OSTATNÍ TECHNOLOGICKÉ OPERACE UŽÍVANÉ PŘI ÚPRAVĚ VOD. 278 12. TECHNICKÉ PLYNY.. 279 12.1 ZÁKLADNÍ FYZ.-CHEM. VLASTNOSTI TECHNICKÝCH PLYNŮ... 279 12.2 VÝROBA TECHNICKÝCH PLYNŮ.... 280 12.2.1 CHEMICKÉ VÝROBNÍ POSTUPY.. 280 12.2.2 FYZIKÁLNÍ POSTUPY VÝROBY TECH. PLYNŮ 289 12.3 DOPRAVA A SKLADOVÁNÍ TECHNICKÝCH PLYNŮ 294 13. LITERATURA... 297 9

1.0 Materiálové a energetické bilance V současnosti o komerční úspěšnosti konkrétních výrobních postupů rozhodují vedle kvality, užitných vlastností produktů a ekonomických ukazatelů konkrétní výrobní technologie také minimalizace negativních vlivů na pracovní a životní prostředí. Velmi důležitou vstupní informací jsou údaje o spotřebě všech surovin, pomocných látek a energií, informace o jejich tocích - množství a složení ve všech vstupních a výstupních proudech i mezi jednotlivými technologickými operacemi. Z tohoto důvodu je nezbytné pečlivé bilancování všech toků materiálů a energií. Základem pro zpracování bilancí jsou zákony zachování hmoty a energie, které lze obecně vyjádřit následovně: Σ hmot vstupujících do systému = Σ hmot vystupujících ze systému + akumulace v systému Σ energií ve vstupních proudech + energie dodaná systému = = Σ energií ve výstupních proudech + vykonaná práce + akumulace energie v systému Materiálové bilance jsou vždy základem pro zpracování bilancí energetických. Při úplné energetické bilanci se do jednotlivých položek zahrnují všechny druhy energií, jako jsou např. energie tepelná, vnitřní, potenciální, kinetická, povrchová, tlaková, elektrická, energie proudící kapaliny. Často je sestavována zjednodušená energetická bilance, v níž jsou vynechány ty položky, které jsou vůči ostatním zanedbatelné. Nejběžnější formou energetických bilancí jsou tepelné - entalpické bilance. Tepelnou bilanci průtočného systému lze vyjádřit obecným vztahem: H vstup + Q = H vystup, kde H vstup je celkový vstupní a H vystup je celkový výstupní entalpický tok a Q je tepelný tok převáděný přes hranici systému. Tepelnou bilanci lze sestavit jak pro množství tepla (J), tak pro tepelné toky (J/h). Záleží na tom, zda je základem tepelné bilance jednotka množství (kg, kmol) nebo jednotka toku látky (kg/h, kmol/h). Zpracování detailní materiálové a energetické (tepelné) bilance pro každou výrobní operaci a nakonec celou výrobnu konkrétního produktu dává jasný přehled jak o pohybu hmot a energií v systému, tak i všech ztrátách materiálu a energií. Vlastní technika bilančních výpočtů je samostatně popsána ve sbírce příkladů k předmětu "Úvod do průmyslových technologií". Konkrétní příklady jsou probírány na cvičeních k tomuto předmětu. Spotřeby surovin a energií vztažené na jednotku produkce, zpravidla 1 tunu výrobku, definují příslušnou spotřební normu. Spotřební normy surovin a energií náleží do skupiny tzv. technicko-hospodářských norem (THN). THN dále zahrnují např. normy spotřeby práce výrobních dělníků, normy skladových zásob, finančně vyjádřené normy údržby technologického zařízení aj. Účinnost využití vstupních surovin a tím úroveň ztrát, která vyplývá z THN, rozhodujícím způsobem ovlivňuje nejen ekonomické, ale i ekologické parametry příslušné výroby. Surovinová a energetická náročnost konkrétních výrob ukazuje na čerpání příslušných přírodních zdrojů. Množství ztrát materiálů, jejich fyzikální, chemické a případně 10

toxikologické vlastnosti určují vznik a charakter plynných, kapalných a tuhých odpadů, resp. nároky na jejich úpravu, přepracování a opětné využití ve výrobě. Ztráty energií do okolí např. sáláním, množství a teplota vypouštěných oteplených vod, plynů a par vypovídají o tepelném znečištění vody a atmosféry. Promítají se přímo do technicko-hospodářských norem, ale zároveň jsou dle nich stanovovány vlivy příslušné výroby na pracovní a životní prostředí. Pokud jsou v příslušném stupni schvalovacího řízení projektu nebo rozhodnutím o zkušebním či trvalém provozu výrobny potvrzena orgány státní správy, stávají se závaznými pro projektanta ve fázi projekce a následně pro provozovatele konkrétní výrobní technologie. Např. překročení množství a koncentrací škodlivin v některém z materiálových toků zjištěné na základě objektivního měření je ze zákona důvodem pro zahájení správního řízení. Při prokázání technologické nekázně oproti reglementovaným a schváleným parametrům pokutuje správní orgán provozovatele výrobní technologie nebo má až právo příslušnou výrobu zastavit. Spotřeby surovin a energií vztažené na jednotkovou produkci (t.j. technickohospodářské normy) vyjádřené v peněžních jednotkách jsou označovány jako přímé náklady výroby. Promítají se tak do výrobních nákladů výroby konkrétního produktu a jsou součástí jeho ceny. Úroveň využití vstupních surovin a energií se tak bezprostředně promítá až do ekonomických výsledků provozovatele dané výrobní technologie včetně dosahovaného zisku. V konečné fázi rozhoduje využití surovin a energií spolu s dalšími parametry výroby