Карбонат цинка: анализ свойств, получение и многоотраслевое применение

Карбонат цинка — это важное карбонатное соединение элемента цинка с химической формулой ZnCO₃. Как ключевое неорганическое химическое сырьё, он широко распространён в природе и используется во многих отраслях промышленности. Его часто упоминают в сочетании с основным карбонатом цинка (химическая формула 2ZnCO₃·3Zn(OH)₂·H₂O). Последний чаще называют просто «карбонатом цинка» в промышленном производстве. Эти два соединения связаны между собой, однако различаются по свойствам и применению.
1. Основные психологические свойства

1. Физические свойства

Карбонат цинка представляет собой белый порошкообразный твёрдый вещества, не имеющего запаха и вкуса. Его кристаллическая структура относится к тригональной кристаллической системе. В природном состоянии он в основном встречается в виде смитсонита. Плотность этого вещества составляет 4,3476 г/см³. Оно практически нерастворимо в воде (растворимость всего 4,692×10⁻⁵ г) и спиртах при стандартных условиях. Оно слабо растворимо в жидком аммиаке и хорошо растворяется в разбавленных кислотах и водных растворах гидроксида натрия. Эта характеристика растворимости служит важной основой для его получения и применения.

2. Химические свойства

Карбонат цинка нестабилен и легко разлагается при нагревании. При достижении температуры 300°C он разлагается с образованием оксида цинка и диоксида углерода. Эта реакция является одним из важных способов получения оксида цинка в промышленности. Уравнение реакции выглядит следующим образом:

$${\displaystyle {\ce {{ZnCO3}\;\xrightarrow {\triangle } \;{ZnO}+{CO2\uparrow }}}}$$

Кроме того, карбонат цинка может вступать в реакции метатезиса с кислотами с образованием соответствующих солей цинка, диоксида углерода и воды; он также способен реагировать с растворами щелочей и аммониевых солей. Эта особенность позволяет ему гибко управлять ходом реакции в условиях очистки и применения.

2. Процесс подготовки

Получение карбоната цинка в основном делится на две категории: природная добыча и искусственный синтез. Среди них промышленное массовое производство в основном основано на химическом синтезе. Основные процессы включают метод метатезиса, метод кислотного выщелачивания и другие; большинство из них в качестве целевого продукта получают основной карбонат цинка.

1. Природная добыча полезных ископаемых

Природный карбонат цинка получают путём добычи смитсонита. После дробления, измельчения, очистки и других процессов можно получить продукты промышленного или реагентного качества. Однако из-за ограничений в распространении минеральных ресурсов (в основном сосредоточенных в Внутренней Монголии, Юньнане и других регионах) и снижения содержания полезных компонентов в руде природная добыча постепенно уступила место искусственному синтезу.

2. Метод искусственного синтеза

Метод метатеза: Это наиболее распространённый производственный процесс. Цинкосодержащее сырьё (оксид цинка, цинковый шлак и др.) взаимодействует с серной кислотой с образованием грубого раствора сульфата цинка. После вторичных процессов удаления примесей, таких как окисление перманганатом калия и замещение цинковым порошком, удаляются такие примеси, как железо, марганец, медь и никель, получая очищенный раствор сульфата цинка. Затем этот раствор вступает в реакцию с раствором карбоната натрия при контролируемых условиях температуры (45–50°C) и значения pH (конечная точка — около 6,4), образуя осадок основного карбоната цинка. После фильтрации, сушки, тонкого измельчения и просеивания получают готовый продукт. Реакционное уравнение выглядит следующим образом:

$${\displaystyle {\ce {3ZnSO4 + 3Na2CO3 + 3H2O -> ZnCO3·2Zn(OH)2·H2O + 2CO2↑ + 3Na2SO4}}}$$

Осадитель можно выбирать в зависимости от потребностей производства: карбонат натрия обладает стабильной реакцией и высокой скоростью осаждения цинка и подходит для получения готовых продуктов — основного карбоната цинка; бикарбонат аммония имеет низкую стоимость, и после обжига можно получить высококачественный активный оксид цинка, однако система реакции трудно контролируема, а скорость осаждения цинка низкая.

Другие методы: Он также может быть получен путём выщелачивания аммиаком и другими процессами; при этом процесс можно корректировать в зависимости от способа растворения сырья и типа осадителя, чтобы адаптироваться к различным характеристикам исходного сырья и требованиям к чистоте продукта.

3. Основные области применения

Карбонат цинка и основной карбонат цинка играют важную роль в резиновой, медицинской, кормовой, химической промышленности и других отраслях благодаря своим уникальным свойствам. Каждая область применения имеет свои собственные приоритеты.

