Bột kẽm: Đặc tính, ứng dụng và phát triển công nghiệp của các loại bột kim loại có hoạt tính cao

Bột kẽm (Zn) là một loại bột nguyên tố kim loại có màu xám nhạt đến xám đậm, với công thức phân tử Zn, số CAS 7440-66-6 và khối lượng mol là 65,39 g·mol⁻¹. Là một vật liệu bột có hoạt tính cao, nó không tan trong nước nhưng dễ hòa tan trong các axit vô cơ và kiềm. Với khả năng khử tuyệt vời, tính dẫn điện và đặc tính chống ăn mòn vượt trội, bột kẽm đóng vai trò then chốt trong các lớp phủ chống ăn mòn, tổng hợp hóa học, sản xuất pin và nhiều lĩnh vực khác. Đây là nguyên liệu kim loại quan trọng kết nối ngành công nghiệp cơ bản với các ngành sản xuất cao cấp. Từ việc bảo vệ chống gỉ trong các ngành công nghiệp truyền thống đến những nâng cấp chức năng trong lĩnh vực năng lượng mới, giá trị công nghiệp của bột kẽm tiếp tục tăng cao cùng với sự đổi mới công nghệ.
1. Các đặc tính tâm lý cốt lõi: các đặc điểm hiệu suất do hoạt động chi phối

Hiệu suất cốt lõi của bột kẽm xuất phát từ hiệu ứng hiệp đồng giữa các đặc tính kim loại và dạng bột của nó. Các đặc tính vật lý và hoạt tính hóa học bổ trợ lẫn nhau, điều này quyết định giới hạn ứng dụng cũng như các yêu cầu về an toàn của sản phẩm. Về mặt đặc tính vật lý, tỷ trọng tương đối của bột kẽm là 7,14, nhiệt độ nóng chảy là 420°C và nhiệt độ sôi là 907°C. Kích thước hạt có thể dao động từ cấp micron đến cấp nanomet. Kích thước hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt riêng càng lớn, đồng thời hoạt tính hóa học cũng càng mạnh. Các chỉ số như độ lưu động của bột và khối lượng riêng khi nén thay đổi tùy theo hình dạng hạt (hình cầu, dạng vảy, hình kim). Trong đó, bột kẽm dạng cầu có độ lưu động tuyệt vời, trong khi bột kẽm dạng vảy lại phù hợp hơn cho các nhu cầu phủ bảo vệ và che chắn.

Về mặt tính chất hóa học, đặc điểm nổi bật nhất của bột kẽm là tính khử mạnh, có thể phản ứng với axit và bazơ để giải phóng hydro. Bột kẽm thường được sử dụng làm chất khử trong tổng hợp hữu cơ, chẳng hạn như khử thuốc nhuộm indigo trong ngành công nghiệp dệt nhuộm và đạt được hiệu quả tẩy trắng, khử màu trong ngành công nghiệp dầu mỏ. Ở nhiệt độ phòng, bột kẽm dễ bị oxy hóa bởi oxy trong không khí, tạo thành một lớp oxit. Khi gặp ẩm, bột kẽm sẽ từ từ phản ứng với nước, sinh ra nhiệt độ cao, làm tăng tốc độ suy giảm hoạt tính. Cần đặc biệt lưu ý rằng khi bụi bột kẽm đạt đến nồng độ nhất định trong không khí, nó sẽ gây cháy hoặc nổ bụi khi tiếp xúc với ngọn lửa trần, đồng thời phát ra ngọn lửa màu xanh lam khi cháy. Đặc điểm này đặt ra những yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn trong việc bảo quản và vận chuyển sản phẩm.

2. Quy trình chuẩn bị: nâng cấp công nghệ từ quy mô lớn sang chính xác

Quy trình chuẩn bị bột kẽm được lặp đi lặp lại xung quanh ba mục tiêu cốt lõi là "kiểm soát kích thước hạt, tối ưu hóa hình thái và nâng cao độ tinh khiết", từ đó hình thành hai hệ thống kỹ thuật chính: sản xuất hàng loạt công nghiệp và tùy chỉnh cao cấp. Các sản phẩm từ các quy trình khác nhau phù hợp với những tình huống ứng dụng khác biệt, và các công ty dẫn đầu ngành đã đạt được việc thay thế nhập khẩu đối với các sản phẩm cao cấp.