a výrobku o konkurenceschopnosti výrobní technologie a výrobku na trhu. Materiálové a energetické bilance jsou vždy součástí předprojektové, projektové a provozní dokumentace (technologického reglementu včetně příslušných THN) každé výroby. Poskytují zásadní údaje nezbytné pro zpracování studií vlivu technologií na složky životního prostředí (EIA), posuzování a akreditaci technologií dle norem ISO 9000 a ISO 14000, vydávání příslušným certifikátů. Výše uvedené skutečnosti dokumentují význam materiálových a energetických bilancí pro průmyslové výrobní technologie. Bližší podrobnosti k metodice s příklady výpočtů materiálových a energetických bilancích jsou v publikaci Sbírka příkladů z obecné a průmyslové chemie autorů T.Loučka, M.Richter vydané FŽP UJEP pro potřeby studentů 1. a 2. ročníků bakalářského studia všech oborů. Úplný text sbírky je také dostupný na www stránkách pod adresou http://fzp.ujep.cz. Kontrolní otázky 1. Které základní zákony jsou základem pro zpracování materiálových a energetických bilancí? 2. K jakým účelům v technické a ekonomické praxi jsou materiálové a energetické bilance určeny? 11

2.0. Těžba a úprava nerostných surovin 2.1. Přírodní zdroje Obnovitelné přírodní zdroje jsou zdroje surovin, které se v přírodě buď samovolně probíhajícími procesy nebo procesy záměrně realizovanými člověkem obnovují. Mezi obnovitelné přírodní zdroje (nejdůležitější složky přírodního bohatství) náleží např. voda, vzduch, půda a na ní rostoucí zemědělské a lesní kultury. Obnovitelným zdrojem jsou rovněž produkty živočišné výroby nebo lovu zvěře. Již z tohoto výčtu a zkušenosti je patrné, že v určitém stádiu rozvoje lidské společnosti nelze vyloučit antropogenní poškození obnovitelných přírodních zdrojů, kterým může být jejich reprodukce částečně nebo zcela blokována. Obnovitelné suroviny jsou zpravidla chráněny zákony na ochranu přírody nebo životního prostředí (Zákon o ochraně vod, Zákon o ochraně ovzduší, Zákon o půdě, Zákon o odpadech aj.). Plný text příslušných zákonů, prováděcích vyhlášek, předpisů a emisních limitů je dostupný na internetové adrese Ministerstva životního prostředí pod adresou http://env.cz. Neobnovitelné přírodní zdroje - jsou zpravidla ložiska minerální nerostných surovin, která se v přírodě neobnovují 1. Nerostnými surovinami se mohou stát ty nerostné přírodniny, které lze využít přímo nebo po úpravě k průmyslovému přepracování. Přírodniny lze seřadit dle kvantitativních a kvalitativních hledisek do následující posloupnosti: - výskyt přírodniny - akumulace v přírodním prostředí koncentrace v příslušných minerálech je tak nízká nebo z pohledu úpravárenských procesů tak nevýhodná, že její průmyslové využití za daného stupně technologického rozvoje neumožňuje její ekonomické využití. Zařazení mezi nerostné suroviny proto za daných podmínek není možné. - zdroj nerostné suroviny - je akumulace přírodniny, která v současnosti nebo za definovaných podmínek v blízké budoucnosti je využitelná pro průmyslovou těžbu dle předpokládaného nebo geologickým průzkumem ověřeného rozsahu zásob. - ložisko nerostné suroviny - akumulace žádaného minerálu v přírodním prostředí a konkrétní lokalitě je tak velká, že je technologicky i ekonomicky schůdná těžba a zpracování příslušného minerálu. - rudy - nerostné suroviny, ze kterých lze získat kovy. 2 Neobnovitelné suroviny jsou ve většině zemí předmětem zákonné ochrany, v ČR tzv. Horního zákona. Základem ochrany nerostného bohatství je důsledné vedení jeho evidence. Vstupní data pro tuto evidenci poskytuje geologický průzkum a na něj navazující metody výpočtů zásob nerostných surovin. 1 V některých případech je rychlost obnovy přírodních nerostných zdrojů tak nízká oproti úrovni těžby ložisek v jiných lokalitách, že ji lze zanedbat. Příkladem nechť je rychlost vzniku vápenců na korálových útesech tropických moří proti objemům jejich průmyslové těžby. 2 Rudy mohou obecně obsahovat sloučeniny více kovových prvků. Pak je hovořeno o polymetalických rudách. V některých případech rudy kovů obsahují i další průmyslově využitelné složky, např. síru v sulfidických rudách (pyrit, chalkopyrit, galenit, sfalerit, blejno zinkové aj.). Pak může být ruda významnou surovinou jak pro hutnictví tak i pro chemický průmysl. 12

