Тема
Цинк
Введение
Элемент цинк (Zn) в таблице Менделеева имеет порядковый номер 30. Он находится в четвертом периоде второй группы. Атомный вес - 65,37. Распределение электронов по слоям 2-8-18-2
Происхождение названия элемента неясно, однако кажется правдоподобным, что оно произведено от Zinke (по-немецки «острие», или «зуб»), благодаря внешнему виду металла.
Цинк представляет собой синевато - белый металл, плавящийся при 419 С, а при 913 С превращающийся в пар; плотность его равна 7,14 г/см3. При обыкновенной температуре цинк довольно хрупок, но при 100-110 С он хорошо гнется и прокатывается в листы. На воздухе цинк покрывается тонким слоем окиси или основного карбоната, предохраняющим его от дальнейшего окисления.
Вода почти не действует на цинк, хотя он и стоит в ряду напряжений значительно левее водорода. Это объясняется тем, что образующаяся на поверхности цинка при взаимодействии его с водой гидроокись практически нерастворима и препятствует дальнейшему течению реакции. В разбавленных же кислотах цинк легко растворяется с образованием соответствующих солей.
Кроме того, цинк подобно бериллию и другим металлам, образующим амфотерные гидроокиси, растворяется в щелочах. Если нагреть цинк на воздухе до температуры кипения, то пары его воспламеняются и сгорают зеленовато-белым пламенем, образуя окись цинка
При нагревании цинк взаимодействуют с неметаллами (кроме водорода, углерода и азота). Активно реагирует с кислотами:
Zn + H2SO4 (разб.) = ZnSO4 + H2
Цинк – единственный элемент группы, который растворяется в водных растворах щелочей с образованием ионов [Zn(OH)4] (гидроксоцинкатов):
Zn + 2OH + 2H2O = [Zn(OH)4] + H2
1. Сырьё для получения цинка
Содержание в земной составляет Zn 2,0 *10-2 %.Цинк обычно содержится в полиметаллических рудах и является спутником свинца и меди.
НИИ «Уралмеханобр» (принадлежит УГМК) разработал технологию извлечения металлизованных окатышей и цинкового концентрата из отходов электросталеплавильного производства. Новый метод позволит металлургам получать недорогое сырье и решать экологические проблемы.
Источником получения цинка является рудное сырье, которое обычно находится в сульфидном состоянии, а цинк представлен преимущественно сфалеритом (ZnS). Руды всегда комплексные, содержат кроме цинка свинец, медь, железо, серебро и др. В последнее время используется вторичное сырье в странах с высоким потреблением.
Сырьем является цинковый концентрат. В качестве исходного материала используют не только минеральное и вторичное, но также и цинкосодержащие продукты других производств: шлаки и пыли металлургических производств свинца, меди, олова, чугуна. Эти продукты гораздо бедней по цинку, чем цинковые концентраты и все же их включают в цинковое сырье. Цинковистые шлаки до недавнего времени считались отвальными продуктами, хотя в них содержится значительное количество цинка, особенно в свинцовых шлаках (10-17% цинка).
Распространение цинка в природе и его промышленное извлечение. Содержание цинка в земной коре составляет 7,6·10–3%, он распространен примерно так же, как рубидий (7,8·10–3%), и чуть больше, чем медь (6,8·10–3%).
Основными минералами цинка являются сульфид цинка ZnS (известный как цинковая обманка или сфалерит) и карбонат цинка ZnCO3
Первое место в мире по добыче (16,5% мировой добычи, 1113 тыс. т, 1995) и запасам цинка занимает Канада. Кроме того, богатые месторождения цинка сосредоточены в Китае (13,5%), Австралии (13%), Перу (10%), США (10%), Ирландии (около 3%).
Добыча цинка ведется в 50 странах. В России цинк извлекается из медноколчеданных месторождений Урала, а также из полиметаллических месторождений в горах Южной Сибири и Приморья. Крупные запасы цинка сосредоточены в Рудном Алтае (Восточный Казахстан), на долю которого приходится более 50% добычи цинка в странах СНГ. Цинк добывают также в Азербайджане, Узбекистане (месторождение Алмалык) и Таджикистане.
Инновационность технологии в том, что она позволяет одновременно получать из отходов цинк и металлическое железо. Раньше такое не удавалось. Суть процесса пояснил заведующий отделом окускования руд и концентратов «Уралмеханобра» Самуил Меламуд: «Пыли вместе со шлаками доменного производства и другие железосодержащие отходы окомковываются и загружаются в специально созданную вращающуюся печь. В ней создается особая атмосфера и режим обжига (именно в них заключается ноу-хау), которые позволяют извлекать цинк и металлизовать имеющееся в окисной форме железо. Цинк улавливается в тканевых рукавных фильтрах, а окатыши охлаждаются, обрабатываются и передаются для металлургического передела».
