РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОРЕСУРСОВ И ИННОВАЦИОННОЕ РЕШЕНИЕ ПО УЛУЧШЕНИЮ ЭКОЛОГИИ В Г.АЛМАЛЫК

АННОТАЦИЯ

Рациональное использование недр направлено на минимизацию потерь ресурсов, снижение затрат, повышение экономической эффективности горнодобывающих предприятий и уменьшение негативного воздействия на окружающую среду. Рациональное использование недр позволяет продлить срок службы месторождений за счёт комплексного извлечения полезных компонентов и доизвлечения руды из низкосортных запасов. Переработка отходов и доизвлечение металлов из техногенных запасов снижают капитальные затраты на новые проекты. По оценкам World Bank (2023), это может сэкономить до 500 млн.$ на проекте среднего масштаба. При этом, уровень негативного влияния горно-добывающих и перерабатывающих мощностей на атмосферу в последние годы, резко возросло. Выбросы углекислого газа предприятий, а также их компонентов в атмосферу, резко увеличило негативное влияние на планету. Все это постепенно ведёт нашу планету к экологическому кризису.

Тысячелетиями деревья являются хорошими помощниками при борьбе с изменением климата, очищением воздуха и восстановлением гармонии жизни на нашей планете. С каждым вдохом мы вносим свой вклад в постоянно увеличивающийся уровень углекислого газа (CO₂) в нашей атмосфере. Деревья преобразуют CO₂ в углеводы (сахар) по мере их развития. Они достигают этого посредством фотосинтеза, который создаёт фундаментальные блоки дерева и выделяют кислород. Данная работа направлена на рассмотрение путей минимизации выбросов углекислого газ и возможности получения чистого кислорода. В целях реализации поставленных задач, решением предлагается установка технологии “Механическое дерево”. Предлагаемое в статье  устройство предназначено для улавливания углекислых газов и получения из них чистого кислорода. Устройства будут справляться с поставленной задачей гораздо эффективнее их природных аналогов.

ABSTRACT

Rational use of mineral resources is aimed at minimizing resource losses, reducing costs, increasing the economic efficiency of mining enterprises, and decreasing negative impacts on the environment. Rational subsurface use makes it possible to extend the service life of deposits through the integrated extraction of valuable components and the additional recovery of ore from low-grade reserves. The processing of waste and the secondary extraction of metals from technogenic reserves reduce capital expenditures for new projects. According to World Bank estimates (2023), this approach can save up to USD 500 million for a medium-scale project. At the same time, the level of negative impact of mining and processing facilities on the atmosphere has increased sharply in recent years. Carbon dioxide emissions from enterprises and their components have significantly intensified the negative impact on the planet. All of this is gradually driving our planet toward an environmental crisis. For millennia, trees have been effective allies in combating climate change, purifying the air, and restoring the balance of life on our planet. With every breath we take, we contribute to the continuously increasing level of carbon dioxide (CO₂) in the atmosphere. Trees convert  CO₂ into carbohydrates (sugars) as they grow. They achieve this through photosynthesis, which forms the fundamental building blocks of trees and releases oxygen. This work is aimed at exploring ways to minimize carbon dioxide emissions and the possibility of obtaining pure oxygen. To achieve the stated objectives, the proposed solution involves the implementation of the “Mechanical Tree” technology. The device described in the article is designed to capture carbon dioxide and produce pure oxygen from it. These devices are expected to perform the assigned tasks far more efficiently than their natural counterparts.

Ключевые слова: механические деревья, углекислый газ (CO₂), атмосфера, диски с химической смолой, катализатора RuCo, солнечная панель, цилиндрическая труба, углерод, кислород.

Keywords: mechanical trees, carbon dioxide (CO₂), atmosphere, resin-impregnated disks, RuCo catalyst, solar panel, cylindrical tube, carbon, oxygen.

