سنگ آهک یا کربنات کلسیم کالای معدنی صنعتی حیاتی

سنگ آهک یا کربنات کلسیم کالای معدنی صنعتی حیاتی و همه کاره در ایالات متحده

سنگ آهک، همانطور که در صنایع معدنی استفاده می شود، سنگی است که بیشتر ازکربنات کلسیم کالای معدنی صنعتی حیاتی تشکیل شده است. اگرچه سنگ آهک در بسیاری از مناطق ایالات متحده رایج و موجود است، اما در برخی از موارد وجود ندارد. از سنگ آهک برای تولید سیمان پرتلند استفاده می شود، به طور کلی در بتن و آسفالت و در مجموعه عظیمی از محصولات دیگر، آن را به کالایی کاملاً همه کاره تبدیل می کند. سیمان پورتلند برای صنعت ساختمان ضروری است، اما با وجود سنگ آهک فراوان، در سالهای اخیر کمبود سیمان وجود داشته است. این موارد تا حدی ناشی از نیاز به یافتن مناطق جدید مناسب برای عملیات معدن کاری بوده است. سازمان زمین شناسی ایالات متحده (USGS) برای کمک به مدیریت منابع ملت از این کالاهای اساسی معدنی، داده های مهم و اطلاعات علمی را به صنعت، سیاست گذاران و مردم ارائه می دهد.

سنگ آهک چیست؟

سنگ آهک به معنی هر سنگی است که بیشتر ازپودر کربنات کلسیم (CaCO3) تشکیل شده باشد، اما از نظر زمین شناسان، سنگ آهک تنها یکی از چندین نوع “سنگ کربناته” است. این سنگها از بیش از ۵۰٪ مواد معدنی کربناته، به طور کلی مواد معدنی کلسیت (CaCO3 ) خالص یا دولومیت (کربنات کلسیم – منیزیم، CaMg [CO3] 2) یا هر دو تشکیل شده اند.

سنگ آهک چگونه شکل می گیرد؟

بیشتر سنگهای کربناته از آب دریا رسوب می کنند. این سنگ های کربنات رسوبی در هر قاره رایج هستند و در بیشتر تاریخ زمین شناسی شکل گرفته اند. آنها هنوز هم در مناطق استوایی به عنوان صخره های مرجانی و در انتهای دریاهای کم عمق در حال شکل گیری هستند.

سنگ آهک یا پودرکربنات کلسیم دریایی به این دلیل تشکیل می شود که آب دریا غلظت بالایی از دو یون اصلی مواد شیمیایی محلول کلسیم (Ca ++) و بی کربنات (HCO3-) دارد. در لایه نزدیک سطح اکثر اقیانوس ها، مرجان ها، صدف ها و سایر موجودات ساکن در دریا از این دو ماده شیمیایی برای ساختن پوسته های محافظتی با ترکیب آنها برای تشکیل کلسیت یا “آراگونیت” استفاده می کنند که همان ترکیب شیمیایی کلسیت است اما فرم کریستالی متفاوتی دارد.

تشکیل دولومیت از سنگ آهک

برخی از سنگهای آهکی با ورود منیزیم در آبهای زیرزمینی تغییر کرده اند. منیزیم موجود در آبهای زیرزمینی ممکن است مقداری یا کل کلسیت موجود در سنگ آهک را به دولومیت تبدیل کند. همچنین، برخی از صخره های تشکیل شده در نزدیکی سواحل دریاهای باستان در آب و هوای خشک در زمان ته نشینی بیشتر دولومیت بودند.

انواع دیگر سنگ کربناته

سنگ آهک یا کربنات کلسیم انواع مختلفی دارد. گچ یک سنگ آهک دریایی متخلخل بسیار ریزدانه، کاملاً ریز و تشکیل شده از فسیل های میکروسکوپی است. تراورتن یک سنگ آهک رسوبی آب شیرین است که دارای لایه های بسیار نازک و مخلوط شده است و معمولاً در چشمه ها تشکیل می شود. سنگ مرمر یک سنگ کربناته است، معمولاً یک سنگ آهک دریایی است که در اثر حرارت و فشار زیاد در عمق سطح زمین، مانند پلاستیک فشرده شده و تغییر شکل داده است. این روند “دگرگونی” نامیده می شود. همچنین سنگهای کربناته “آذرین” کمیاب وجود دارد که از ماگمای مذاب به همان روشی که گدازه ها یا گرانیت ها متبلور شده اند به وجود آمده اند. به اینها “کربناتیت” گفته می شود و این نوع سنگ در چند نقطه از جهان به عنوان سنگ آهک صنعتی استخراج می شود.

