Сульфат цинка: полный анализ характеристик, приготовление и многочисленные области применения

Сульфат цинка (цинк сульфат) — это важное сульфатное соединение элемента цинка с химической формулой ZnSO₄. Будучи широко используемым неорганическим химическим сырьём, он обладает как природными, так и искусственно синтезированными свойствами. В зависимости от содержания кристаллической воды его можно разделить на безводный сульфат цинка (ZnSO₄) и кристаллические гидраты, среди которых сульфат цинка-гептагидрат (ZnSO₄·7H₂O), известный в быту как «вitraol», является наиболее распространённой формой в промышленном производстве и повседневной жизни. Эти две формы дополняют друг друга по своим свойствам и сферам применения, поддерживая производственные процессы во многих отраслях.
1. Основные психологические свойства

1. Физические свойства

Безводный сульфат цинка представляет собой белый порошкообразный твёрдый вещества с орторомбической кристаллической структурой, плотностью 3,54 г/см³ и температурой плавления около 680°C. При высоких температурах он разлагается. Сульфат цинка гептагидрат — бесцветные прозрачные призматические кристаллы, без запаха, слегка вяжущие на вкус, с плотностью 1,957 г/см³ и температурой плавления 100°C. При нагревании до 30°C он начинает терять кристаллизационную воду и постепенно превращается в моногидрат сульфата цинка. Если продолжить нагревание до 280°C, он полностью обезвоживается с образованием безводного сульфата цинка. Сульфат цинка легко растворим в воде; его растворимость значительно увеличивается с повышением температуры. Он слабо растворим в этаноле и глицерине, но нерастворим в ацетоне. Его водный раствор слабокислый. Эта особенность растворимости обеспечивает удобство его получения и применения.

2. Химические свойства

Сульфат цинка обладает относительно стабильными химическими свойствами и не разлагается легко при обычных температурах и давлениях. Он имеет типичные химические свойства сульфатов. Во-первых, он способен вступать в реакцию метатезиса с растворимыми солями бария с образованием осадка сульфата бария, нерастворимого в воде и кислотах. Это классическая реакция для выявления сульфат-ионов. Уравнение этой реакции следующее:

$${\displaystyle {\ce {{ZnSO4}+{BaCl2}\rightarrow {BaSO4\downarrow }+{ZnCl2}}}}$$

Во-вторых, он может реагировать с щелочным раствором с образованием осадка гидроксида цинка. Если щелочи избыточно много, осадок дополнительно растворится с образованием цинкатов; в-третьих, он может реагировать с сульфидом с образованием чёрного осадка сульфида цинка. Эта реакция часто используется для разделения и очистки ионов цинка. Кроме того, сульфат цинка обладает определёнными восстановительными свойствами и может вступать в окислительные реакции под действием сильных окислителей. В то же время его водный раствор способен вступать в реакцию вытеснения с металлическим цинком, что позволяет регулировать концентрацию ионов цинка в растворе.

2. Процесс подготовки

Приготовление сульфата цинка в основном основано на искусственном синтезе; натуральное извлечение составляет лишь небольшую долю. Промышленное производство в основном осуществляется на основе цинкосодержащего сырья, и продукты различной чистоты получают путём кислотного выщелачивания, очистки, кристаллизации и других процессов. Основной технологический процесс адаптируется к различным характеристикам исходного сырья.

1. Природное извлечение

Природный сульфат цинка в основном содержится в рудах, горячих источниках и соляных озёрах. С помощью выпаривания, концентрирования и охлаждения кристаллизации минеральных источников, содержащих цинк, можно получить грубый гептагидрат сульфата цинка. После дополнительной очистки для удаления примесей он может использоваться в случаях, требующих низкой степени чистоты. Однако из-за ограниченности распространения природных ресурсов данный метод трудно удовлетворить масштабные промышленные потребности и применяется лишь в нескольких регионах, богатых ресурсами.

