Kẽm cacbonat: phân tích các đặc tính, phương pháp điều chế và ứng dụng đa lĩnh vực

Kẽm cacbonat là một hợp chất cacbonat quan trọng của nguyên tố kẽm, có công thức hóa học ZnCO₃. Là một nguyên liệu hóa chất vô cơ chủ chốt, nó tồn tại rộng rãi trong tự nhiên và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Nó thường được nhắc đến cùng với kẽm cacbonat cơ bản (công thức hóa học 2ZnCO₃·3Zn(OH)₂·H₂O). Hợp chất sau này thường được gọi là "kẽm cacbonat" trong sản xuất công nghiệp. Hai hợp chất này có mối liên hệ với nhau nhưng khác biệt về tính chất và ứng dụng.
1. Các đặc tính tâm lý cốt lõi

1. Tính chất vật lý

Kẽm cacbonat là một chất rắn dạng bột màu trắng, không mùi và không vị. Cấu trúc tinh thể của nó thuộc hệ tinh thể tam giác. Trong trạng thái tự nhiên, nó chủ yếu tồn tại dưới dạng smithsonit. Mật độ của nó là 4,3476 g/cm³. Nó hầu như không tan trong nước (độ hòa tan chỉ là 4,692×10⁻⁵ g) và các loại rượu ở điều kiện tiêu chuẩn. Nó hòa tan nhẹ trong amoniac lỏng và hòa tan trong dung dịch axit loãng cũng như dung dịch nước natri hydroxide. Đặc tính hòa tan này tạo cơ sở quan trọng cho việc điều chế và ứng dụng của chất này.

2. Tính chất hóa học

Kẽm cacbonat không ổn định và dễ bị phân hủy khi đun nóng. Khi nhiệt độ đạt đến 300°C, nó sẽ phân hủy thành kẽm oxit và carbon dioxide. Phản ứng này là một trong những phương pháp quan trọng để điều chế kẽm oxit trong công nghiệp. Phương trình phản ứng như sau:

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

Ngoài ra, kẽm cacbonat có thể tham gia phản ứng trao đổi với các axit để tạo ra các muối kẽm tương ứng, carbon dioxide và nước; đồng thời nó cũng có thể phản ứng với dung dịch kiềm và dung dịch muối amoni. Đặc điểm này cho phép nó kiểm soát linh hoạt quá trình phản ứng trong các trường hợp tinh chế và ứng dụng.

2. Quy trình chuẩn bị

Việc điều chế kẽm cacbonat chủ yếu được chia thành hai loại: khai thác tự nhiên và tổng hợp nhân tạo. Trong đó, sản xuất hàng loạt trong công nghiệp chủ yếu dựa trên phương pháp tổng hợp hóa học. Các quy trình cốt lõi bao gồm phương pháp trao đổi ion, phương pháp hòa tách bằng axit, v.v., và hầu hết các phương pháp này đều điều chế kẽm cacbonat cơ bản làm sản phẩm mục tiêu.

1. Khai thác khoáng sản tự nhiên

Kẽm cacbonat tự nhiên được thu được bằng cách khai thác khoáng vật smithsonit. Sau khi nghiền, xay, tinh chế và các công đoạn khác, người ta có thể thu được sản phẩm cấp công nghiệp hoặc cấp thuốc thử. Tuy nhiên, do hạn chế trong phân bố nguồn tài nguyên khoáng sản (chủ yếu tập trung ở Nội Mông, Vân Nam và các nơi khác) cùng với sự suy giảm hàm lượng quặng, việc khai thác tự nhiên dần dần nhường chỗ cho phương pháp tổng hợp nhân tạo.

2. Phương pháp tổng hợp nhân tạo

Phương pháp chuyển vị: Đây là quy trình sản xuất phổ biến nhất. Nguyên liệu chứa kẽm (kẽm oxit, xỉ kẽm, v.v.) được phản ứng với axit sulfuric để tạo thành dung dịch kẽm sulfat thô. Sau các quá trình loại bỏ tạp chất thứ cấp như oxy hóa bằng kali permanganat và thay thế bằng bột kẽm, các tạp chất như sắt, mangan, đồng và niken sẽ được loại bỏ, thu được dung dịch kẽm sulfat tinh chế. Tiếp theo, dung dịch này phản ứng với dung dịch natri cacbonat trong điều kiện kiểm soát nhiệt độ (45-50°C) và giá trị pH (điểm cuối khoảng 6,4) để tạo thành kết tủa kẽm cacbonat cơ bản. Sau khi lọc, sấy khô, nghiền mịn và sàng, ta thu được sản phẩm cuối cùng. Phương trình phản ứng như sau:

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

Chất kết tủa có thể được lựa chọn tùy theo nhu cầu trong quá trình sản xuất: natri cacbonat có phản ứng ổn định và tỷ lệ kết tủa kẽm cao, thích hợp để điều chế các sản phẩm kẽm cacbonat cơ bản; amoni bicacbonat có giá thành thấp và sau khi nung có thể thu được kẽm oxit hoạt tính chất lượng cao, nhưng hệ thống phản ứng khó kiểm soát và tỷ lệ kết tủa kẽm thấp.