Výpočty zásob nerostných surovin se liší dle skupenství nerostné suroviny: - pevné suroviny jsou bilancovány v tom stavu, v jakém se vyskytují v ložisku bez ohledu na metody těžby, úpravy nebo možností jejich dalšího využití, - kapalné nerostné suroviny (podzemní voda, ropa), - plynné suroviny 3 (zemní plyn, karbonský plyn) jsou bilancovány s ohledem na vytěžitelný podíl zásob. Z metod výpočtů zásob pevných nerostných surovin jsou nejdůležitější následující: - metoda bloků (geologických nebo těžebních), - metoda řezů (horizontálních, vertikálních nebo kombinovaných), - metody statistické (koeficient rudonosnosti aj.), - metoda izolinií. Zásoby podzemních vod jsou vyjadřovány tzv. vydatností zdroje (např. v m 3. s -1 ), která prakticky odpovídá výši přítoku vody, kterou lze z ložiska čerpat, aniž by došlo k narušení režimu v ložisku (pánvi, zvodni). Zásoby ropy a zemního plynu jsou vypočítávány metodami objemovými nebo statistickými. Objemová metoda předpokládá náhradu nerostné suroviny v pórech kolektorské horniny např. vodou a objem vytěsněné ropy nebo zemního plynu je jí úměrný. Takto zjištěný objem je násoben koeficientem výtěžnosti závislým na ložiskovém režimu: - efektivní režim tlakových vod: 0,6-0,8 - efektivní režim plynové čepice: 0,5-0,7 - neefektivní režim plynové čepice: 0,4-0,6 - režim rozpuštěného plynu: 0,2-0,4 - gravitační režim: 0,1-0,2 Např. při gravitačním režimu v ložisku zůstává 80 90% zásob ropy jako nevytěžitelný podíl. Statistické metody výpočtu zásob vycházejí z extrapolace empiricky získaných křivek závislosti poklesu tlaku v ložisku na objemu vyčerpané nerostné suroviny. Výpočty zásob nerostných surovin je nutné korigovat dle použité technologie geologického průzkumu, technologie těžby nebo dle skutečných těžebních poměrů v ložisku, stádiu těžby a pod. Hodnocení zásob nerostných surovin se vždy vztahuje k tzv. geologickým zásobám vyjadřujícím s co možná největší přesností množství a kvalitu nerostné suroviny v přirozeném uložení - ložisku. Jsou rozlišovány zásoby nerostných surovin: - prognózní (předpokládané) geologické zásoby - jedná se o zásoby nerostných surovin, u nichž je geologický průzkum a bilance zásob teprve rozpracována a dále se zpřesňuje. - ověřené geologické zásoby: Ověřené geologické zásoby se na ložiscích nerostných surovin dělí v současnosti podle úrovně znalostí o ložisku a báňsko-technických podmínek dobývání do čtyř kategorií: A, B, C 1 a C 2. Bilanční zásoby vyhovují podmínkám dobývání a zpracování, jsou určeny k hospodářskému využití. 3 Základní složkou přírodních plynů je metan. Ten je často provázen oxidem uhličitým, dusíkem, sulfanem, ale i např. heliem. 13

Nebilanční zásoby vyhovují podmínkám dobývání a zpracování, ale jejich hospodářské využití není z různých důvodů vhodné (ochrana krajiny a životního prostředí, narušení nebo likvidace sídel, kulturních památek aj.). 4 Dále jsou rozlišovány geologické zásoby: - volné - určené k hospodářskému využití bez dalších omezení, - vázané - netěžitelné zásoby v ochranném pilíři těžních jam a povrchových lomů, zařízení dolů, vybraných sídel, veřejných komunikací, vodních toků nebo zdrojů minerálních vod a pod. 5 Všechny geologické zásoby, ať již bilanční a nebilanční, volné nebo vázané jsou evidovány odděleně Českým geologickým úřadem. Náklady na využití ložisek mají následující položky: - geologický průzkum: - je určen k vyhledávání a ověření zásob nerostných surovin v ložiscích. - otevření těžby: - zahrnuje náklady na vystavění těžebního a úpravárenského závodu, výstavbu inženýrských sítí (např. přívodní linky elektřiny, vody, kanalizační sítě, komunikace, skládky pro uložení odpadů z úpravny) včetně vyvolaných investic, např. výstavbu ubytovacích zařízení s jejich infrastrukturou. - těžbu: - zahrnuje veškeré náklady spojené s provozem těžebního závodu, např. povrchového lomu nebo hlubinného dolu, vrtů na jímání podzemních vod, ropy, zemního plynu. - úpravu nerostných surovin: - tato nákladová položka zahrnuje všechny náklady spojené s úpravou nerostné suroviny nutnou pro další její průmyslové využití. - rekultivace: - do položky rekultivací jsou zahrnuty všechny náklady spojené se sanací těžební lokality území - po ukončení těžby. Ztráty při těžbě a využití nerostných surovin jsou vyvolány hlavně následujícími příčinami: - zvolenou technologií těžby - při podzemním dobývání obvykle ztráty dosahují 10-30%, ale mohou dosáhnout i hodnoty 50%. Jejich největší část většinou tvoří ochranné pilíře báňských staveb, jak bylo uvedeno dříve. - úpravárenskou technologií - ztráty zpravidla rostou s poklesem koncentrace užitkového nerostu v surovině, s jeho jemnou zrnitostí a nepravidelným rozložením ve výchozích nerostech, chemickým složením, případně složitou krystalickou strukturou minerálů. Ztráty v úpravně dosahují obvykle hodnot do 10 %, ale mohou dostoupit až 40 %. Toto významně zatěžuje odpadové hospodářství úpravny a její ekonomiku. - ztráty během přepravy - veškeré dopravní systémy užívané mezi těžními provozy a zpracovatelskými provozy vykazují určité ztráty surovin. Vyšší ztráty vykazují systémy přepravy volně ložených materiálů (otevřené železniční vagóny, nákladní auta a lodě), uzavřené přepravní systémy mají obecně ztráty nižší (kontejnery, cisterny, přepravní vaky a pytle). Ztráty vznikají závadami na těchto systémech 4 Principiálně není vyloučeno využití nebilančních geologických zásob v budoucnosti. Např. využitím nových těžebních technologií nebo změnou situace na trhu surovin, ekonomických podmínek těžby a úpravy suroviny, které umožní výraznější investice do otevření ložiska včetně eliminace rizik pro okolí. 5 Např. pod Teplicemi je ponechán piliř v ložisku hnědého uhlí chránící prameny léčivých termálních vod. 14