(1) Các quy trình chuẩn bị công nghiệp chính thống

1. Phương pháp phun sương: Sử dụng các thỏi kẽm có độ tinh khiết cao làm nguyên liệu, kẽm được nung chảy rồi được phun sương và phân tán bằng khí áp suất cao (không khí, nitơ) hoặc dòng nước; sau khi làm nguội, phân loại và sấy khô, ta thu được bột kẽm. Quá trình này cho phép kiểm soát chính xác hình thái hạt, với sản lượng cao bột kẽm dạng cầu và độ tinh khiết trên 99,5%. Hiện nay, đây là phương pháp chuẩn bị bột kẽm dạng cầu chủ đạo. Thông qua tối ưu hóa công nghệ, các công ty hàng đầu trong nước đã đạt được năng lực sản xuất bột kẽm dạng cầu quy mô lớn, lên tới 30.000 tấn/năm, đáp ứng nhu cầu trong lĩnh vực sơn chống ăn mòn, luyện kim bột và các lĩnh vực khác.

2. Phương pháp khử: Sử dụng kẽm oxit hoặc xỉ kẽm làm nguyên liệu, trộn đều và nung nóng cùng với các chất khử như cốc than và than antraxit, tiến hành khử ở nhiệt độ cao để tạo ra hơi kẽm kim loại, sau đó làm lạnh nhanh và thăng hoa ngược để hình thành bột kẽm. Các công ty tại Cam Túc và các nơi khác tận dụng nguồn phế thải chứa kẽm, áp dụng công nghệ phản ứng liên tiếp đa pha tại bề mặt giao diện nhằm đạt được hiệu quả cao trong việc chiết xuất nguồn kẽm ở nhiệt độ và áp suất bình thường, đồng thời thúc đẩy việc sử dụng có giá trị cao đối với phế thải. Độ tinh khiết của sản phẩm có thể đạt từ 98% đến 99%, phù hợp cho các ứng dụng như tổng hợp hóa học, phụ gia thức ăn chăn nuôi và các tình huống khác.

3. Phương pháp điện phân: Kẽm xốp được thu được thông qua quá trình điện phân dung dịch muối kẽm, sau đó kẽm dạng bột được tạo ra bằng cách nghiền, tán nhỏ và phân loại. Sản phẩm của quy trình này có độ tinh khiết cao (lên đến 99,9%) và hoạt tính mạnh, nhưng chi phí sản xuất lại cao. Phương pháp này chủ yếu được sử dụng trong các lĩnh vực yêu cầu độ tinh khiết nghiêm ngặt như pin cao cấp và vật liệu điện tử.

(2) Công nghệ chế biến cao cấp và tinh tế

Trong lĩnh vực phòng thí nghiệm và năng lực sản xuất cao cấp, các quy trình mới tập trung vào việc điều chế bột kẽm có hình thái đặc biệt và kích thước hạt siêu mịn. Phương pháp lắng đọng hơi có thể điều chế bột kẽm kích thước nano, giúp tăng đáng kể diện tích bề mặt riêng, đồng thời nâng cao mạnh mẽ hoạt tính xúc tác và tính dẫn điện. Phương pháp nghiền bi cơ học đạt được sự tinh chỉnh hạt và kiểm soát hình thái thông qua quá trình nghiền với năng lượng cao, có thể điều chế bột kẽm dạng vảy nhằm đáp ứng nhu cầu phủ Dacromet không chứa crom. Các doanh nghiệp trong nước đã vượt qua những rào cản công nghệ cốt lõi đối với bột kẽm dạng vảy; một số sản phẩm mới đã thay thế được hàng nhập khẩu và đang được sử dụng trong các lĩnh vực cao cấp như linh kiện ô tô và công nghiệp quân sự.

3. Các lĩnh vực ứng dụng đa dạng: trao quyền chủ động cho toàn bộ chuỗi ngành công nghiệp

Nhu cầu thị trường bột kẽm toàn cầu tiếp tục tăng, trong đó nước tôi là nhà sản xuất và tiêu thụ chính. Các sản phẩm này phủ sóng nhiều lĩnh vực có tiềm năng phát triển cao như chống ăn mòn, pin và hóa chất. Bột kẽm dạng cầu và dạng vảy đã hình thành một mô hình ứng dụng khác biệt, và quy mô ngành công nghiệp liên tục mở rộng nhờ nhu cầu từ các ngành hạ nguồn.

