انقراض یک ماده معدنی

فسفر عنصر تجدیدپذیری نیست

 “فسفر” مادۀ معدنیِ ضروری و مهمی برای تمام گیاهان و حیوانات روی زمین، از جمله انسان‌هاست. فسفر که یکی از عناصر اصلی  DNA است، موجب می‌شود سلول‌های زنده، انرژی را انتقال دهند. همچنین، وقتی فسفر از سنگ ِ فسفات استخراج می‌شود، می‌توان برای افزایش بهره‌وری کشاورزی آن را به کودهای شیمیایی اضافه کرد.

مشکل این است که فسفر عنصر تجدیدپذیری نیست و در حال حاضر هیچ جایگزینِ شناخته‌شده‌ای برای آن وجود ندارد و مناطق بسیار محدودی وجود دارد که بتوان فسفر از آنجا استخراج کرد. هرچه زمین مقادیر بیشتر و بیشتری از این مادۀ معدنی را مصرف می‌کند، تأمین رو به کاهش این مادۀ خام هم مبرم‌تر و دشوارتر از همیشه می‌شود.

گروهی متشکل از چهل کارشناس بین‌المللی هشدار داده‌اند که اگر برای حفظ این عنصر مهم اقدامی صورت نگیرد، زمین بزودی کاملاً خالی از فسفر می‌شود. فقط در ۵۰ سال گذشته، کود فسفر پنج برابر افزایش یافته است؛ و با ادامۀ رشد جمعیت انسان انتظار می‌رود که تا سال ۲۰۵۰ تقاضا دو برابر شود. محققان صنایع، دانشگاه‌ها و مؤسسات تحقیقاتی می‌گویند جهان برای مواجهه با بحران قریب‌الوقوعِ فسفری، کاملاً غیرآماده است.

اکولوژیست “کاسپر ریتزل”، که فسفر در اکوسیستم‌های آبی را مطالعه می‌کند و در نوشتن این گزارش همکاری داشت، می‌گوید: «هیچ همکاری یا هماهنگی در سطح جهانی وجود ندارد که مسئولیت مدیریت منبع فسفر زمین را بر عهده بگیرد. حتی بین کشورهای عضو اتحادیه اروپا یا ایالات متحده آمریکا نیز هماهنگی و همکاری وجود ندارد. دستورالعمل چارچوب آب اتحادیه اروپا یا قانون آب تمیز آمریکا عمدتاً بر کیفیت اکولوژیکی آب تمرکز دارند، و پایداری فسفر را در سطحی کافی ادغام نمی‌کنند.»

در سطح مصرف فعلی، برخی از مدل‌ها نشان می‌دهند که تا ۸۰ سال دیگر ذخایر شناخته‌شدۀ فسفر تمام خواهد شد. تخمین‌های محافظه‌کارانه‌تر این تاریخ را ۴۰۰ سال ِ دیگر برآورد کرده‌اند، در حالی که برخی دیگر می‌گویند کمتر از ۴۰ سال فرصت داریم تا برای این مسئله قریب‌الوقوع راه‌حلی پیدا کنیم. تقریباً تمام مطالعات بر این باورند که این مسئله‌ای است که نیاز به تحقیقات بیشتری دارد.

اگرچه بدون شک کاهش مصرف ما نقشی اساسی در رفع این مشکل خواهد داشت، یادگیری چگونه بازیافت کردن فسفر نیز بسیار مهم است- و هر دوی این‌ها در کشورهای در حال توسعه به طور خاص‌تری تأثیرگذار خواهند بود. گرچه ۳۰ سال قبل ایالات متحده تولیدکنندۀ اصلی فسفر در سطح جهان بود، اما اکنون هند و چین بیش از ۴۵ درصد کل مصرف دنیا را به خود اختصاص داده‌اند.