nebo vlastnostmi přepravovaného materiálu (např. lepivost, prašnost). Vyšší ztráty vykazují materiály práškovité úletem prachu do okolí (např. za větrného počasí během přepravy a překládky) nebo materiály lepivé, případně mokré a v zimě přimrzající k povrchu dopravních zařízení. Ztráty během přepravy se pohybují mezi 2-5 %. - zpracovatelskou technologií - při přepracování upravené nerostné suroviny na konečný produkt se ztráty běžně pohybují kolem 3%, výjimečně dosahují až 10%. Obvykle ztráty při přepracování rostou s počtem technologických operací. 2.2 Průmyslové využití nerostných surovin Nerostné suroviny lze rozdělit do několika základních skupin dle jejich převažujícího uplatnění v průmyslové praxi. Dále jsou uvedeny jednotlivé skupiny a hlavní nerostné suroviny, které do nich náleží: Energetické suroviny: Do skupiny neobnovitelných energetických surovin náleží všechna fosilní paliva nebo přírodní suroviny nezbytné pro jejich výrobu: - antracit, černé a hnědé uhlí, lignit, hořlavé břidlice, rašelina. - ropa. - zemní plyn ropný a karbonský. - uran, thorium. Rudy pro hutnictví železa a neželezných kovů: Do této skupiny nerostných surovin náleží rudy hlavně oxidické a jejich hydráty, sulfidické a uhličitanové rudy umožňující hutnickou výrobu kovů: - železa, manganu, chrómu, molybdenu, wolframu, vanadu, kobaltu, titanu, olova, mědi zinku, cínu, rtuti, hliníku, hořčíku, antimonu. - průmyslové vzácné kovy a prvky, např. arsen, bismut, kadmium, selen, berylium, zirkon, tellur, tantal, niob, lithium, cesium, gallium, rhenium, indium, rubidium, rhodium, zlato, stříbro, platina a prvky vzácných zemin. Chemické suroviny: - sirné (pyrit, elementární síra), - chloridy (NaCl - kamenná sůl, KCl sylvín aj.), - fosfáty fosforečnany vápenaté (fosfority sedimentárního původu a apatity vulkanického původu), - vápenec (CaCO 3 ), dolomit (CaCO 3.MgCO 3 ), magnezit (MgCO 3 ), - dusičnany (NaNO 3 - chilský ledek), - trona (Na 2 CO 3.NaHCO 3.2 H 2 O), potaš (K 2 CO 3 ), - boráty (zpravidla sodné soli a jejich hydráty odvozené od kyseliny borité), - sádrovec (CaSO 4.2 H 2 O), - nerosty lithia a stroncia, - solanky nasycené roztoky uhličitanů a chloridů sodných, draselných aj. pocházející z přírodních slaných jezer (USA, Mexiko, jižní Sahara, Izrael, Střední Asie, Čína, Austrálie) nebo ze zatopených solných dolů. Stavební a brusné suroviny: - stavební kameny, štěrk (žula, rula, čedič, znělec, pískovec, opuka, mramor), - cementářské suroviny (vápence, jíly a slínovce s vysokým podílem vápenatých sloučenin), 15

- jíly (např. cihlářské, keramické), - písek (např. říční štěrkopísek, štukatérský písek), - asfalt, křemen, slída, diatomit, magnezit, okry, - granát, korund, diamant. Hutnické žáruvzdorné a průmyslové nerudné suroviny: - azbest, slída, grafit, mastek, diatomit, magnezit, kryolit, živec, dolomit, bauxit, kaolin, písek, jíly, kyanit, křišťál, silimanit, nefeliny. Klenotnické suroviny: - diamant, korund, beryl, spodumen, opál, turmalin, spinel, chrysoberyl, granát, křemen, serpentin, malachit, rhodonit. 2.3. Druhotné surovinové zdroje Druhotným surovinovým zdrojem jsou rozuměny všechny zpracovatelné odpady a opotřebované předměty, které jsou samostatně shromažďovány a zpracovávány z výrobní i nevýrobní sféry. Druhotné suroviny se vyznačují: - využitelností alespoň části látkové substance pro výrobu nových výrobků, užitných předmětů, - technicko-technologickou a ekonomickou schůdností třídění, sběru, svozu a přepracování odpadních materiálů. Druhotné suroviny lze rozdělit do následujících základních skupin odpadních materiálů: - železné a neželezné kovy, - papír a lepenka, - textilie přírodní a syntetické, - plastové fólie, nádoby a výlisky, - sklo čiré a barevné, - upotřebené oleje a maziva minerálního původu, - upotřebené potravinářské oleje a tuky, - technická pryž a pneumatiky, - stavební odpad (cihly, prefabrikáty, maltoviny, dřevo aj.), - odpady z energetiky (škvára, struska, popílek, energosádra, energosádrovec), - elektronika a elektrické spotřebiče, - svítidla - žárovky, zářivky a výbojky, - nátěrové hmoty a ředidla, - suché baterie a akumulátory, - léčiva a chemikálie (např. upotřebené vývojky z fotochemie, mořící lázně z hutnictví). - biologické odpady zkrmitelné, kompostovatelné, fermentovatelné a pod. Odpady jsou kvalitní druhotnou surovinou za předpokladu, že se je podaří v místě vzniku (u původce) v maximální možné míře vytřídit ručně (např. v domácnostech a provozovnách služeb) nebo strojově a bez dalšího znečištění je předat k přepracování. Znečišťující látky vždy druhotnou surovinu znehodnocují, zhoršují její využitelnost a mohou být až příčinou její další nezpracovatelnosti. 16