(1) Lĩnh vực sơn chống ăn mòn: nguyên liệu bảo vệ cốt lõi

Khoảng 40% bột kẽm được sử dụng trong sản xuất lớp phủ chống ăn mòn, đặc biệt là các lớp phủ giàu kẽm. Bột kẽm tạo thành lớp bảo vệ anốt hi sinh trong lớp phủ, giúp ngăn chặn phản ứng oxy hóa của nền thép. Đồng thời, các sản phẩm oxy hóa sẽ lấp đầy các lỗ rỗng trong lớp phủ, từ đó nâng cao hiệu quả che chắn. Loại bột này được sử dụng rộng rãi cho các công trình ngoài trời như cầu, tàu thủy và các kết cấu thép. Bột kẽm dạng vảy phát huy tốt trong các lớp phủ Dacromet không chứa crom và hình thành một màng bảo vệ dày đặc nhờ sự tích tụ theo từng lớp. Chúng phù hợp với các tình huống như linh kiện ô tô và thiết bị quân sự, nơi yêu cầu cao về bảo vệ môi trường và mức độ bảo vệ.

(2) Lĩnh vực pin và lưu trữ năng lượng: các vật liệu điện cực chủ yếu

Bột kẽm là vật liệu cực dương cốt lõi của pin kẽm-mangan và pin kẽm-không khí. Độ tinh khiết và kích thước hạt của nó ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng và tuổi thọ chu kỳ của pin. Cùng với sự phát triển của ngành lưu trữ năng lượng, việc ứng dụng bột kẽm trong các loại pin lưu trữ năng lượng dựa trên kẽm đã dần được mở rộng. Bột kẽm siêu mịn có hoạt tính cao có thể cải thiện hiệu suất sạc xả cũng như độ ổn định của pin. Trong năm 2024, thị trường bột kẽm của nước tôi dành cho pin kẽm-mangan sẽ tiếp tục tăng trưởng; nguồn cung ngành này sẽ tăng mạnh so với năm trước, và khu vực Đông Trung Quốc sẽ trở thành vùng tiêu thụ chính.

(3) Lĩnh vực hóa học và luyện kim: chất khử hiệu quả

Trong tổng hợp hóa học, bột kẽm được sử dụng như một chất khử tuyệt vời để điều chế bột bảo hiểm, các chất trung gian hữu cơ và các sản phẩm khác. Trong ngành in ấn và nhuộm, nó có thể được dùng làm chất khử màu chàm, chất chặn màu trong in lụa; còn trong ngành dầu mỡ, nó được sử dụng như một chất tẩy trắng, chất làm sạch và khử màu. Trong lĩnh vực luyện kim, bột kẽm có thể được dùng để chiết xuất kim loại quý và điều chế hợp kim. Nó có thể thu hồi vàng, bạc và các nguyên tố khác trong quặng thông qua phản ứng thế. Ngoài ra, bột kẽm còn có thể được sử dụng như một phụ gia trong luyện kim bột nhằm cải thiện các đặc tính cơ học và khả năng chống mài mòn của vật liệu hợp kim.

(4) Các ứng dụng nổi bật khác

Trong lĩnh vực y học, bột kẽm có thể được sử dụng để điều chế kem kẽm, băng dán keo và các chế phẩm dùng ngoài khác; nhờ tác dụng làm se và bảo vệ, nó hỗ trợ trong điều trị viêm da. Trong ngành thức ăn chăn nuôi, bột kẽm được sử dụng như một phụ gia cung cấp nguồn kẽm trong chăn nuôi gia súc, gia cầm nhằm bổ sung các nguyên tố vi lượng cần thiết cho sự phát triển của động vật. Ngoài ra, bột kẽm còn được ứng dụng rộng rãi trong các vật liệu ma sát, xử lý phosphat hóa và các lĩnh vực khác. Thông qua công nghệ biến đổi bề mặt, các tình huống ứng dụng của nó ngày càng được mở rộng hơn nữa.