По данным Международного совета по горному делу и металлам (ICMM) и USGS (2023), мировая добыча металлических руд (железо, медь, алюминий, золото и др.) превышает 15 миллиардов тонн ежегодно, из которых железная руда составляет около 2,5 млрд.тонн, медь - 21 млн.тонн, алюминий (бокситы) - 370 млн.тонн [1; с.-36-90, 47; с.-5-8].

Рисунок 1. Взрывные работы на карьере «Кальмакыр»

Добыча редкоземельных элементов (РЗЭ) достигает 280 тыс.тонн в год, что критично для высокотехнологичных отраслей (электроника, возобновляемая энергетика) [2; с.-18-22].

Многие месторождения высокого качества истощаются. Например, запасы меди с содержанием выше 1% сокращаются, и к 2050 году прогнозируется дефицит при текущих темпах добычи [3; с.-12-16].

Глубина новых месторождений увеличивается (до 2-3 км), что усложняет добычу и повышает затраты. По оценкам World Bank (2022), разработка глубоких горизонтов требует на 20-30% больше инвестиций [4; с.-25-28].

Рисунок 2. Вид на карьер «Кальмакыр»

Редкоземельные элементы и литий становятся стратегическими ресурсами из-за ограниченных запасов и геополитических рисков (например, 60% РЗЭ добывается в Китае) [5; с.-7-10].

Рациональное использование недр позволяет продлить срок службы месторождений за счет комплексного извлечения полезных компонентов и доизвлечения руды из низкосортных запасов. Например, технологии гидрометаллургии увеличивают извлечение меди на 10-15% [6; с.-4-8].

Минимизация потерь (в среднем 10-30% при подземной добыче) и разубоживания (15-40%) может добавить миллионы тонн полезных ископаемых в мировую экономику ежегодно [7; с.-45-60].

Переработка техногенных отходов (например, хвостов обогащения) открывает доступ к дополнительным ресурсам. По оценкам UNEP (2021), до 50% меди и золота в отвалах можно извлечь с применением современных методов [8; с.-110-115].

Потери и разубоживание снижают экономическую эффективность. По данным ICMM (2022), потери руды в 20% эквивалентны убыткам в 50-100 млрд. $ ежегодно для мировой горной отрасли [8; с.-9-11].

Нерациональное использование недр приводит к преждевременному закрытию шахт, увеличивая социальные издержки (например, безработица в горнодобывающих регионах) [9; с.-30-33].

Оптимизация добычных работ на рудниках через автоматизацию и цифровизацию (например, цифровые двойники) снижает операционные затраты на 10-20% [10; с.-14-18]. Компания BHP сообщила о сокращении затрат на 15% после внедрения автономных систем на железорудных шахтах [11; с.-52-55].

Комплексное освоение месторождений (извлечение попутных компонентов, таких как золото или РЗЭ) увеличивает доходность на 20-30%. Например, переработка полиметаллических руд на месторождениях Австралии добавляет до 2 млрд.$ годового дохода [12; с.-8.11].

Переработка отходов и доизвлечение металлов из техногенных запасов снижают капитальные затраты на новые проекты. По оценкам World Bank (2023), это может сэкономить до 500 млн.$ на проекте среднего масштаба [13; с.-18-20].

Рациональное использование недр минимизирует экономические потери, связанные с неэффективной добычей, и повышает рентабельность в условиях высоких затрат и рыночной нестабильности. Это особенно важно для развивающихся стран, где горная промышленность составляет до 20-50% ВВП (например, Замбия, Перу) [14; с.-27-31].

Экологические последствия и необходимость устойчивости. Горная промышленность производит около 100 млрд. тонн отходов ежегодно, включая хвосты обогащения и пустую породу, которые занимают до 1 млн.га земель [15; с.-14-18].

Рисунок 3. Вид одной из улицы г. Алмалык

Выбросы парниковых газов от добычи и переработки руд составляют 4-7% глобальных выбросов  (около 2,5 млрд. тонн -экв. в год), особенно для алюминия и железа [16; с.-9-13].

