Болотное железо — это форма нечистого железного месторождения, которое образуется в болотах или топях путем химического или биохимического окисления железа, переносимого в растворе. В целом, болотные руды в основном состоят из оксигидроксидов железа , обычно гетита (FeO(OH)).
Подземные воды, содержащие железо, обычно выходят на поверхность в виде источника , и железо в них образует гидроксид железа при столкновении с окислительной средой поверхности. Болотная руда часто сочетает в себе гетит , магнетит и пустоты или окрашенный кварц . Окисление может происходить посредством ферментативного катализа железобактериями . Неясно, осаждается ли магнетит при первом контакте с кислородом, а затем окисляется до соединений железа или соединения железа восстанавливаются при воздействии бескислородных условий при захоронении под поверхностью осадка и повторно окисляются при эксгумации на поверхность. [ необходима цитата ]
Болотное железо, как и другие водные оксиды железа , имеет специфическое сродство к тяжелым металлам . [1] Это сродство в сочетании с пористой структурой и высокой удельной площадью поверхности болотного железа делает его хорошим природным сорбентом . [2] Эти свойства в сочетании с тем фактом, что болотное железо дешево в получении, являются стимулами для его использования в технологиях защиты окружающей среды. [2]
Железо, полученное из болотной руды, часто содержит остаточные силикаты , которые могут образовывать стекловидное покрытие, придающее некоторую устойчивость к ржавчине .
Железо переносится в болота в грунтовых водах с низким pH и низким содержанием растворенного кислорода , которые достигают поверхности через источники, а также через структуры трещин или там, где грунтовые воды пересекают поверхностные потоки. [3] Затем железо в воде окисляется растворенным кислородом или посредством ферментативного катализа железобактериями (например, Thiobacillus ferrooxidans и Thiobacillus thiooxidans ), которые концентрируют железо в ходе своих жизненных процессов. [4] Присутствие этих бактерий можно обнаружить по маслянистой пленке, которую они оставляют на поверхности воды. [3] Это изменение степени окисления вызывает осаждение мелкозернистых твердых частиц железа вблизи точки сброса грунтовых вод. [3] Различные минералы железа, такие как гетит , магнетит , гематит , швертманнит и аморфные твердые частицы, богатые сульфатом железа и алюминия, могут образовываться путем окисления двухвалентного железа в имеющихся кислых условиях. [4] Все фотосинтезирующие организмы играют двойную роль: как производители кислорода и, таким образом, пассивные окислители железа, а также как поверхности, на которых железо может сорбироваться или связываться. [4] Это приводит к тому, что водные растения становятся сильно покрытыми светло-оранжевыми хлопьями оксигидроксида железа вблизи точки выделения кислорода растениями. [4] Такие факторы, как местная геология, минералогия материнской породы, состав грунтовых вод и геохимически активные микробы и растения, влияют на образование, рост и устойчивость железистых болот. [4] Болотное железо является возобновляемым ресурсом; одно и то же болото можно собирать примерно один раз за поколение. [3]
Европейцы разработали выплавку железа из болотного железа в доримский железный век V/IV–I вв. до н. э., а большую часть железа эпохи викингов (конец первого тысячелетия н. э.) выплавляли из болотного железа. [3] Люди могут обрабатывать болотное железо с помощью ограниченной технологии, поскольку его не нужно расплавлять для удаления многих примесей. [5] Благодаря своей легкой доступности и восстанавливаемости болотное железо обычно использовалось для раннего производства железа. [6] Ранние металлурги определяли месторождения болотного железа по таким показателям, как увядшая трава, влажная среда, гигрофильная растительность с преобладанием травы и красновато-коричневые растворы или отложения в близлежащих водах. [7] Они втыкали деревянные или металлические палки в землю, чтобы обнаружить более крупные рудные залежи, [7] и разрезали и вытаскивали слои торфа в болоте с помощью торфяных ножей, чтобы извлечь более мелкие, размером с горошину, конкреции болотного железа. [3] Раннее производство железа из болотной руды в основном происходило в кричных печах. [7] Ресурсами, необходимыми для производства, были древесина для древесного угля , глина для строительства кричных печей и вода для обработки. [7] Железо в руде восстанавливается до губчатой железной крицы , которая остается в верхней части печи, в то время как нежелательные элементы стекают вниз в виде шлака . [8] Плавка в кричной печи часто приводит к тому, что от 10 до 20 массовых процентов Fe восстанавливается до железной крицы, в то время как остальное переходит в шлак. [9] Затем крицу необходимо уплотнить молотом, чтобы сделать пригодное для использования кованое железо . Существуют некоторые археологические свидетельства того, что известь добавлялась в печи для обработки руд, богатых кремнием, которые было трудно выплавлять в кричном процессе. [3]