Nečistoty v každé surovině, tedy i surovině druhotné, obecně zvyšují spotřební normy surovin a energií, množství odpadů všech skupenství, riziko poruchovosti technologického zařízení a zhoršení kvality výrobků. Tím se zhoršená kvalita surovin promítá přímo do výrobních nákladů a ekonomiky výroby. Proto je důležitým kritériem zpracovatelnosti druhotných surovin ekonomická efektivnost celého procesu využití druhotné suroviny zahrnující veškeré finanční náklady spojené s jejich přepracováním. 2.4 Těžba nerostných surovin ve světě a ČR Kvantitativní úroveň těžby a kvalita využívání nerostných i druhotných surovin je obecně závislá na stupni ekonomického a technologického rozvoje společnosti a konkrétního státu. Státní správa vymezuje pomocí zákonů a státních norem a zpravidla jen po přechodnou dobu také norem oborových, podnikových. Tím jsou definovány všeobecné podmínky pro využívání nerostných a druhotných surovin. Zároveň jsou stanoveny emisní limity do odpadních vod a ovzduší, tj. podmínky pro minimalizaci poškozování pracovního a životního prostředí, kontrolních mechanismů i sankcí za neplnění stanovených podmínek. Uvedené faktory spolu s vývojem mezinárodně-politické situace vždy zasahovaly do využívání surovinových zdrojů a celkového ekonomického vývoje. Tuto obecnou charakteristiku lze dokumentovat na příkladu vývoje od začátku dvacátého století, kdy byla těžba nerostných surovin významně ovlivněna: - druhou průmyslovou revolucí (pohony parní nahradily pohony elektrické), - oběma světovými válkami s prudkým rozvojem válečného průmyslu surovinově a energeticky náročného, - vědecko-technickou revolucí ve druhé polovině 20. století (po 2. světové válce), - ropnou a surovinovou krizí v roce 1973, - rozpadem světové socialistické soustavy po r. 1989 spojenou s transformací ekonomik států střední a východní Evropy na tržní hospodářství. Liberalizace cen nerostných surovin v bývalých socialistických státech a rozpad jejich ekonomicko-politického sdružení Rada vzájemné hospodářské pomoci v roce 1990 vyvolala změny v poptávce a nabídce i na českém trhu. To způsobilo u neefektivních těžebních organizací útlum těžby, či její úplné zastavení. Naopak efektivní těžby a na ně vázaná zpracovatelská odvětví zaznamenaly velký kvantitativní, ale ne vždy také kvalitativní rozvoj. Hospodářský rozvoj, vývoj techniky, technologií a legislativy spolu s politickou situací ve světě se tak přímo promítá i do změn na světovém trhu nerostných nebo druhotných surovin. Základem technologického a civilizačního pokroku je především těžba všech energetických surovin. Ty podmiňující úroveň uspokojování energetických potřeb rozvíjejícího se hospodářství. Statisticky je prokazatelné, že méně než 20% obyvatelstva světa soustředěného do nejrozvinutějších zemí převážně severní polokoule spotřebovává přes 80% veškeré světové těžby energetických surovin. Obdobná situace je také např. v oborech těžby rud železných a neželezných kovů, jejich zpracování a spotřeby. Obecně platí, že do druhé světové války byl přírůstek těžby nerostných surovin prakticky lineární a po druhé světové válce je exponenciální. 17

Důležitou vlastností zásob nerostných surovin je jejich značně nerovnoměrné rozmístění po světě. Např. 50% prokázaných zásob zemního plynu důležitých pro zásobování Evropy je v Rusku na západní a severní Sibiři. Obdobně rozlohou 5% ropných polí nacházejících se v arabských zemích na Středním východě obsahuje 50% známých zásob ropy. Podobná situace je v rozmístění zásob uhlí, rud železa a barevných kovů i jiných nerostných surovin. Zpravidla deset prvních producentů na světě kterékoliv nerostné suroviny vytěží ročně více než 75% celosvětové těžby dané suroviny! 2.5. Nerostné suroviny moří a oceánů V současnosti se využívání nerostného bohatství moří a oceánů omezuje prakticky pouze na pás pobřeží a pevninského šelfu do hloubek cca 300 m, kde je v současnosti získávání surovin technicky a technologicky zvládnuto za přijatelných ekonomických podmínek. Nerostné suroviny z moří a oceánů lze rozdělit na suroviny: - rozpuštěné v mořské vodě, - uložené na dně moře, - uložené pod povrchem mořského dna. 2.5.1 Mořská voda Na základě průměrného složení mořské vody se odhaduje, že v mořích a oceánech je rozpuštěno 4,8.10 16 tun nerostných látek. Bylo v ní prokázáno 79 chemických prvků, z nichž 86,2% tvoří Na a Cl. Prvky Na, Mg, Ca, K, Sr, Cl, Br, S, C a B tvoří 99% minerálů rozpuštěných v mořské vodě (viz tabulka č. 1). Při získávání minerálních látek z mořské vody se využívá jejich rozdílné rozpustnosti - postupné krystalizace při volném odpařování vody z mělkých krystalizačních nádržích na mořském pobřeží. Krystalizační metody využívající k odparu vody slunečního záření jsou využívány na pobřeží tropických a subtropických moří. Minerální soli jsou rovněž vedlejším produktem odsolovacích stanic produkujících pitnou vodu nuceným odpařováním mořské vody. Převážná většina odsolovacích stanic je situována hlavně na jihu USA a ve státech ležících na Arabském poloostrově, t.j. zemích