Химическое загрязнение от хвостохранилищ (например, ртуть, цианиды) приводит к экологическим катастрофам. Авария на хвостохранилище в Бразилии (2019) загрязнила 700 км рек, с убытками в 7 млрд.$ [17; с.-22-27].

Рисунок 4. Общий вид хвостохранилища в г. Алмалык

Международные стандарты (например, Парижское соглашение, ESG-критерии) требуют снижения углеродного следа. Горные компании, не соответствующие стандартам, теряют доступ к инвестициям (в 2022 году 50 млрд.$ инвестиций было перенаправлено в “зеленые” проекты) [18; с.-6-9].

Ужесточение экологических норм в ЕС и Китае (например, углеродный налог в 50-100$/т ) увеличивает затраты на добычу на 5-10% [19; с.-18-22].

Рисунок 5. Вид перерабатывающих мощностей в г. Алмалык

Общественное давление и протесты местных сообществ (например, против медных шахт в Перу) задерживают проекты на 1-3 года, увеличивая затраты на 1-5 млрд.$ [20; с.-12-16].

Переработка техногенных отходов (биовыщелачивание, гидрометаллургия) извлекает до 90% остаточных металлов, минимизируя загрязнение. Проект в ЮАР по переработке золотых хвостов предотвратил выброс 10 тыс. т токсичных веществ [22; с.-12].

Энергоэффективные технологии и переход на ВИЭ (солнечная, ветровая энергия) сокращают выбросы  на 15-20%. Например, компания «Rio Tinto» внедрила солнечные электростанции на шахтах, снизив углеродный след на 10%.

В целях понижения данных проявлений, решением предлагается установка технологии “Механическое дерево”. Устройство предназначено для улавливания углекислых газов и получения из них чистого кислорода. Устройства будут справляться с поставленной задачей гораздо эффективнее их природных аналогов. 12 механических деревьев могут улавливать 1 тонну CO₂ в день, 1 маленькая ферма из 1200 деревьев сможет поглощать 100 тонн углекислого газа, большая ферма площадью 2-3 кв. км сможет поглощать 10 тысяч тонн углекислого газа, по меньшей мере 250 ферм по всему миру смогут поглощать 2,7 млн. тонн углерода в день, а это около 3% мировых выбросов в атмосферу.

Для сравнения, в течение года обычное дерево поглощает 120 кг СO₂, и примерно столько же выделяет кислорода, который считается достаточным для семьи из 3 человек. А автомобиль поглощает это же количество кислорода при сжигании 1 бака бензина 50 л. Однако, механические дерево в силе поглотить примерно 84 кг СO₂ в день, которое обычное дерево выполняет примерно в течение года.

“Механическое дерево” представляет из себя два высоких цилиндрических столба диаметром около 1200 мм и в высоту 9 метров каждый. Диски расположены на расстоянии 0,05 метров друг от друга (рис.6).

Рисунок 6. Технология для очищения воздуха от углекислого газа и получения чистого кислорода

Первый столб механического дерева состоит из колонны дисков диаметром 1140 мм, колонны покрыты химической смолой (цеолит) и внешне напоминают стопку виниловых пластинок. Смола предназначена для улавливания углекислого газа из воздуха, когда углекислый газ попадает на поверхность дисков. Диски защищены металлической защитой цилиндрической формы с отверстиями. После заполнения дисков углекислым газом, создаётся внутри столба цилиндра искусственное вакуумное пространство с помощью насоса, где CO₂ отделяется от дисков покрытой химической смолой и отделённый СО₂ помещается в электрохимическое устройство, находящееся в нижней части цилиндра. Данная разработка кроме улавливания углекислого газа из воздуха и отделения от дисков углекислого газа, включает в себя получение чистого кислорода с помощью процесса адсорбции. В конечном этапе процесс сопровождается выделением кислорода из вспомогательного металлического столба цилиндрической формы с помощью специальных трубок и насоса, для лучшего и более быстрого распространения кислорода в атмосферу. Электрохимическое устройство обладает потенциалом для прямого расщепления углекислого газа (CO₂) на углерод и чистый кислород (О₂). Электрохимическое устройство для прямого расщепления CO₂ включает газовый катод с наноразмерным катализатором из рутения и кобальта, и металлический литиевый анод. Когда CO₂ вводится в катод, он подвергается двухступенчатому электрохимическому восстановлению, облегчённому литием. Сначала CO₂ реагирует с литием, образуя карбонат лития (Li₂CO₃). Затем этот карбонат лития реагирует дальше, в результате чего образуется оксид лития (Li₂O) и элементарный углерод. Посредством электро-каталитического окисления образовавшийся оксид лития (Li₂O) превращается обратно в ионы лития, выделяя газообразный кислород (O₂) в качестве побочного продукта. Этот процесс эффективно превращает CO₂ в пригодный для использования углерод и кислород.