Первые попытки выплавки железа датируются 2-м тысячелетием до н. э. на Ближнем Востоке . [7] Затем технология распространилась по всей Европе в течение следующих двух тысячелетий, достигнув Польши во 2-м веке до н. э. [7] Производство железа достигло Скандинавии около 800–500 гг. до н. э. Места производства железа в центральной Швеции датируются поздним бронзовым веком, и инновации могли быть переданы как с юга, так и с востока. Используемой рудой был лимонит в форме красной почвы и болотной руды. С 200 г. н. э. использовалась руда из месторождений лимонита в озерах. Руду восстанавливали в кричах. Существуют доказательства прямой связи между поселениями викингов в Северной Европе и Северной Америке и месторождениями болотного железа. [5] Болотное железо доминировало в производстве железа в населенных норвежцами районах, включая Скандинавию и Финляндию , с 500 по 1300 г. н. э. [5] Крупномасштабное производство болотного железа также было налажено в Исландии на участках, известных как «железные фермы». [5] Менее масштабные производственные участки в Исландии состояли из крупных фермерских хозяйств и некоторых первоначальных исландских поселений, но они, по-видимому, производили только достаточно железа, чтобы быть самодостаточными. [5] Даже после того, как улучшенная технология плавки сделала добытую руду жизнеспособной в Средние века, болотная руда оставалась важной и в наше время, особенно в крестьянском производстве железа. [10] В России болотная руда была основным источником железа до 16 века, когда стали доступны превосходные руды Уральских гор . [ требуется ссылка ]
Железо производилось викингами на Ньюфаундленде около 1021 г. н. э. [11] Раскопки в Л'Анс-о-Медоуз обнаружили значительные доказательства переработки болотного железа и производства железной руды. [5] Поселение в Л'Анс-о-Медоуз располагалось непосредственно к востоку от осокового торфяного болота, и на месте было найдено 15 кг шлака, что позволило бы получить около 3 кг пригодного к использованию железа. [5] Анализ шлака показал, что из руды можно было бы выплавить значительно больше железа, что указывает на то, что рабочие, обрабатывавшие руду, не были квалифицированными. [5] Это подтверждает идею о том, что знания в области обработки железа были широко распространены и не ограничивались крупными центрами торговли и коммерции. [5] На месте также было найдено девяносто восемь фрагментов гвоздей, а также значительные доказательства деревообработки, что указывает на то, что железо, произведенное на этом месте, возможно, использовалось только для ремонта судов, а не для изготовления инструментов. [5] [12]
Болотное железо широко использовалось в колониальной Северной Америке . Самые ранние известные железные рудники в Северной Америке — это рудники из Сент-Джонса, Ньюфаундленд , которые, как сообщается, эксплуатировал Энтони Паркхерст в 1578 году . [13] Первые попытки добычи в Вирджинии начались еще в 1608 году. В 1619 году в округе Честерфилд, штат Вирджиния , был основан металлургический завод Falling Creek . Это было местонахождение первого доменного завода в Северной Америке. [14] [15]
Озеро Массапоаг в Массачусетсе было осушено путем углубления выпускного канала в поисках болотного железа. [16] Национальный исторический объект Saugus Iron Works на реке Согус в Согусе, Массачусетс , действовал между 1646 и 1668 годами. На объекте находится музей и несколько реконструированных зданий. [17] Успех Saugus Iron Works и быстрое истощение природных болотных залежей железа в регионе побудили владельцев отправить старателей в окружающую сельскую местность. В 1658 году компания купила 1600 акров (6,5 км 2 ) земли, которая охватывала районы, которые сейчас являются Конкордом, Эктоном и Садбери. Они создали большой производственный объект в Конкорде, Массачусетс , вдоль реки Ассабет с плотинами, прудами, водотоками и очагами, но к 1694 году природные болотные залежи железа там также были исчерпаны, и земля была продана для ведения сельского хозяйства. [18]
В центральном и южном Нью-Джерси болотная руда добывалась и перерабатывалась для производства естественно устойчивых к ржавчине инструментов и кованых железных перил, многие из которых до сих пор украшают лестницы в Трентоне и Кэмдене . [19] Во время Американской революции ядра из болотного железа отливались для колониальных войск.
Болотное железо также было найдено на восточном побережье Мэриленда . Остатки коммерческой плавильной операции около Сноу-Хилл, Мэриленд , теперь являются государственным и национальным историческим памятником. Известный как Furnace Town, он был назван Nassawango Iron Furnace в честь близлежащего ручья. Коммерческая плавильная печь работала примерно с 1825 по 1850 год.
Shapleigh Iron Company построила плавильный завод в Норт-Шапли, штат Мэн , в 1836 году для разработки небольшого месторождения болотного железа в пруду Литл-Оссипи. Завод начал работу в 1837 году, но, согласно истории Шапли 1854 года, «бизнес [оказался] нерентабельным, поэтому через несколько лет он был заброшен». [20] [21] [22]
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )Наш результат 1021 г. н.э. для года рубки представляет собой единственную надежную календарную дату присутствия европейцев через Атлантику до плаваний Колумба. Более того, тот факт, что наши результаты по трем разным деревьям сходятся на тот же год примечателен и неожиданный. Это совпадение настоятельно предполагает норвежскую активность в Л'Анс-о-Медоуз в 1021 году нашей эры. Кроме того, наше исследование демонстрирует потенциал аномалии 993 года нашей эры в концентрации 14C в атмосфере для точного определения возраста прошлых миграций и культурных взаимодействия.