استخراج سنگهای کربناته

رسوبات کربنات کلسیم رسوبی می تواند گسترده باشد و صدها مایل مربع را پوشش دهد و از نظر ضخامت و کیفیت نسبتاً یکنواخت باشد. بنابراین، معادن سنگ آهک یاکربنات کلسیم کالای معدنی می توانند بزرگ و با عمر طولانی باشند و  معدن کاران لایه های کربنات کلسیم کالای معدنی صنعتی حیاتی را  به صورت کلوخه کربنات کلسیم استخراج کنند که می توانند صدها متر ضخامت و در مناطقی از حتی تا چندین کیلومتر مربع داشته باشند. بسیاری از معادن بزرگ کربنات کلسیم با داشتن سنگ شکن ها و آسیاب های بزرگ و تجهیزات فرآوری مناسب، محصولات متعددی تولید می کنند و سنگهای خرد شده که برای استفاده های خاص به اندازه کافی خالص نیستند، هنوز هم می توانند به عنوان سنگدانه های جاده مناسب باشند. معادن سنگ مرمر نیز می تواند بسیار بزرگ باشد. با این حال، این سنگهایی که روزگاری مرتباً در بستر قرار می گرفتند به اجسامی با شکل نامنظم تبدیل شده اند که استخراج آنها دشوارتر و هزینه بر است.

در بخشهای وسیعی از ایالات متحده ذخایر گسترده ای از کربنات کلسیم دریایی در سنین مختلف از چند هزار سال تا بیش از ۳۵۰ میلیون سال وجود دارد. بعضی از رسوبات دارای ترکیب شیمیایی با خلوص بالای ۹۵٪ CaCO3  هستند. با این حال، برخی مناطق کاملاً فاقد هرگونه رسوب سنگ آهک مناسب هستند. بیشتر هزینه سنگ آهک یا کربنات کلسیم کالای معدنی صنعتی حیاتی برای مشتری بسته به میزان فاصله و نحوه حمل و نقل آن تعیین می شود. حمل بار با کشتی ارزان تر از قطار است که به نوبه خود ارزان تر از حمل و نقل با کامیون است.

موارد استفاده از کربنات کلسیم

کربنات کلسیم کالای معدنی صنعتی حیاتی یا سنگ آهک کاربردهای صنعتی بسیاری دارد و می تواند به عنوان استخراج یا فرآوری در محصولات بسیار متنوعی مورد استفاده قرار گیرد. این ماده اولیه دارای انواع مختلفی مناسب استفاده برای مصالح ساختمانی، کشاورزی، زیست محیطی و صنعتی است.

تقریباً در همه جا از سنگ آهک یا کربنات کلسیم در ساخت و ساز استفاده می شود. در سال ۲۰۰۷، کربنات کلسیم خرد شده ۶۸٪ کل سنگ خرد شده تولید شده در ایالات متحده بود. همچنین، سنگ آهک ماده اصلی در ساخت سیمان پرتلند است. با وجود سنگ آهک فراوان در آمریکا، در سالهای اخیر کمبود سیمان وجود داشته است.

برخی از خالص ترین سنگهای آهکی طبیعی سنگهای مرمر هستند. برای قرن ها سنگ مرمر در ساختمان های دولتی و برای ساخن مجسمه های عمومی و سنگ تزئینی بوده است. از تراورتن به عنوان سنگ ابعادی در کاشی و رومیزی نیز استفاده می شود. همچنین از سنگ آهک یا کربنات کلسیم دانه بندی شده سفید با ابعاد و دانه بندی مناسب برای استفاده در محوطه سازی و بام سازی استفاده می شود.

از پودر کربنات کلسیم برای از بین بردن ناخالصی های فلزات مذاب مانند فولاد استفاده می شود. همچنین می تواند ترکیبات سمی را از اگزوز نیروگاه های زغال سنگ سوز  جدا کند. از پودر کربنات کلسیم به عنوان پرکننده در محصولات مختلفی از جمله کاغذ، پلاستیک و رنگ استفاده می شود. از خالص ترین نوع پودر کربنات کلسیم حتی در غذاها و داروهایی مانند غلات صبحانه و قرص های کلسیم استفاده می شود.