در تمام این مدت، روش‌ها و اقدامات ما برای استخراج و مصرف این مادۀ معدنی به سختی بهبود یافته است. امروزه مخلوط‌های شیمیایی غنی‌شده با فسفسات فقط قبل از اینکه خاک فاقد مواد مغذی به دریا ریخته شود، به آن اضافه می‌گردد. این امر نه تنها اقیانوس‌ها و آب‌ها را آلوده می‌کند، که باعث ایجاد مناطق مرده‌ای می‌شود که ماهی‌ها نمی‌توانند در آن زندگی کنند و آب آشامیدنی را سمی می‌کند، بلکه ناپایدار نیز می‌باشد.

زندگی بدون فسفر ممکن نیست

محققان با ایجاد سیستم بازیافت حلقه بسته، باور دارند که می‌توان تقریباً ۴۶ برابر بیشتر، از فسفات بعنوان سوخت، کود یا مواد غذایی، یا هرچیزی که به آن نیاز داریم، مجدداً استفاده کرد. گروهی از کارشناسان بین‌المللی فسفر در گزارش جدیدی نوشتند: «مدیریت ِ ضعیف فعلی ما نسبت به این مادۀ مغذیِ اساسی، چالش مبرمی را نشان می‌دهد؛ چالشی که موجب آلودگی منابع آب در مقیاس جهانی می‌شود و در عین حال موجب نرسیدن به دسترسیِ عادلانه به کودها برای حمایت از تولید مواد غذایی در سراسر جهان، می‌گردد.»

آنها افزودند: «از آنجا که مقررات فعلی که به فسفر توجه می‌کنند، تاریخ ندارند و نمی‌توانند به اندازۀ کافی به ابعاد وسیع‌تر استفادۀ پایدار، یا نیازهای آینده در سطح جهانی، بپردازند.» این نویسندگان در پاسخ به سال‌ها کاهلی و بی‌اقدامی، از صنایع و مقامات جهانی می‌خواهند تا نسل جدیدی از متخصصان پایداری مواد مغذی ایجاد کنند که بتوانند با یکدیگر همکاری کنند و «مدیریت بین‌المللی فسفر و محیط زیست پاک را برای سایر مردم جهان تضمین کنند.»

ریتزل می‌گوید: «این افراد نباید متخصصان سادۀ فسفر باشند، بلکه باید «متفکران سیستم» باشند تا بتوانند از تصمیم‌گیری در مورد تمام ابعاد مدیریت فسفر آگاه باشند.» سیر کردن شکمِ میلیاردها نفر در دهه‌های آینده چالش بزرگی خواهد بود و وقتی ذخایر فسفر کاهش یابد دشوارتر هم خواهد شد. منابع حیاتیِ زیادی وجود دارد که ما انسان‌ها نمی‌توانیم بدون آنها زندگی کنیم، اما منابع معدودی وجود دارد که مانند فسفر، قابل تعویض نیست.

ماریسا دی بوئر، کارشناس فسفات، اخیراً در گاردین بیان داشت که عدم آگاهی عمومی باعث شده که این موضوع به یک بحران زیست‌محیطیِ «نامعلوم» تبدیل شود. وی گفت: «ما واقعاً به فسفات وابسته‌ایم اما هیچوقت به آن توجه نمی‌کنیم.»

فسفر چیست؟

فسفر عنصر  پانزدهم در جدول تناوبی است و با نماد P نشان داده می شود این عنصر در طبیعت به صورت آزاد یافت نمی شود ولی به صورت ترکیب حتی در بدن موجودات زنده نیز یافت می شود. فسفر یک غیر فلز است و در برخی متون به دلیل درخشش وهم آور و تمایل به شعله ور شدن از آن  به عنوان “عنصر شیطان” یاد می شود.

فسفر خالص مانند سایر غیر فلزات اشکال کاملاً متفاوتی دارد و حداقل دارای پنج آلوتروپ است. علاوه بر این فسفر سفید ، قرمز ، بنفش و سیاه نیز وجود دارد. در شرایط عادی ، فسفر قرمز و سفید رایج ترین نوع فسفر می باشند. در حالی که خواص فسفر به آلوتروپ آن بستگی دارد ولی آنها دارای ویژگی های غیر فلزی مشترک هستند.