2. Метод искусственного синтеза

Метод обжига и выщелачивания: это основной процесс в отрасли. В качестве сырья используется цинковый концентрат (основным компонентом которого является сульфид цинка). Сначала цинковый концентрат обжигают на воздухе, превращая сульфид цинка в оксид цинка. Одновременно извлекается сера, образуя диоксид серы (который можно повторно использовать для получения серной кислоты). После дробления обожжённого продукта его выщелачивают разбавленной серной кислотой, получая грубый раствор сульфата цинка. Затем примеси, такие как медь и кадмий, удаляют путём окисления и замещения порошком цинка. Очищенный рафинированный раствор подвергают выпариванию, концентрированию, охлаждению и кристаллизации. После отделения и сушки получают готовый продукт — гептагидрат сульфата цинка. Если требуется получить безводный сульфат цинка, кристаллизованный продукт можно дополнительно обезводить при высокой температуре. Основная реакционная формула выглядит следующим образом:

$${\displaystyle {\ce {{2ZnS}+{3O2}\;\xrightarrow {\triangle } \;{2ZnO}+{2SO2\uparrow }}}}$$

$${\displaystyle {\ce {{ZnO}+{H2SO4}\rightarrow {ZnSO4}+{H2O}}}}$$

Метод переработки отходов цинкового сырья: в качестве сырья используются ломовые цинковые пластины, цинковый шлак, обрезки цинковых сплавов и другие возобновляемые ресурсы; сырьё непосредственно выщелачивают разбавленной серной кислотой, контролируя температуру реакции и значение pH, что обеспечивает полное растворение цинка с образованием раствора сульфата цинка и одновременное удаление железа, алюминия и других примесей из исходного сырья. После очистки и кристаллизации получают конечный продукт. Этот метод обладает как экологическими, так и экономическими преимуществами и соответствует стратегии «двойного углерода». Доля перерабатываемого цинкового сырья год от года увеличивается.

Другие методы: В лабораториях и при малотоннажном производстве сульфат цинка можно получать путём прямой реакции нейтрализации оксида цинка, гидроксида цинка и серной кислоты. Условия реакции являются мягкими, а чистота продукта высокая. Этот метод подходит для производства сульфата цинка реагентного качества. Уравнение реакции нейтрализации:

$${\displaystyle {\ce {{Zn(OH)2}+{H2SO4}\rightarrow {ZnSO4}+{2H2O}}}}$$

3. Основные области применения

Сульфат цинка играет ключевую роль в сельском хозяйстве, медицине, химической промышленности, гальванике и других областях благодаря растворимости, стабильности и физиологической активности элемента цинка. Продукты разной степени чистоты соответствуют различным сценариям спроса, и сфера их применения шире, чем у карбоната цинка.

1. Сельское хозяйство

Сульфат цинка является важным микроэлементным удобрением, содержащим цинк, применяемым в сельском хозяйстве. Он эффективно восполняет потребность культур в цинке, способствует фотосинтезу, повышает устойчивость растений к стрессовым условиям (холодостойкость, устойчивость к болезням), улучшает качество урожая и увеличивает его урожайность. Он подходит для различных культур, таких как рис, кукуруза, пшеница, плодовые деревья, овощи и др. Сульфат цинка можно использовать в качестве основного удобрения, подкормки или готовить из него внекорневые удобрения для опрыскивания листьев. Он особенно рекомендуется для применения на почвах, страдающих дефицитом цинка. В то же время сульфат цинка может также использоваться в качестве кормовой добавки для дополнительного обеспечения цинком скота, птицы и водных животных, способствуя их росту и развитию, а также повышая иммунитет организма и усвояемость кормов.

2. Фармацевтическая и бытовая химическая отрасли

В области медицины гептагидрат сульфата цинка обладает вяжущим, антисептическим, рвотным и другими эффектами. Он может использоваться для приготовления наружных препаратов, применяемых для лечения таких кожных заболеваний, как экзема, потница, дерматит и др. Также он может входить в состав офтальмологических промываний для снятия воспаления глаз. Однако следует отметить, что сульфат цинка токсичен при пероральном употреблении. Чрезмерное потребление может вызвать симптомы отравления, такие как рвота и диарея, поэтому дозировку необходимо строго контролировать. В бытовой химической промышленности сульфат цинка может применяться в таких продуктах, как тальк, кондиционеры для волос и средства по уходу за кожей, — он способствует сужению пор, регулирует выделение жира и подавляет бактерии. Кроме того, он повышает стабильность продукции.

3. Химическая промышленность и сфера новых материалов

Сульфат цинка является основным сырьём для получения других соединений цинка (таких как оксид цинка, карбонат цинка, сульфид цинка и др.), обеспечивая базовую поддержку цепочки химической промышленности, связанной с цинком. В текстильной промышленности он может использоваться в качестве протравы для усиления связи между красителями и волокнами, что делает окрашивание более равномерным и стойким. В области производства аккумуляторов высокочистый сульфат цинка может применяться для изготовления электролитов для аккумуляторов на основе ионов цинка, способствуя развитию отрасли аккумуляторов нового поколения. Кроме того, он также может использоваться в качестве катализатора и консерванта в органическом синтезе, водоочистке и других областях применения.