سنگ آهک یا کربنات کلسیم کالای معدنی صنعتی حیاتی همچنین ماده اولیه ساخت آهک (CaO) است که برای تصفیه خاک، تصفیه آب و ذوب مس استفاده می شود. آهک کاربردهای اضافی زیادی در صنایع شیمیایی دارد.دولومیتها معمولاً نسبت به سایر سنگهای آهکی صنعتی برای کاربردها کمتری مناسب هستند. بیشتر دولومیت هایی که استخراج می شوند، به راحتی خرد و الک می شوند تا به عنوان سنگدانه در بتن یا آسفالت استفاده شوند.

کمبود سیمان پرتلند

سیمان پرتلند یکی از مهمترین محصولات ساخته شده از سنگ آهک است. این محصول در بسیاری از کاربردهای ساختمانی ضروری است. ایالات متحده در زمینه سیمان خودکفا نیست و برای جبران کمبودها باید آن را از کشورهای دیگر وارد کند. واردات کلینکر ( اولین ماده در ساخت سیمان) و سیمان تمام شده حدود ۲۳٪ از کل فروش سیمان ایالات متحده در سال ۲۰۰۶ را تشکیل می دهد. در سالهای قبل از ۲۰۰۷، سیمان پرتلند در کشور بسیار کمبود داشت. رقابت از سایر کشورها، سیستم ناکافی حمل و نقل اقیانوس و دست کم گرفتن فضای مورد نیاز بار از جمله دلایل این امر بود. وقتی سیمان پرتلند بسیار کم بود، قیمت آن به طور قابل توجهی افزایش یافت. مصرف کنندگان بدنبال جایگزین ها می گشتند. آنها از چوب فشرده، فولاد عایق بندی شده و پلی استایرن در پانل ها استفاده کردند و حتی برای کاهش میزان سیمان مورد نیاز، فوترهای ساختمان را دوباره طراحی کردند. کمبود سیمان همچنین باعث تأخیرهای تحویل شرکتهای ساختمانی شد که منجر به افزایش هزینه های جاده ها، پل ها و ساختمان ها شد.

منابع سنگ آهک در آینده

ایجاد معادن کربنات کلسیم و کارخانه های سیمان جدید در ایالات متحده روند کندی دارد و رفع کمبودهای تأمین نیاز به زمان دارد. ساخت یک کارخانه جدید سیمان حدود ۲ سال به طول می انجامد و روند صدور مجوز می تواند بسیار طولانی تر شود. در ۸ تا ۱۰ سال آینده. شاید حتی یک مشکل چالش برانگیزتر این باشد که مردم ممکن است از معادن و مشکلات زیست محیطی جدید در منطقه خود استقبال نکنند. علی رغم این موانع، بسیاری از شرکت های سیمانی ایالات متحده در حال توسعه و نوسازی فعالیت های خود هستند.

وقتی منطقه ای از سنگ مناسب و قابل استخراج در اثر رشد شهری خالی شود یا زمانی که استخراج معادن توسط قانون یا منطقه بندی ممنوع شود، نتیجه آن “عقیم سازی منابع” است. کربنات کلسیم ماده ای با اهمیت ملی است و عقیم سازی منابع می تواند منجر به افزایش طولانی مدت هزینه ها برای مشتریان شود.

الگوهای تولید کربنات کلسیم

بیشتر سنگهایی که به صورت کلوخه کربنات کلسیم استخراج می شوند برای خرد شدن آسیاب می شوند. بیشتر تولید سنگ خرد شده ایالات متحده در حداقل ۴۰ سال گذشته از سنگ آهک یا کربنات کلسیم حاصل شده است. حتی اگر سنگهای کربناته فقط ۲۵ تا ۳۵٪ سنگهای سطح باشند.

عملیات سنگ شکنی در ایالات متحده از سال ۱۹۷۱ در هر دهه حدود ۲۰٪ کاهش یافته است. با این حال، از سال ۲۰۰۱ تا ۲۰۰۶، کل تولید سالانه سنگ آهک ایالات متحده بر اساس خلاصه کالاهای معدنی سازمان زمین شناسی (USGS) افزایش یافت، بنابراین اندازه متوسط معدن کاری در حال افزایش است. در سایر نقاط جهان، تولید جدید عمدتا از چند معدن بزرگ انجام می شود. علی رغم افزایش تولید ایالات متحده، تا زمان سقوط اخیر در ساخت و ساز، محصولات آهکی را  از دیگر کشورها وارد می کرد. این واردات اساساً از کانادا، مکزیک و چین انجام می شود. با در نظر گرفتن معادن کمتر، میانگین مسافت حمل و نقل افزایش می یابد و قیمت سنگ آهک احتمالاً یک بار دیگر افزایش می یابد.