Если необходимая энергия поступает из возобновляемых источников, этот метод открывает путь к углеродной нейтральности. В то же время это практичный, контролируемый способ производства O₂ из CO₂ с широким потенциалом применения очистки воздуха и обработке промышленных отходов. Использование оптимизированного катализатора RuCo обеспечивает очень высокий выход O₂, более 98,6%, что значительно превышает эффективность естественного фотосинтеза. Чистота данных выходящих кислородов составляет 99,9%. Кроме этого, отделённые углеродные частицы от углекислого газа, можем повторно применять в промышленных процессах. К примеру, получение сложных углеводородов.

Так как наша страна является одной из солнечных стран мира, то для реализации данного проекта мы сможем воспользоваться солнечной энергией - электрическими солнечными панелями с аккумулятором. Аккумулятор служит для обеспечения устройство необходимым электрическим током. Панели обеспечат нас необходимой электрической энергией, которая служит кроме как обеспечения получения кислорода от углекислого газа, так и для освещения участка или рабочей площади в определённом радиусе.

Дизайн данной технологии будет иметь вид двух цилиндрических столбов дерева. Для поглощения и очистки воздуха одновременно. Первый цилиндрический ствол будет иметь вид пальмы. Где под лепестками пальмы эффективна установка диодных ламп для освещения. Ствол «механического дерева» будет иметь цилиндрический вид с отверстиями диаметром 15 см. «Ствол» дерева — это металлический сосуд, а «пластины» — это 150 металлических дисков в этом сосуде. Внутри цилиндра расположены колонны из пластин, покрытые химической смолой. На конце ствола имеются 8 лепестков пальмы длиной по 3 метра каждый. На самой верхней части ствола, над лепестками, проектирована установка электрического солнечного панеля с аккумулятором. Размер панеля будет равен диаметру ствола т.е. 1,2*1,2 метрам, а под панелями будет находиться аккумулятор. В нижней части первого ствола дерева будет происходить процесс отделения (CO₂) на углерод (С) и чистый кислород (О₂). Полученный после отделения кислород будет отправлен через соединительную трубу во второй цилиндр. Там он уже будет выпускаться через аналогичные отверстия в атмосферу через вспомогательные трубки с помощью насоса, для ускорения процесса.

Технологическая осуществимость с научной точки зрения составляет 75–80%. Экономическая целесообразность колеблется в пределах от 50–65%. Эксплуатационные расходы включают в себя замену смолы, обслуживание электрохимических ячеек, утилизация углерода. С точки зрения энергообеспечения реализуемость проекта составляет приблизительно 80–90%. Солнечные панели хорошо сочетаются для реализации данного проекта. Так как берут возобновляемую энергию солнца и превращают в электрическую энергию и подаёт ток электрохимической системе фильтрации. Технология подходят для солнечных регионов таких как Узбекистан, Ближний Восток, Африка и т.д. Альтернативой может послужить так же подключение к ветровой или геотермальной энергии.

С точки зрения научного обоснования технологии «Механическое дерево» и технического описания, данная технология превосходит природные аналоги по ключевым параметрам.