1. Резиновая промышленность

Карбонат цинка может использоваться в качестве ускорителя вулканизации для ускорения процесса вулканизации каучука и повышения прочности и износостойкости продукта; основной карбонат цинка больше подходит в качестве активатора и армирующего агента, особенно в прозрачных резиновых изделиях, поскольку он позволяет учитывать как эффективность вулканизации, так и прозрачность продукта и является ключевым сырьём для производства прозрачного каучука.

2. Фармацевтическая и бытовая химическая отрасли

В медицине карбонат цинка является основным компонентом каламинового лосьона. Он обладает вяжущим и противозудным действием и может использоваться для лечения кожного зуда, экземы и других состояний. Его также можно применять в качестве защитного средства для кожи и включать в состав ежедневных косметических продуктов, таких как тальк и кремы для кожи, чтобы бережно ухаживать за кожей.

3. Корма и сельское хозяйство

Как кормовая добавка, являющаяся высококачественным источником цинка, карбонат цинка может восполнять необходимый для роста животных микроэлемент цинк, способствовать росту и развитию животных, улучшать использование корма и иммунитет организма; он широко применяется в животноводстве и птицеводстве.

4. Химическая промышленность и сфера новых материалов

В удобрительной промышленности он может использоваться в качестве десульфуризатора для удаления сульфида из газа; при нефтепромысловых работах он способен реагировать с H₂S с образованием стабильного нерастворимого ZnS, эффективно устраняя загрязнение и коррозию от H₂S без ухудшения характеристик бурового раствора. Кроме того, спрос на карбонат цинка высокой чистоты в таких высокотехнологичных областях, как материалы для аккумуляторов нового поколения и полупроводниковая упаковка, стремительно растёт, что делает его новой точкой роста для отрасли.

5. Другие области

В керамической промышленности он может использоваться в качестве глазуровых и цветовых добавок для улучшения цвета и блеска керамики; в отрасли вспенивания ЭВА он способствует более равномерному вспениванию и снижает воздействие пенообразователей; его также можно применять для производства вискозы, носителей катализаторов и т.п.

4. Состояние и тенденции развития отрасли

Китай является крупнейшим в мире производителем и потребителем карбоната цинка, и в настоящее время отрасль находится на этапе структурной трансформации и высококачественного развития. Очевидное потребление карбоната цинка в стране достигнет 286 тысяч тонн в 2024 году, и ожидается, что с 2025 по 2030 год среднегодовой темп его роста составит 5,8%. Основным драйвером служит расширение спроса в высокотехнологичных областях, таких как новые источники энергии и электронные материалы.

Структура отрасли характеризуется признаками «концентрации на верхушке и технологической дифференциации»: 12 ведущих компаний занимают 68,3% производственных мощностей. Метод осаждения доминирует в производстве карбоната цинка высокой чистоты (чистота ≥ 99,7%), что отвечает требованиям высококлассного спроса; закон твердофазной реакции ориентирован на средний и низший сегмент рынка. В условиях ограничений, обусловленных экологическими политиками, устаревшие производственные мощности продолжают выводиться из оборота, а средний уровень энергопотребления в отрасли продолжает снижаться. В то же время доля переработки вторичных цинковых ресурсов увеличилась до 22%, что соответствует потребностям стратегии «двойного углерода».

В будущем отрасль будет сосредоточена на главном направлении двойной трансформации — «зелёное + цифровое», уделяя особое внимание прорывам в технологии высокочистой очистки и оптимизации системы использования возобновляемых ресурсов. Существует широкий потенциал для замещения импорта высокочистого карбоната цинка, и компании, обладающие возможностью интегрировать всю производственную цепочку и располагающие передовыми технологиями подготовки высококачественных продуктов, займут доминирующее положение.

5. Безопасная эксплуатация и хранение

Сам по себе карбонат цинка менее опасен — его уровень риска по системе NFPA 704 составляет 0-1-0, однако он всё же требует стандартизированных процедур: операторы должны быть профессионально подготовлены, работать в хорошо вентилируемом помещении и избегать вдыхания пыли, контакта с кожей и глазами; держаться подальше от огня и источников тепла, использовать взрывозащищённое вентиляционное оборудование и не допускать контакта с окислителями.

При хранении продукт следует герметично упаковать и разместить в сухом, хорошо проветриваемом складском помещении, вдали от легко окисляющихся и кислых веществ, чтобы предотвратить попадание влаги и слеживание. В случае вдыхания пыли или случайного проглатывания необходимо немедленно принять меры первой помощи. Людям, вдохнувшим пыль, следует перенести в место с чистым воздухом. Тем, кто случайно проглотил продукт, необходимо разбавить его водой или молоком и обратиться за медицинской помощью.

В заключение можно сказать, что карбонат цинка, являясь неорганическим соединением, обладающим как природными свойствами, так и синтетической ценностью, незаменим в традиционных отраслях промышленности. В то же время он демонстрирует мощный потенциал для развития в области высокотехнологичных новых материалов. Его промышленное модернизация и технологические инновации продолжат способствовать высококачественному развитию во многих сферах.