برخی از مسائل مربوط به استخراج کربنات کلسیم

کربنات کلسیم اغلب از معدن استخراج می شود. با این حال، معادن سنگ آهک زیرزمینی در مکانهایی در مرکز و شرق ایالات متحده، به ویژه در شهرهای نزدیک آن یافت می شوند. استخراج زیرزمینی سنگ آهک دارای مزایایی نسبت به استخراج سطحی است و احتمالاً در آینده افزایش خواهد یافت. نگرانی های معمول مردم در مورد استخراج سنگ آهک یا کربنات کلسیم شامل گرد و غبار، سر و صدا، لرزش و انفجار، و  رفت و آمد کامیون ها و سایر ترافیک های مربوط به عملیات معدنی است.

برخی از سنگهای آهکی نیز درون سفره های زیرزمینی هستند، یعنی واحدهایی سنگی هستند که می توانند آب را به چاه ها برسانند. در مواردی که سنگ آهک یک سفره آب زیرزمینی است، ممکن است این نگرانی وجود داشته باشد که آلاینده های حاصل از معادن سنگفرش ممکن است به آبهای زیرزمینی بروند.

در بسیاری از مناطق ایالات متحده که کربنات کلسیم یافت می شود، به تدریج در آب باران در سطح یا در آبهای زیرزمینی نزدیک سطح حل می شود. در آب و هوای مرطوب، حجم زیادی از کربنات کلسیم حل شده و به آب منتقل می شود. این عمل باعث ایجاد غارها می شود و در صورت فرو ریختن سقف غار ممکن است فروچاله ها ایجاد شوند. در سفره های زیر کربنات کلسیم غار مانند، آلاینده های موجود در آبهای زیرزمینی بسیار سریعتر از انواع دیگر سنگها حرکت می کنند، بنابراین ایجاد معادن بزرگ در چنین مناطقی نگرانی خاصی دارد.

نیاز به پیداکردن یک منبع اظطراری کربنات کلسیم

کربنات کلسیم از مهمترین منابع کشور ایالات متحده است. درک ما از آن منبع به عنوان یک ماده معدنی صنعتی با توجه به اهمیت آن برای اقتصاد ما بسیار ضعیف است. از آنجا که سنگ کربنات کلسیم به عنوان یک سنگ “معمولی” در نظر گرفته شده است، دامنه تحقیقات اولیه زمین شناسی محدود بود. در گذشته، بیشتر تحقیقات USGS در مورد سنگ کربنات کلسیم بر روی نقشه برداری از رسوبات و همچنین درک نقش آنها به عنوان سفره های زیرزمینی و مخازن نفت متمرکز بوده است. با این حال، داده های مختلفی برای توصیف منابع کربنات کلسیم مناسب برای ساخت و ساز و سایر صنایع مورد نیاز است. سنگهای کربناته باید دارای خلوص شیمیایی مناسب باشند که با توجه به کاربرد مورد نظر متفاوت است. برخی از مصارف صنعتی مستلزم آن است که کربنات کلسیم از خصوصیات مهندسی مطلوبی نیز برخوردار باشد. استانداردها و الزامات استفاده از کربنات کلسیم یا سنگ آهک در حال افزایش است، و درک بیشتری از ویژگی های کربنات کلسیم، تنوع و خصوصیات مهندسی مورد نیاز است.

مصرف صنعتی کربنات کلسیم در ایالات متحده

محدودیت های زمین شناسی و اقتصادی قطعاً در آینده در تأمین کربنات کلسیم تأثیر می گذارد. در حال حاضر ایالات متحده بین ۵ تا ۱۰ درصد از تولید جهانی سنگ کربنات کلسیم صنعتی را مصرف می کند. در سال ۲۰۰۷، تولید داخلی کربنات کلسیم حدود ۱٫۳ میلیارد تن بود که بیش از ۲۵ میلیارد دلار ارزش داشت. در همان سال، حدود ۴۳۰ هزار  تن سنگ آهک و کربنات کلسیم صنعتی به ارزش حدود ۲٫۲ میلیارد دلار از دیگر کشورها وارد کرد. بیشتر این واردات سیمان پرتلند بود.

پاسخگویی به چالش تأمین نیازهای آمریکا به کالاهای اساسی معدنی مانند سنگ آهک صنعتی به اطلاعات علمی دقیق و بی طرفانه نیاز دارد. کار مداوم دانشمندان با برنامه منابع معدنی USGS اطلاعات مهمی را برای ایجاد سیاست های صحیح فراهم می کند که به اطمینان از تأمین منابع معدنی در آینده کمک می کند.