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科学家警示:一种重要的资源面临枯竭,可能会给人类带来危机

17世纪,炼金术士布兰德在利用尿液提取黄金的时候,意外发现了磷元素,这是人类发现的第一种元素,之所以能够从尿液中提取出磷,是因为磷存在于人体所有细胞中,是维持骨骼和牙齿的必要物质,几乎参与所有生理上的化学反应。磷还是使心脏有规律地跳动、维持肾脏正常机能和传达神经刺激的重要物质。

后来经过著名化学家波义耳的研究,他发现用尿液提取磷的过程中,向尿液加入沙子可以提高磷的生成效率,这一反应的方程式为:

4NaPO3 + 2SiO2 + 10C → 2Na2SiO3 + 10CO + P4

他指出,磷只在空气存在时才发光;磷在空气中燃烧形成白烟,这种白烟很快和水发生作用,形成的溶液呈酸性,这就是磷酸,把磷与强碱一起加热,会得到某种气体(磷化氢),这种气体与空气接触就燃烧起来,并形成缕缕白烟。这是当时关于磷元素性质的最早介绍。

1680年,波义耳第一次用磷点燃了一端带有硫磺的木棒,这被认为是现代火柴出现的开端。而波义耳通过这种方式制作了大量的磷,并将其作为商品卖到了欧洲其他国家,促进了磷元素的工业化发展。

在19世纪的时候,磷化工产业已经慢慢走向规模化,磷有三种同素异形体,黄磷、赤磷、黑磷。以黄磷(又称白磷)最重要,它是制取赤磷和磷化合物的基本原料。所以大规模地制造廉价的黄磷,是生产一系列磷化合物的重要条件。

磷化工产品主要分为两大类:一类是以磷酸一铵、磷酸二铵及磷酸氢钙为代表的磷肥;另一类则是广泛用于工业、农业及食品、医药领域的磷酸及磷酸盐,包括三聚磷酸钠、磷酸氢钙等。

可以说,磷作为所有生物不可或缺的一种物质,已进入现代社会的千家万户,而且不存在可人为合成的替代品。

但是磷属于典型的不可再生资源;虽然在这个世界上磷无处不在,但具有开发价值的磷酸盐岩并非取之不竭。这种矿藏需上百万年才能形成。

磷矿的产生一些来自于古代海洋生物,一些来自于火山岩浆,还有一些来自于动物排泄物,比如说瑙鲁著名的鸟粪矿,一般来说,鸟粪很容易就会被淋滤、流失回归大海。但位于赤道附近的瑙鲁位置特殊。

赤道高温环境下鸟粪土中有机磷盐能瞬速被分解,并留下丰富的磷酸盐。在碱性地下水的作用下,可溶性磷酸盐又与碳酸钙(珊瑚礁岛的富含碳酸钙)反应,也就形成了各种磷灰岩,瑙鲁的磷矿丰富到了什么程度呢?全岛3/5被磷酸盐所覆盖,只有沿岸有一窄条平地,可惜后来,瑙鲁的鸟粪矿被开采完毕。

根据USGS的资料,全球磷矿石储量(可用于商业生产的磷矿)为670亿吨,其中摩洛哥和西撒哈拉以500亿吨位列全球第一,中国近40亿吨远居第二。

产量方面,16年全球磷矿石产量2.55亿吨,其中中国(1.4亿吨)、美国(2710万吨)、摩洛哥和西撒哈拉(2700万吨)和俄罗斯(1200万吨)占全球产量的近80%。按照现有开采速度和利用方式,我国目前商业储量在40年后就将耗尽,剩余资源量的开发利用将耗费更高的开采成本。

一个由40位国际磷专家组成的研究小组在美国化学会旗下《环境科学与技术》发表文章称:“我们的星球将很快耗尽已知的磷资源,以目前的需求增长趋势计算,最多再有400年,全球所有可供开采的磷酸盐矿石储量将被消耗殆尽”。

而一些研究人员则认为磷储量将在100年消耗完毕,澳大利亚悉尼理工大学可持续发展学院高级研究员科德尔说:“按照目前的使用速度,磷储备量将会在今后50年至100年内消耗殆尽。磷同水一样对所有现代经济体来说都是不可或缺的。如果人们像关注全球水供应那样去关注全球磷供应,那么人们的担忧就会陡然加重。但令人不解的是,人们并未因此而更加重视磷的安全。”

磷矿的消耗殆尽对于人类而言是一个危机,磷是动植物生长的必需元素,而磷肥则是粮食增产的关键。磷肥的诞生推动了世界农业的发展,挽救了亿万人的生命。如果没有磷肥,届时全球粮食产量将减产四分之一,粮食供应将出现严重危机。

一些研究人员认为,在今后几十年中,随着全球高质量的磷盐岩矿石大幅减少,磷危机就真的可能对农业生产构成严重威胁。由于全球 可开采的磷矿资源非常有限,所以人们对于剩余磷矿储备的争夺,或许会导致新的世界地缘政治格局的出现。

目前,各个国家都希望从污水中回收宝贵的磷,瑞典甚至制订出国策,目标是从污水中回收75%的磷用于再循 环。

欧盟已经出台有关法律文件,不仅限制其成员国对磷矿石无序开采,还规定从2005年起,成员国中的磷业企业不得100 %依靠磷矿石作为原料,在磷工业所需原料中至少有50%为回收磷。

为了确保国内市场获得足够的磷供应,中国已对出口的磷盐岩实施了135%的高额关税。国专家也在积极寻找新的突破。由北京建筑工程学院可持续环境生物技术研发中心牵头的一个研究项目,也试图从污水中回收磷。

希望在未来,人类可以找出方法解决危机。

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