Кремний (Si) по праву называют королем «неорганического» мира. По содержанию в земной коре этот элемент уступает первенство только кислороду. Он является основой многих горных пород, минералов и полудрагоценных камней. Из кремния него на 90% и более состоит песок. Содержание этого элемента в литосфере — около 30%, т.е. каждый шестой атом земной оболочки толщиной в 16 километров является кремнием. При этом кремний не встречается как отдельный элемент.
В общем элементном составе поверхностных, подземных и почвенных вод кремний занимает 5-е место, в водах мирового океана — 13-е. Это связано со слабой растворимостью присутствующих в земной коре пород, содержащих кремний. Основным источником кремния в природных водах являются процессы химического выветривания кремнистых минералов и растворение менее устойчивых пород, образованных останками диатомей (диатомит), кремниевых губок (спонгин), а также других тонкопористых пород (трепел, опока).
История
С древних времен кремний использовался человеком для различных целей, от выделки орудий труда до производства стекла. В 1960-е годы из него стали производить полупроводниковые приборы. В наши дни кремний и его сплавы используются в строительстве, в здравоохранении, при производстве электронных устройств. Одно из наиболее перспективных направлений применения кремния — биомедицина. А высокая фоточувствительность кремния (изменение электропроводности при освещении) позволяет преобразовывать световую энергию в электрическую.
Этот эффект уже нашёл применение в солнечных батареях и фотоприёмниках, что демонстрирует потенциал использования кремния в области энергетики и светотехники. И в том, и в другом случае необходим исключительно чистый кремний, однако, процесс его очистки до нужного качества весьма дорог и вреден. Этим процессом в мире занимается сегодня относительно небольшой круг компаний. Сегодня учёные видят большие перспективы использования кремния.
В процессе преобразования металлургического кремния в поликристаллический выделяется побочный продукт — негорючий очень вредный тетрахлорид кремния. В 2000-х годов в Китае не было надлежащих стандартов по обращению с тетрахлоридом кремния, что приводило к загрязнению окружающей среды этим побочным продуктом.
Промышленные процессы замкнутого цикла
Сегодня во всех странах, где производится поликремний (КНР, США, Норвегия, Германия, Южная Корея) соответствующие стандарты приняты, и основные производители перерабатывают эти отходы, чтобы производить больше поликремния. Промышленная деятельность в солнечной индустрии является чрезвычайно наукоемкой. И производители поликремния переходят на промышленные процессы замкнутого цикла, что обеспечивает значительное снижение воздействия на окружающую среду. Помимо этого, также отмечается постоянное снижение удельного экологического следа. Ватт, произведенный сегодня, содержит в себе гораздо меньше вреда для окружающей среды, чем это было вчера.
Кремний является одним из самых распространенных элементов в природе, он играет колоссальную роль в биогеохимическом круговороте веществ, присутствует во всех живых организмах, является биоактивным и значимым элементом в различных биологических системах. Он представляет большой интерес для земледелия, так как способствует росту урожаев, повышению качества продукции, защите растений от стрессов биотической и абиотической природы. Активные соединения кремния являются одними из ключевых элементов, определяющих уровень плодородия почв, поэтому создать устойчивое земледелие без кремниевых удобрений невозможно в принципе.
Еще в XIX веке Юстус Фон Либих определил, что для растения существуют четыре важных для жизни макроэлемента: азот, фосфор, калий и кремний. Причем кремний находится на втором месте по участию в метаболизме, он связывает воду в клетке растения, переводя ее в гелеобразную форму, и регулирует вязкость цитоплазмы. Когда возникает дефицит воды, она начинает высвобождаться. Этот механизм позволяет растению переносить стресс во время засухи. Доказано, что в оптимальных дозах кремний способствует лучшему обмену в тканях азота и фосфора, повышает потребление бора и ряда других элементов; обеспечивает снижение токсичности избыточных количеств тяжелых металлов. Оптимизация кремниевого питания растений приводит к увеличению площади листьев и создает благоприятные условия для биосинтеза.
Имеются также исследования, доказывающие значительную роль кремния в формировании морозостойкости растений, в частности озимой пшеницы разных сортов, риса и др. Кремний также снижает вредное воздействие УФ-излучения.
Кремний и здоровье
В организме каждого человека содержится от 1 до 10 мг кремния. Он оказывает положительный эффект на стенки сосудов, стимулирует иммунитет, а также предупреждает дегенеративные изменения в центральной нервной системе. Причинами недостатка кремния может быть неправильное питание, заболевания желудочно-кишечного тракта или наличие паразитов в организме. К сожалению, вовремя заметить и диагностировать нехватку кремния практически невозможно, так как характерных симптомов и признаков у этого состояния нет.
А вот высокая концентрация кремния в организме вызывает нарушения фосфорно-кальциевого обмена. Эти изменения могут привести к отложениям кальция и фосфора в костной ткани, почках. Подобные нарушения могут быть причиной разрушения эмали зубов. В результате у людей увеличивается риск отложения камней в почках, чаще развиваются суставные заболевания и поражения верхних дыхательных путей.
Важно отметить, что суточная потребность организма в кремнии для здорового человека составляет — 20 мг. Избыток кремния может возникнуть у людей, проживающих в местности с высоким содержанием кремния в почве, воде или продуктах питания.
Так, концентрация кремния в речной воде колеблется обычно от 1 до 20 мг/л; в подземных водах его концентрация возрастает от 20 до 30 мг/л. Минеральные воды могут быть еще большей концентрации, кремниевые воды источников острова Фиджи содержат 86 мг/л кремния, высоким содержанием кремния отличается и минеральная вода «Джермук» (Армения), концентрация кремния в которой доходит до 112 мг/л. В природных терминальных источниках содержание кремния достигает 200 мг/л.
Москва