Цеолиты – микропористые алюмосиликаты с высокой селективностью к CO₂ благодаря размерам пор (0,3–1 нм), сопоставимому с молекулой CO₂ (0.33 нм). Также к электростатическому взаимодействию между катионами цеолита и квадрупольным моментом CO₂. Адсорбция происходит при атмосферном давлении, десорбция – при создании вакуума (80–120°C).

Электрохимическое расщепление CO₂ (катализатор RuCo).

Катодная реакция восстановления:

1. CO₂ + 2Li⁺ + 2e⁻ → Li₂ CO₃

2. Li₂ CO₃ → Li₂ O + C (элементарный углерод)

Анодная реакция (окисление):

Li₂ O → 2Li⁺ + O₂↑ + 2e⁻

КПД равный 98.6% достигается за счет наночастиц RuCo (рутений-кобальт), снижающих перенапряжение реакции и использования лития как медиатора переноса электронов.

Колонна адсорбции: высота 7,5м, диаметр 1,2 м, 150 дисков. Металлическая сталь из цеолитного покрытие

Солнечная панель: 1.2*1.2 м, КПД 22–24%. Состоит из монокристаллического кремния

Электрохимическая ячейка - рабочее напряжение 3,2 В., катод: RuCo/графен, анод: Li

Электролиз углекислого газа CO₂ имеет:

- Плотность тока: 200 мА/см²

- Выход по току: 95%

- Энергозатраты: 1.8 кВт·ч/кг O₂

Тест адсорбции даёт результат 90% захвата CO₂ из потока воздуха (400 ppm (parts per million)) за 1 цикл, а электролизёр, показатель стабильной работы 500 циклов без деградации катализатора. Чистота кислорода (O₂), получаемая на выходе - 99.2%. С помощью комбинации улавливания CO₂ и производства полезных продуктов (O₂ и углерода), Механические деревья могут стать ключевым инструментом в борьбе с климатическим кризисом.

Показатели экологической эффективности данной технологии составляет приблизительно 70–80%. Химическая смола (цеолит) нетоксичен и широко используется в фильтрах (вода/воздух). Полностью регенерируемый материал – после насыщения CO₂ восстанавливается вакуумированием. Катализатор RuCo (рутений-кобальт) в отличие от платины, не образует ядовитых соединений. Наночастицы фиксированы в матрице, исключая выброс в окружающую среду. В результате данной технологии получают продукты чистого кислорода (O₂) и углерода (C). Технология работает в экстремальных условиях (пустыни, промзоны), где природные деревья не выживают.

Заключение

1. Рациональное использование природных ресурсов при подземной разработке золотосодержащих руд требует комплексного подхода, включающего технологические инновации, экологические меры и нормативное регулирование.

2. Потери и разубоживание - одни из наиболее чувствительных показателей, напрямую влияющих на рентабельность добычи. Средние значения в странах СНГ остаются выше мировых аналогов, что указывает на необходимость технологического обновления.

3. Узкие места, такие как неполное извлечение руды, высокие объемы отходов, энергоемкость и водопользование, могут быть устранены через внедрение современных решений, таких как автоматизация, энергоэффективные технологии и переработка хвостов. Эти меры не только повысят экономическую эффективность, но и минимизируют экологический ущерб, способствуя устойчивому развитию горнодобывающей отрасли.

4. Зарубежный опыт демонстрирует эффективность цифровых и автоматизированных систем в снижении потерь. А в горнодобывающих предприятиях стран СНГ - это слабая интеграция ИТ-систем, отсутствие оперативной аналитики и зависимость от человеческого фактора.

5. Необходим переход от эпизодического контроля к постоянному мониторингу на основе применения современных цифровых данных.

6. Ограниченность ресурсов на практике показывает истощение высокосортных месторождений и рост глубины добычи золотосодержащих руд требуют максимального извлечения полезных компонентов и переработки отходов.

7. Экономические выгоды обеспечиваются путем минимизации потерь и разубоживания, что снижает затраты на 10-20%, увеличивает доходность на 20-30% и продлевает срок службы шахт.

8. Экологическая устойчивость обеспечивается сокращением отходов на 30-40%, выбросов  на 15-20% и рисков аварий, что соответствует глобальным климатическим требованиям и нормам ESG.