relativně energeticky bohatých. Z mořské vody jsou získávány především následující minerální látky: NaCl - v mělkých krystalizačních nádržích se postupně působením slunečního záření volně odpařuje voda. Nejprve začne krystalizovat dihydrát síranu vápenatého CaSO 4.2 H 2 O. Po jeho usazení se solanka napustí do druhé nádrže, kde krystalizuje NaCl až do hustoty solanky 1,28 kg/l. soli K - začínají krystalizovat při dalším odpařování solanky ve směsi síranů a chloridů Na, Mg, K. Promytím vodou a sušením lze získat schoenit K 2 SO 4.MgSO 4.6H 2 O. Po vysrážení Mg alkáliemi krystalizuje K 2 SO 4 později bromidy a další soli. Mg(OH) 2 - je získáván z částečně odpařených solanek srážením vápenným mlékem. Po usazení a usušení je rozpouštěn v HCl, zbytky Ca jsou sráženy ve formě síranu, který je oddělen filtrací. Dále je zpracováván již jen předčištěný filtrát MgCl 2. Po odpaření a krystalizaci je chlorid hořečnatý roztaven a elektrolyzován na kovový Mg (99,8%) a plynný chlor. Tento výrobní postup je uplatňován v průmyslovém měřítku od 2. světové války v USA a Japonsku, kde je nedostatek minerálů obsahujících hořčík. Kromě výše uvedených klasických krystalizačních metod se pro získávání minerálních látek z mořské vody mohou uplatnit i další technologické postupy: - sorpce na iontoměničích, 18

- elektroforéza, - membránová filtrace, - biologická sorpce, - extrakce popela mořských rostlin. 2.5.2 Povrch mořského dna Usazeniny na povrchu mořského dna mohou být rovněž zdrojem nerostných surovin. Tato ložiska minerálů se nachází v mořích poblíž ústí řek, které buď protékají sopečnými oblastmi nebo svým erozivním působením uvolnily příslušné minerály z pevninských nalezišť. Rovněž se ložiska minerálů nachází v místech podmořských vývěrů termálních vod. Tyto jevy jsou prokázány na okraji litosférických bloků nebo v místech hlubokomořských hřbetů. Ze silně mineralizované vody uvedeného původu při kontaktu s relativně chladnou mořskou vodou v důsledku změn teploty a přítomnosti dalších minerálů určité koncentrace krystalizují a následně sedimentují původně rozpuštěné minerály. Uvedeným mechanismem vznikla ložiska - sedimenty s minerály obsahujícími: - Mn, Fe, Cu, Zn, Pb v Rudém moři, Adenském zálivu a Kalifornském zálivu, - cín u pobřeží Indonésie (ostrovy Bangka a Belitung), Thajska a Malajsie, - železo a titan ve formě titanomagnetitu u pobřeží Japonska, - monazitový písek s vysokým obsahem prvků vzácných zemin na pobřežích jihovýchodní Asie, Floridy, JAR a Brazílie, - zirkon na pobřeží Španělska, Turecka, Egypta, - titan v ilmenitu a rutilu na pobřeží JAR, Floridy a Egypta. - barit u pobřeží Indonésie, jižní Kalifornie a Ceylonu. V řadě z výše uvedených míst jsou příslušné minerály těženy na příbřežních rýžovištích z hloubek do několika desítek metrů drapákovými nebo sacími bagry. Na hlubokém mořském dně v Tichém oceánu jsou prokázána ložiska manganových konkrecí (hrudek o velikosti 0,5-25 cm obsahující hlavně MnO 2 ) i jiných minerálů. Těžba z těchto ložisek je v současnosti technicky extrémně náročná a proto neekonomická. 2.5.3 Nerostné suroviny pod povrchem mořského dna Pod povrchem mořského dna jsou nacházena ložiska minerálů a postupně jsou těženy následující nerostné suroviny: - síra u pobřeží Luisiany Fraschovou metodou 6. - ropa a zemní plyn v Severním moři (Norsko, V. Británie, Dánsko, Nizozemsko), Mexickém zálivu (USA, Mexiko), Karibském moři (Venezuela), Kaspickém moři (Azerbajdžán), Jihočínském moři (Čína, Borneo), Perském zálivu (Kuvajt, Irán, Irák, Saudská Arábie, SAE), Tichém oceánu (Peru, Chile), Atlantském oceánu (Brazílie). V současnosti se těží z ocelových nebo betonových těžních plošin zakotvených ve dně moře s hloubkou až kolem 300 m. - uhlí ve V.Británii, Austrálii, Kanadě, Japonsku, Tchaivanu, Turecku, Vietnamu. Štoly pro těžbu jsou hloubeny pod mořské dno z pevniny. - kamenná sůl pod Irským a Baltským mořem (zatím netěžena). 6 Do vrtu je vháněna přehřátá vodní pára a stlačený vzduch. Síra je v ložisku roztavena a stlačeným vzduchem vytlačována na povrch. Zde je filtrací zbavena mechanických nečistot a je dopravována k dalšímu zpracování. 19

Získávání nerostných surovin z moří a oceánů ve větším měřítku nastalo od druhé světové války a zejména pak od ropné a surovinové krize v sedmdesátých letech 20. století, kdy ceny základních surovin vzrostly až o několik set procent. Tím se jejich těžba za obtížných technologických, geografických a geologických podmínek ekonomicky vyplatila. Tabulka č. 2.1 - Průměrný obsah některých prvků v mořské vodě prvek mg/l t/km 3 Cl 19 000 19 000 000 Na 10 500 10 500 000 Mg 1 350 1 350 000 S 885 885 000 Ca 400 400 000 K 380 380 000 Br 65 65 000 C 28 28 000 Sr 8,0 8 000 B 4,6 4 600 Si 3,0 3 000 F 1,3 1 300 Li 0,2 200 Rb 0,12 120 I 0,06 60 Ba 0,03 30 Fe 0,01 10 Al 0,01 10 Zn 0,01 10 Mo 0,01 10 2.6 Těžba nerostných surovin na pevnině Těžba nerostných surovin z moří a oceánů i přes rozsáhlá preventivní opatření právní cestou vynucená na těžařských společnostech je vždy spojena s rizikem znečištění mořské vody cizorodými látkami a poškozením životního prostředí - mořských ekosystémů. Riziko je o to závažnější, že právě těžbou intenzivně využívané oblasti šelfů zaujímají sice jen 10% plochy světových oceánů, ale žije v nich odhadem 90% mořských organismů! Již pouhé zakalení vody jinak inertním bahnem vede k poklesu prosvětlení vody a tím poklesu produkce fytoplanktonu - základu života v oceánech a producenta dle různých odhadů cca 40-70% kyslíku na naší planetě. Zničení fytoplanktonu by vedlo k tzv. "kyslíkové smrti" na celé Zemi. 20