مواجهه با عنصر خالص می تواند کشنده باشد و به ویژه فسفر سفید اثرات منفی بر سلامتی دارد. کبریت هایی که با استفاده از فسفر سفید ساخته می شوند با بیماری شناخته شده به نام فک فسیلی در ارتباط هستند  که باعث تغییر شکل صورت و مرگ می شود. تماس با این ترکیب می تواند باعث سوختگی شیمیایی شود. فسفر قرمز یک گزینه ایمن تر است و غیر سمی محسوب می شود.

حقایقی در رابطه با فسفر

این عنصر به جز فسفر سیاه رسانای ضعیفی برای حرارت و برق است. انواع فسفر در دمای اتاق جامد هستند. فسفر سفید که گاهی اوقات فسفر زرد نامیده می شود شبیه موم است ، فرم قرمز و بنفش جامدات غیر بلوری هستند در حالی که آلوتروپ سیاه شبیه گرافیت است. عنصر خالص واکنش پذیر است ، تا حدی که فسفر سفید به طور خود به خود در هوا شعله ور می شود. این عنصر به طور معمول در حالت اکسیداسیون +۳ یا +۵  قرار دارد.

فسفر طبیعی از یک ایزوتوپ پایدار ،P -31 تشکیل شده است. حداقل ۲۳ ایزوتوپ از این عنصر شناخته شده است. کاربرد اصلی این عنصر برای تولید کود است. این عنصر همچنین در مشعل ها ، وسایل آتش  بازی ، دیودهای ساطع کننده نور و تولید فولاد استفاده می شود. از ترکیبات فسفر در بعضی از مواد شوینده استفاده می شود. نوع قرمز نیز یکی از مواد شیمیایی است که در تولید غیرقانونی مت آمفتامین ها استفاده می شود.

طبق تحقیقی که در مجموعه مقالات آکادمی های ملی علوم منتشر شده است ، ممکن است فسفر توسط شهاب سنگ ها به زمین آورده شده باشد. پیدایش ترکیبات فسفر در اوایل تاریخ زمین به شرایط لازم برای پیدایش حیات کمک کرده است. این عنصر با غلظت حدود ۱۰۵۰ قسمت در میلیون ، از نظر وزن ، در پوسته زمین فراوان است .

گرچه جداسازی این ماده از ادرار یا استخوان قطعاً ممکن است ، اما امروزه این عنصر از مواد معدنی حاوی فسفات جدا می شود. این عنصر با گرم کردن سنگ معدن در کوره و بدست آوردن بخار تترا فسفر از فسفات کلسیم بدست می آید. این بخار برای جلوگیری از اشتعال در زیر آب به شکل فسفر متراکم می شود.

موارد کاربرد فسفر

این عنصر دارای دو شکل اصلی سفید و  قرمز است. نوع سفید جامدی مومی  و سمی است و در تماس با پوست می تواند باعث سوختگی شدید شود . این ترکیب در تاریکی می درخشد و هنگام قرار گرفتن در معرض هوا خود به خود قابل اشتعال است. نوع قرمز یک ماده جامد غیر سمی  و آمورف است.

از فسفر سفید در وسایل آتش زا و آتش بازی استفاده می شود.  نوع قرمز در ماده بکار رفته در کنار جعبه های کبریت  که برای روشن کردن  از آن استفاده می شود ، مورد استفاده قرار می گیرد. بیشترین کاربرد ترکیبات فسفر برای تولید کودها است. آمونیوم فسفات از سنگ معدن های فسفات دار ساخته می شود. سنگ معدن ابتدا به اسیدهای فسفریک تبدیل شده و سپس به فسفات آمونیوم تبدیل شود.

این عنصر در تولید فولاد نیز کاربرد دارد. فسفات ها مواد تشکیل دهنده برخی شوینده ها هستند ، اما در برخی کشورها شروع به حذف تدریجی آن کرده اند.  دلیل این امر این است که می توانند منجر به افزایش مقادیر فسفات در منابع طبیعی آب و باعث رشد جلبک های ناخواسته شود.  از فسفات ها در تولید عینک های مخصوص و ظروف چینی ظریف نیز استفاده می شود.