По подсчетам ученых, в среднем из одной тонны пыли возможно получить 300 — 350 кг металлического железа и 50 — 70 кг цинка. Новый способ переработки отходов позволит использовать дешевое вторсырье, снизить затраты на хранение вредных отходов и экологические платежи. В итоге себестоимость получаемого цинка будет на 15 — 20% ниже его нынешних мировых цен (1,9 тыс. тонн на Лондонской бирже металлов). Срок окупаемости новых установок при объеме 20 — 30 тыс. тонн переработки в год составляет не более четырех лет.
Сейчас готовится экономическое обоснование целесообразности внедрения технологии на предприятиях УГМК: Металлургическом заводе им. А.К. Серова, Вторцветмете (Сухой Лог), Медногорском медно-серном комбинате. В дальнейшем планируется продавать лицензии на право использования ноу-хау другим меткомпаниям.
Ученые ОАО « Уралмеханобр» (предприятие научного комплекса УГМК) совместно со специалистами УГМК разработали новую для отечественных и зарубежных предприятий черной металлургии технологию по извлечению цинка и железа из пылей электросталеплавильного производства. Инновационность технологии состоит в том, что она позволяет одновременно получать из сырья цинк и металлическое железо, чего ранее не удавалось.
Как сообщил один из авторов разработки, заведующий отдела окускования руд и концентратов ОАО «Уралмеханобр» Самуил Меламуд, технология обеспечивает извлечение металлизованных окатышей и цинкового концентрата путем восстановительного обжига цинкосодержащих пылей. Предварительные результаты показали, что из тонны пылей Металлургического завода им. А.К. Серова можно получить 300–350 кг металлического железа и 50–70 кг цинка.
«Рост затрат на добычу рудного сырья и ломов, ограниченность природных ресурсов и ожидаемое увеличение штрафных санкций за загрязнение окружающей среды закономерно приводит к тому, что промышленники начинают все более серьезно относится к вопросам вторичной переработки техногенных отходов, – говорит Самуил Меламуд. – Тем более что современные технологии уже способны быть экономически выгодными».
В апреле текущего года на Медногорском медно-серном комбинате (Оренбургская область, предприятие металлургического комплекса УГМК) удачно прошли опытно- промышленные испытания новой технологии. В настоящее время готовится экономическое обоснование целесообразности по внедрению технологии на одном из предприятий УГМК
2. Способы получения цинка
При резком охлаждении пары цинка сразу же, минуя жидкое состояние, превращаются в твердую пыль. Часто бывает нужно сохранить цинк именно в виде пыли, а не переплавлять его в слитки.
Цинк в природе как самородный метал не проявляется. Цинк добывают двумя способами :
1) пирометаллургический метод
2) гидрометаллургический метод из полиметаллических руд, содержащих 1-4 % Zn в виде сульфида, а также Cu, Pb, Ag, Au, Cd, Bi. Руды обогащают селективной флотацией, получая цинковые концентраты (50-60 % Zn) и одновременно свинцовые, медные, а иногда также пиритные концентраты. Цинковые концентраты обжигают в печах в кипящем слое, переводя сульфид цинка в оксид ZnO; образующийся при этом сернистый газ SO2 расходуется на производство серной кислоты. От ZnO к Zn идут двумя путями.
1) По пирометаллургическому (дистилляционному) способу, существующему издавна, обожженный концентрат подвергают спеканию для придания зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углем или коксом при 1200 — 1300 °С:
ZnO + С = Zn + CO.
Образующиеся при этом пары металла конденсируют и разливают в изложницы. Сначала восстановление проводили только в ретортах из обожженной глины, обслуживаемых вручную, позднее стали применять вертикальные механизированные реторты из карборунда, затем — шахтные и дуговые электропечи; из свинцово-цинковых концентратов цинк получают в шахтных печах с дутьем. Производительность постепенно повышалась, но цинк содержал до 3 % примесей, в том числе ценный кадмий. Дистилляционный цинк очищают ликвацией (то есть отстаиванием жидкого металла от железа и части свинца при 500 °C), достигая чистоты 98,7 %. Применяющаяся иногда более сложная и дорогая очистка ректификацией дает металл чистотой 99,995 % и позволяет извлекать кадмий.
Основной способ получения цинка — электролитический (гидрометаллургический). Обожженные концентраты обрабатывают серной кислотой; получаемый сульфатный раствор очищают от примесей (осаждением их цинковой пылью) и подвергают электролизу в ваннах, плотно выложенных внутри свинцом или винипластом. Цинк осаждается на алюминиевых катодах, с которых его ежесуточно удаляют (сдирают) и плавят в индукционных печах. Обычно чистота электролитного цинка 99,95 %, полнота извлечения его из концентрата (при учете переработки отходов) 93-94 %. Из отходов производства получают цинковый купорос, Pb, Cu, Cd, Au, Ag; иногда также In, Ga, Ge, Tl.
2) Гидрометаллургический способ переработки обожженных цинковых концентратов заключается в растворении окиси цинка водным раствором серной кислоты и в последующем осаждении цинка электролизом. Поэтому гидрометаллургический способ называют иногда электролитическим. При производстве цинка электролизом цинковый концентрат предварительно подвергают окислительному обжигу.
ZnSO4→ Zn2+ + SO42-
2+ (–) катод Zn , Н2О (+) анод: SO42–, Н2О