4. Xu hướng an toàn, bảo vệ môi trường và phát triển công nghiệp

(1) Kiểm soát an toàn lưu trữ và bảo vệ môi trường

Là một hóa chất dễ cháy, dễ nổ và nguy hiểm, bột kẽm đòi hỏi phải được quản lý và kiểm soát an toàn trong toàn bộ quá trình sản xuất, bảo quản và vận chuyển. Các khu vực bảo quản cần được trang bị thiết bị điện chống nổ, thiết bị chống sét và chống tĩnh điện, hệ thống báo động khí dễ cháy cũng như các phương tiện thông gió khẩn cấp. Tại lối vào, cần lắp đặt thiết bị chống phóng điện tĩnh cho cơ thể con người. Các kệ và thiết bị bằng kim loại cần được nối đất chắc chắn và giữ cách xa các chất oxy hóa cũng như axit để tránh các phản ứng do ẩm gây ra. Các hoạt động phải do nhân viên có chứng chỉ chuyên môn thực hiện, mặc quần áo bảo hộ, đeo mặt nạ bảo hộ và găng tay, đồng thời đảm bảo thông gió tốt.

Về bảo vệ môi trường, sản xuất bột kẽm cần tăng cường xử lý nước thải và chất thải rắn; quá trình khử cần kiểm soát lượng khí thải; đồng thời khuyến khích sử dụng các nguyên liệu tái tạo như chất thải kẽm để đạt được mục tiêu tái chế tài nguyên. Các sản phẩm phế thải chứa kẽm có thể thu hồi nguồn tài nguyên kẽm thông qua phương pháp nhiệt luyện và thủy luyện, từ đó thúc đẩy quá trình chuyển đổi xanh của ngành công nghiệp và giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm kim loại nặng.

(2) Xu hướng phát triển ngành công nghiệp

Ngành công nghiệp bột kẽm đang chuyển hướng theo hướng cao cấp, thân thiện với môi trường và phối hợp vùng miền. Ở cấp độ kỹ thuật, việc nghiên cứu và phát triển bột kẽm dạng mảnh cao cấp đã vượt qua các rào cản từ nước ngoài, và tỷ lệ thay thế trong nước tiếp tục tăng. Nhu cầu về bột kẽm siêu mịn và có độ tinh khiết cao trong lĩnh vực năng lượng mới và quân sự đã tăng mạnh. Các doanh nghiệp tập trung đầu tư R&D vào việc kiểm soát hình thái và tối ưu hóa hiệu suất; nhiều dự án sản xuất bột kẽm dạng mảnh và bột hợp kim đang tiến triển ổn định. Về bố trí năng lực sản xuất, các doanh nghiệp trong nước tối ưu hóa khả năng phân bổ vùng miền, giảm chi phí logistics, đồng thời nâng cao sức cạnh tranh của sản phẩm thông qua sự phối hợp năng lực giữa các khu vực Đông, Trung và Tây.

Ở cấp độ thị trường, có sự khác biệt đáng kể về giá giữa bột kẽm thông thường và bột kẽm cao cấp; các sản phẩm có giá trị gia tăng cao đã trở thành cốt lõi tạo nên lợi nhuận cho doanh nghiệp. Trong tương lai, cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp lưu trữ năng lượng mới và sản xuất cao cấp, nhu cầu về bột kẽm sẽ tiếp tục tăng trưởng. Đồng thời, dưới tác động của các chính sách bảo vệ môi trường, các quy trình tiêu thụ năng lượng thấp và hệ thống tái chế khép kín sẽ dần được hoàn thiện nhằm thúc đẩy sự phát triển chất lượng cao của ngành công nghiệp này.

Từ các vật liệu chống ăn mòn truyền thống đến nguyên liệu thô cốt lõi trong sản xuất cao cấp, bột kẽm tiếp tục thúc đẩy quá trình nâng cấp nhiều chuỗi công nghiệp nhờ vào tính hoạt động và đặc tính hình thái có thể kiểm soát được. Được thúc đẩy bởi hai động lực là đổi mới công nghệ và phát triển xanh, loại bột kim loại có hoạt tính cao này sẽ mở ra những triển vọng ứng dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực năng lượng mới, thiết bị cao cấp và các ngành khác, qua đó hỗ trợ quá trình đổi mới công nghiệp và sử dụng hiệu quả tài nguyên.