نقش بیولوژیکی فسفر

این ماده برای همه موجودات زنده یک عنصر ضروری است. قند فسفات ساختار DNA و RNA را تشکیل می دهد. این ماده برای انتقال انرژی در سلول به عنوان بخشی از آدنوزین تری فسفات مهم می باشد و در بسیاری دیگر از مولکولهای مهم بیولوژیکی یافت می شود .

ما روزانه حدود ۱ گرم فسفات مصرف می کنیم و حدود ۷۵۰ گرم فسفر در بدن ذخیره می کنیم زیرا استخوان ها و دندان های ما عمدتا فسفات کلسیم تشکیل شده اند.

استفاده بیش از حد فسفات حاصل از کودها و مواد شوینده می تواند باعث آلودگی رودخانه ها و دریاچه ها شود که باعث رشد سریع جلبک ها می شود. جلبک ها جلوی نور را می گیرند و باعث جلوگیری از فتوسنتز بیشتر می شوند. در نتیجه اکسیژن محلول در آب کاهش می یابد و اکوسیستم دریاچه از بین می رود.

روش تولید فسفر

این عنصر در طبیعت به صورت آزاد یافت نمی شود ، اما انواع فسفر به طور گسترده ای در ترکیبات موجود در مواد معدنی یافت می شود. منبع مهم آن  سنگ فسفات است که حاوی مواد معدنی آپاتیت است و به مقدار زیاد در ایالات متحده آمریکا و جاهای دیگر یافت می شود. این نگرانی وجود دارد که “اوج مصرف فسفر” در حدود سال ۲۰۵۰ رخ دهد و پس از آن منابع ما کاهش یابد.

فسفر سفید با حرارت دادن سنگ فسفات در حضور کربن و سیلیس در کوره به صورت صنعتی تولید می شود. این فرآیند باعث تولید این ماده به شکل بخار می شود که سپس در زیر آب جمع می شود. فسفر قرمز با حرارت دادن آرام فسفر سفید در دمای ۲۵۰ درجه سانتی گراد در غیاب هوا ساخته می شود.

آلوتروپ‌های فسفر

این عنصر حداقل ۱۰ آلوتروپ مختلف دارد که معمولی ‌ترین آن فسفر سفید (زرد) است. آلوتروپ معمول دیگر با فعالیت بسیار کمتر نسبت به نوع سفید،  فسفر قرمز نام دارد که در تولید کبریت کاربرد دارد. نوع سفید را برای جلوگیری از احتراق در زیر آب نگهداری می دارند اما فسفر قرمز در هوا پایدار است.

تاریخچه کشف فسفر

این عنصر برای اولین بار توسط هنیگ برانت در هامبورگ در سال ۱۶۶۹ با تبخیر ادرار کشف شد. برانت کشف خود را مخفی نگه داشت  زیرا فکر می کرد ماده ای را کشف کرده که می تواند فلزات را به طلا تبدیل کند. ولی او برای بدست آوردن پول در نهایت این ترکیب را به دانیل کرافت فروخت که آن را در سراسر اروپا از جمله لندن به نمایش گذاشت که رابرت بویل شیفته آن شد، او نحوه تولید آن را کشف کرد و به طور سیستماتیک آن را مورد تحقیق قرار داد. (دستیار وی ، آمبروز گادفری کار خود را در زمینه تولید و فروش این عنصر شروع کرد و ثروتمند شد.)

رابرت بویل وقتی فهمید که استخوان دارای مقادیری زیادی فسفات کلسیم است و می توان از آن فسفر استخراج کرد به طور گسترده تولید آن را آغاز کرد . تقاضا تولید کنندگان کبریت در دهه ۱۸۰۰ بازار را آماده تولید گسترده این ماده کرد. بازار خرید و فروش این عنصر در حال حاضر نیز پر رونق است و قیمت فسفر برحسب نوع آن متفاوت است.