4. Области гальванопластики и металлургии

В гальванической промышленности сульфат цинка является основным электролитом в процессе оцинковки. Он используется для приготовления гальванических растворов, чтобы ионы цинка равномерно осаждались на поверхности обрабатываемого изделия и образовывали плотное цинковое покрытие, которое обеспечивает антикоррозионную защиту и износостойкость. Он широко применяется в гальванической обработке металлических изделий, машин, автозапчастей и других продуктов. В металлургической промышленности он может использоваться для электролитического рафинирования цинка с целью повышения чистоты цинковых изделий. Кроме того, он может применяться в качестве добавки при плавке сплавов для улучшения их свойств.

4. Состояние и тенденции развития отрасли

Китай является крупнейшим в мире производителем, потребителем и экспортером сульфата цинка. В 2024 году мощность по производству сульфата цинка в стране достигнет 1,2 миллиона тонн, а видимое потребление превысит 850 тысяч тонн. Среди них наибольшая доля приходится на сельскохозяйственную отрасль (около 45%), за которой следуют химическая промышленность и гальваническая обработка. Отраслевая структура характеризуется «региональной концентрацией и ярко выраженной многоступенчатостью». Производственные мощности сосредоточены преимущественно в Внутренней Монголии, Юньнане, Хунане и других регионах, богатых цинковыми рудами. Ведущие компании, опираясь на свои преимущества в сырье и технологии очистки, занимают доминирующее положение на средне- и высококачественном рынке. Малые и средние производственные мощности в основном ориентированы на продукцию низкой чистоты сельскохозяйственного класса.

Текущее развитие отрасли обусловлено двумя основными факторами: во-первых, прогрессом в модернизации сельского хозяйства и растущим спросом на микроудобрения, что способствует расширению производственных мощностей по выпуску сульфата цинка сельскохозяйственного качества; во-вторых, увеличением спроса на высокочистый сульфат цинка (чистота ≥ 99,9%) в таких областях, как новая энергетика, высокотехнологичное гальванопокрытие и другие сферы, что стимулирует обновление технологий в отрасли. Низкоэнергетические и экологически чистые производственные процессы постепенно заменяют традиционные высоко загрязняющие технологии, а доля переработки вторичного цинкового сырья возросла до 28%, что соответствует концепции зелёного развития.

В будущем отрасль сульфата цинка будет трансформироваться в направлении «высокой очистки, экологичности и диверсификации», сосредоточившись на прорывах в технологии получения высокочистых продуктов, расширяя сферы применения в высокотехнологичных областях, таких как новая энергетика и биомедицина, одновременно оптимизируя структуру производственной цепочки и повышая эффективность переработки ресурсов. Предприятия, обладающие техническими преимуществами и способностью к интеграции ресурсов, продолжат оставаться лидерами рынка.

5. Безопасная эксплуатация и хранение

Сульфат цинка обладает определённым раздражающим действием. Его порошок или водный раствор могут вызывать раздражение кожи, глаз и слизистых оболочек дыхательных путей. При приёме внутрь он токсичен. Уровень опасности по системе NFPA 704 — 1-0-0. Во время работы необходимо надевать защитную одежду, защитные очки и маски, работать в хорошо проветриваемом помещении, избегать попадания пыли в воздух и строго запрещается прямой контакт с кожей и глазами; в случае случайного контакта немедленно промыть большим количеством воды и при необходимости обратиться за медицинской помощью; людям, пострадавшим от отравления через рот, необходимо своевременно вызвать рвоту и немедленно доставить их в больницу для лечения.

При хранении продукт следует герметично упаковать и разместить в сухом, хорошо проветриваемом складском помещении, вдали от источников огня и тепла, чтобы избежать попадания влаги и образования комков. Также его необходимо хранить отдельно от пищевых продуктов, лекарств, окислителей и щелочных веществ, чтобы предотвратить реакции, влияющие на качество продукта или создающие опасность для безопасности. Во время транспортировки продукт должен аккуратно погружаться и выгружаться, чтобы избежать повреждений упаковки и обеспечить безопасность перевозки.

В заключение можно сказать, что сульфат цинка, являясь ключевым промежуточным продуктом в химической промышленности цинка, обладает разнообразными применительными значениями в сельском хозяйстве, промышленности, медицине и других отраслях. Усовершенствование технологии его производства и расширение сфер применения будут и дальше способствовать модернизации смежных отраслей, демонстрируя широкие рыночные перспективы в условиях зелёного развития и промышленной трансформации.