Vedle těžby nerostných surovin v šelfových mořích má stejně negativní vliv na mořskou flóru a faunu znečištěná voda poblíž ústí řek do moře. Česká republika je menší částí dovozu ropy a zemního plynu odkázána na zdroje v oblasti Perského zálivu a Severního moře. Proto má určitý díl morální odpovědnosti za ekologickou situaci v těchto těžebních lokalitách. Na preventivních a sanačních opatřeních se fakticky podílí prostřednictvím ceny placené za nakoupené suroviny nebo produkty z těchto surovin vyrobených. Rovněž tak angažovaností ČR v orgánech OSN, EU, OECD a dalších mezinárodních organizací je zainteresována na ochraně moří a oceánů. Rostoucí počet obyvatel Země spolu s růstem spotřeby na obyvatele dosud neustále zvyšuje nároky na čerpání všech přírodních zdrojů i přes rostoucí využívání druhotných surovin. Tento trend je příznačný i pro exploataci těžby nerostných surovin na pevnině, což spolu s absolutním růstem spotřeby energie získávané převážně z fosilních paliv (uhlí, ropy a zemního plynu) má za následek rozsáhlé poškozování všech složek životního prostředí odpadními, často toxickými látkami. Nejzávažnější se jeví znečištění atmosféry skleníkovými plyny, fluorovanými a chlórovanými uhlovodíky, které mají za následek globální změny klimatu a poškozování ozónové vrstvy Země. Roční těžba minerálních surovin je v současnosti odhadována na 100 miliard tun. Dalších několik desítek miliard tun materiálu je přemísťováno v souvislosti s těžbou (nadložní vrstvy, hlušina) a vyvolanými stavebně-technickými pracemi. Antropogenní zásahy do pedosféry a svrchní části zemské kůry - litosféry, jejího znečištění a změn vodního režimu nabývají takového rozsahu, že přirozené procesy regenerace hydrosféry a biosféry v těžebních lokalitách či jejich okolí selhávají. Vědecky podložené rozhodování v oblasti ekonomické a politické se tak stává nezbytností. Ošetření problematiky ochrany životního prostředí včetně rizik spojených s těžbou minerálních surovin účinnou legislativou je v ekonomicky rozvinutých zemích samozřejmostí. V ČR je toto řešeno především Horním zákonem, Zákonem o půdě a Zákonem o ochraně vod. Negativní vlivy na životní prostředí závisí především na způsobu těžby. 2.6.1 Podzemní - podpovrchová těžba Na území České republiky je podzemní těžbou dobýváno hlavně černé a hnědé uhlí, fluorit, baryt a uranové rudy. Těžba ostatních rud kovů (cínu, wolframu, železa, mědi, zinku, olova, stříbra) je nízká nebo je v útlumu. Mezi podzemní těžby je rovněž řazena těžba ropy, zemního plynu, podzemní vody a kyselé loužení uranových rud, které již není provozováno. Podzemní těžba zpravidla nezpůsobuje tak rozsáhlé poškození krajiny jako těžba povrchová - lomová. Na výsledný stav má rozhodující vliv technologie těžby (způsob stěnový nebo komorový), dále síla, geologická struktura a stabilita nadložních vrstev hornin. Významně se také může projevit nutnost intenzivního odvodňování ložisek nerostů. Během těžby ložiska a postupu porubní fronty se mění tlakové, smykové a střihové napětí ve vrstvách hornin tvořících stropy štol. Tyto se prohýbají nebo při překročení meze pevnosti praskají a postupně zavalují vyrubaný prostor. Tak vzniká pásmo závalu. Nakypřené horniny závalu se postupně sedají a směrem k povrchu způsobují prohýbání nebo popraskání nadložních vrstev, až jejich pokles - vzniká pásmo zálomu. Je-li těžená sloj mělko pod povrchem (do 400 m), sahá pásmo zálomu až na povrch, kde se projeví nepravidelnou poklesovou kotlinou s trhlinami, zlomy, závrty a pod. Těžba z větších hloubek (zpravidla nad 400 m) se na povrchu projeví poklesovou kotlinou pravidelného tvaru. Klesání povrchu nad poddolovaným územím má tři fáze: 21