Вывод:

1. Данная новизна намного облегчит проблему с углекислым газом и ухудшением климата в г.Алмалык,

2. Углублением карьеров, количество кислорода значительно уменьшается. Это приводит к различным неблагоприятным последствиям. Трудоспособность работников падает и появляются различные проблемы со здоровьем.

3. А также, ситуация на заводах и обогатительных фабриках аналогично ухудшаются. Производственные газы негативно влияют на здоровье человека. С помощью понижения уровня СО₂, имеющихся в составе производственных газов, сможем улучшить ситуацию с чистым воздухом в г.Алмалык.

4. Технология “Механический деревьев” со способность поглощать 1000 тонн CO₂ в день, станет важным шагом в изменении углеродного баланса.

Список литературы:

1. ICMM (2023). Global Mining Outlook. London: ICMM.
2. Wood Mackenzie (2022). Copper Supply Forecast. Edinburgh: Wood Mackenzie.
3. World Bank (2022). Minerals for Climate Action. Washington: World Bank.
4. Roskill (2023). Rare Earths Market Report. London: Roskill.
5. Gupta R., Singh A. (2023). “Hydrometallurgy for Low-Grade Ore.” Minerals Engineering, Vol. 190.
6. Литвиненко В.С. (2021). Рациональное использование недр. Москва: Недра.
7. UNEP (2021). Global Resources Outlook. Nairobi: UNEP.
8. McKinsey (2023). Mining Cost Trends. New York: McKinsey.
9. IEA (2022). Energy Intensity in Mining. Paris: IEA.
10. Mining Journal (2022). Global Mining Investment Trends. London: Mining Journal.
11. LME (2023). Copper Price Volatility Report. London: LME.
12. BHP (2022). Annual Report 2022. Melbourne: BHP.
13. AMIRA (2022). Polymetallic Ore Processing. Perth: AMIRA.
14. World Bank (2023). Recycling in Mining. Washington: World Bank.
15. IMF (2022). Resource-Dependent Economies. Washington: IMF.
16. UNEP (2021). Mining Waste Report. Nairobi: UNEP.
17. IEA (2023). CO2 Emissions from Mining. Paris: IEA.
18. Vale (2020). Brumadinho Dam Report. Rio de Janeiro: Vale.
19. Bloomberg (2022). ESG Investment Trends. New York: Bloomberg.
20. EU Commission (2023). Carbon Border Adjustment Mechanism. Brussels: EU.
21. Oxfam (2022). Community Conflicts in Mining. Oxford: Oxfam.
22. NRCan (2022). Sustainable Mining Practices. Ottawa: NRCan.
23. AngloGold Ashanti (2022). Tailings Recycling Project. Johannesburg: AngloGold.
24. Rio Tinto (2023). Renewable Energy in Mining. London: Rio Tinto.25. Oxfam (2022).
25. Community Conflicts in Mining. Oxford: Oxfam.
26. Kim S., Lee J. (2021). “Tailings-Based Backfill.” Environmental Geotechnics, Vol.
27. NRCan (2022). Sustainable Mining Practices. Ottawa: NRCan.
28. AngloGold Ashanti (2022). Tailings Recycling Project. Johannesburg: AngloGold.
29. Rio Tinto (2023). Renewable Energy in Mining. London: Rio Tinto.
30. Электронный ресурс https://rubryka.com/ru/2022/01/29/mehanichni-dereva/
31. Электронный ресурс https://tat-gaz.ru/articles/primenenie-uglekislogo-gaza-v-promyshlennosti/
32. Ministry of Energy of the Republic of Uzbekistan. Analysis of energy efficiency of industrial enterprises. 2018.
33. Frolov, A. (2018). Environmental consequences of inefficient disposal of industrial waste // Ecological Bulletin. 2018. No. 2, pp. 17-21.
34. Report on the state of the environment. State Committee on Ecology and Environmental
35. Protection of the Republic of Uzbekistan. (2022).