- počáteční klesání, kdy se na povrchu objeví první projevy propadání (zpravidla do 6 měsíců). - intenzivní klesání, kdy pokles dosahuje cca 75% celkové hodnoty. Bývá náhlé a rychlé, vede k destrukci inženýrských sítí a objektů na povrchu. - doznívání klesání, kdy se postupně poklesové území stabilizuje. Celý cyklus klesání trvá zhruba 5 let závisle na hloubce uložení těžené sloje a geologické stavbě nadloží. Poklesy jsou největší u nadloží tvořeného méně soudržnými horninami sedimentárního původu (zpravidla nad uhelnými slojemi). Naopak menší, či žádné poklesy se neobjeví např. při těžbě slojí rud uložených v povrchových nebo podpovrchových vyvřelinách. 2.6.2 Povrchová těžba Povrchová těžba realizovaná v jámových nebo stěnových lomech nabývá v poslední době stále většího významu. Důvodem je vyšší podíl vytěžitelné minerální suroviny z ložiska, který většinou přesahuje 90%. Navíc lomová těžba umožňuje souběžnou těžbu i několika minerálů současně uložených ve vrstvách nad sebou. Lomová těžba např. hnědého uhlí je v současnosti efektivní v případech, kdy poměr síly nadložní vrstvy k síle těžené sloje je kolem 5 : 1. Hloubka lomů se pohybuje nejčastěji do 300 m. Těžba cenově dražších nerostů je efektivní i v mnohem hlubších povrchových lomech např. 500 až 800 metrů pro diamanty (Rusko - Jakutsko, JAR) a měděnou rudu (USA - Utah). Lomová těžba vyvolává značné negativní vlivy na životní prostředí. Tyto vlivy jsou u lomové těžby výraznější, než je tomu u hlubinné těžby. Dále jsou uvedeny hlavní vlivy na složky životního prostředí. Biosféra Biosféra je účinky povrchové těžby narušena přímou destrukcí v celém dobývacím prostoru a na plochách vnějších výsypek odstraněním všech forem vyšších rostlin a živočichů, kteří nejsou schopni z pásma zasaženého těžbou uniknout. Skrývkou půdního profilu dochází rovněž k destrukci mikroflóry a mikrofauny. Nepřímé účinky na biosféru se dotýkají okolí těžební lokality. Jsou důsledkem působení imisí plynných a tuhých škodlivin vznikajících během těžby. Pedosféra Pedosféra je povrchovou těžbou zcela rozrušena. I přes skrývku úrodné vrstvy půdy, její oddělené skládkování po část nebo celou dobu těžby a opětné využití pro lesnické či zemědělské rekultivace, se její kvalita zhoršuje. Především je narušen vodní režim, obsah vzduchu a mikrobiologické složení. Obnovení původní úrodnosti je dlouhodobým procesem vyžadujícím další vklady - změny vegetačního krytu, organická a minerální hnojiva, úpravu vodního režimu melioracemi a pod., což je součástí rekultivačních prací. Litosféra Povrchová těžba zvýrazňuje nebo zcela mění reliéf litosféry, způsobuje podstatné změny horninového prostředí. Náleží k nejvýraznějším antropogenním zásahům do krajiny tvorbou konvexních (vnější a vnitřní výsypky), rovinných (úrovňové sypání nebo plavené výsypky) a konkávních (jámy opuštěných lomů, propadliny) forem reliéfu. Konečná podoba krajiny se utváří několik let až desítek let nejen vlastními rekultivačními zásahy, ale také 22

sedáním výsypek, propadáním hlubinných důlních děl, sesuvy svahů výsypek a lomů, vodní erozí aj. Hydrosféra Hydrosféra je výrazně postižena jak hlubinnou, tak povrchovou těžbou nerostných surovin. Těžba způsobuje negativní změny kvantitativních charakteristik hydrosféry - narušení vodního režimu: - každé snížení hladiny spodní vody, jako důsledek odvodňování dobývacích prostorů, způsobuje pokles vydatnosti až ztráty zdrojů užitkové a pitné vody, vysušování okolí spolu se znehodnocováním ekotopu během těžební činnosti. - změnou horninového prostředí, pórovitosti hornin při postupném sedání poddolovaných nebo nově uložených vrstev skrývkových materiálů po ukončení těžby a rekultivaci se postupně mění infiltrační schopnosti, hydrodynamika a hydraulika podzemních vod na rozsáhlých územích zasažených těžbou. Ustálení vodního režimu včetně hladiny podzemní vody a tím i vlhkosti půdního horizontu je dlouhodobým procesem. Kvalitativní charakteristiky povrchové a podzemní vody jsou odčerpávanými báňskými vodami z důlních děl rovněž narušeny. Báňské vody mají zpravidla: - výrazně zvýšenou mineralizaci, tj. vyšší obsah iontů Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+, Cl -, NO 3 -, CO 3 2-, SO4 2-, PO4 3- aj. včetně iontů těžkých kovů (např. Fe, Cu, Ni, Pb, radioaktivních prvků), které se i v případě jejich čištění neutralizací a srážením zpravidla pomocí Ca(OH) 2, oxidací mikrobiologickou nebo ozonem, čištěním reverzní osmózou, ionexy, elektrodialýzou aj. metodami se mohou v omezeném množství dostávat do okolního prostředí. - vyšší podíl suspendovaných částic z těžených nebo skrývaných hornin. - mimořádně nízký obsah kyslíku a organických látek. - zvýšenou kyselost - ph bývá v rozmezí 2,0-4,5 jako důsledek oxidace pyritu a železnatých iontů při kontaktu s atmosférickým kyslíkem: Atmosféra FeS 2 + 2 H 2 O + 7 O 2 2 FeSO 4 + 2 H 2 SO 4 FeSO 4 + 2 O 2 + 2 H 2 SO 4 2 Fe 2 (SO 4 ) 3 + 2 H 2 O Fe 2 (SO 4 ) 3 + 6 H 2 O 2 Fe(OH) 3 + 3 H 2 SO 4 FeS 2 + 14 Fe 3+ + H 2 O 15 Fe 2+ + 2 SO 4 2- + 16 H + Na kvalitu atmosféry během těžby působí emise plynů, par, aerosolů a prachu uvolňujících se z těžených a přepravovaných minerálů, případně zápar v uhelných slojích, emisí výfukových plynů z dozérů a dopravních prostředků, emisí zplodin výbušnin, jimiž jsou rozpojovány těžené horniny. Uvedené emise se závisle na povětrnostní situaci, chemické stálosti v atmosféře a disperzitě tuhých částic šíří do okolí těžební lokality často do vzdáleností desítek až stovek kilometrů! 23