Các phương pháp khác: Nó cũng có thể được sản xuất thông qua quá trình hòa tách bằng amoniac và các quy trình khác; quá trình này có thể được điều chỉnh tùy theo phương pháp hòa tan nguyên liệu và loại chất kết tủa để phù hợp với các nguồn nguyên liệu khác nhau cũng như yêu cầu về độ tinh khiết của sản phẩm.

3. Các lĩnh vực ứng dụng chính

Kẽm cacbonat và kẽm cacbonat cơ bản đóng vai trò quan trọng trong cao su, dược phẩm, thức ăn chăn nuôi, công nghiệp hóa chất và các lĩnh vực khác nhờ những đặc tính độc đáo của chúng. Mỗi tình huống ứng dụng đều có trọng tâm riêng.

1. Ngành cao su

Kẽm cacbonat có thể được sử dụng như một chất xúc tác lưu hóa để đẩy nhanh quá trình lưu hóa cao su, đồng thời cải thiện độ bền và khả năng chống mài mòn của sản phẩm; kẽm cacbonat cơ bản thích hợp hơn làm chất hoạt hóa và chất gia cường, đặc biệt trong các sản phẩm cao su trong suốt, vì nó có thể cân nhắc cả hiệu quả lưu hóa lẫn độ trong suốt của sản phẩm, và là nguyên liệu chính để sản xuất cao su trong suốt.

2. Lĩnh vực dược phẩm và hóa chất hàng ngày

Trong y học, kẽm cacbonat là thành phần cốt lõi của lotion calamine. Nó có tác dụng làm se da và giảm ngứa, có thể được sử dụng để điều trị ngứa da, eczema và các tình trạng khác. Nó cũng có thể được dùng như một chất bảo vệ da và được ứng dụng trong các sản phẩm hóa mỹ phẩm hàng ngày như phấn talc và kem dưỡng da để chăm sóc nhẹ nhàng cho làn da.

3. Thức ăn và Nông nghiệp

Là một phụ gia thức ăn nguồn kẽm chất lượng cao, kẽm cacbonat có thể bổ sung nguyên tố vi lượng kẽm cần thiết cho sự phát triển của động vật, thúc đẩy quá trình sinh trưởng và phát triển của chúng, cải thiện hiệu quả sử dụng thức ăn cũng như khả năng miễn dịch của cơ thể, và được sử dụng rộng rãi trong chăn nuôi gia súc, gia cầm.

4. Ngành công nghiệp hóa chất và vật liệu mới

Trong ngành phân bón, nó có thể được sử dụng như một chất khử lưu huỳnh để loại bỏ sulfide trong khí; trong khoan dầu, nó có thể phản ứng với H₂S để tạo thành ZnS không tan ổn định, giúp loại bỏ hiệu quả ô nhiễm và ăn mòn do H₂S mà không ảnh hưởng đến hiệu suất của bùn khoan. Ngoài ra, nhu cầu về kẽm cacbonat độ tinh khiết cao trong các lĩnh vực cao cấp như vật liệu pin năng lượng mới và đóng gói bán dẫn đã tăng nhanh, trở thành điểm tăng trưởng mới cho ngành này.

5. Các lĩnh vực khác

Trong ngành gốm sứ, nó có thể được sử dụng làm chất tráng men và phụ gia tạo màu để cải thiện màu sắc và độ bóng của gốm sứ; trong ngành sản xuất xốp EVA, nó giúp quá trình tạo bọt đồng đều hơn và giảm bớt tác động của các chất tạo bọt; nó cũng có thể được dùng để sản xuất tơ nhân tạo, chất mang xúc tác, v.v.

4. Tình hình và xu hướng phát triển ngành công nghiệp

Trung Quốc là nhà sản xuất và tiêu thụ kẽm cacbonat lớn nhất thế giới, và ngành công nghiệp này hiện đang trong giai đoạn chuyển đổi cơ cấu và phát triển chất lượng cao. Tiêu thụ kẽm cacbonat rõ ràng của nước này sẽ đạt 286.000 tấn vào năm 2024, và dự kiến duy trì tốc độ tăng trưởng kép trung bình hàng năm là 5,8% từ năm 2025 đến năm 2030. Động lực cốt lõi đến từ sự mở rộng nhu cầu trong các lĩnh vực cao cấp như năng lượng mới và vật liệu điện tử.

Cơ cấu ngành thể hiện đặc điểm "tập trung đầu não và phân hóa công nghệ": 12 công ty hàng đầu chiếm tới 68,3% năng lực sản xuất. Phương pháp kết tủa chiếm ưu thế trong sản xuất kẽm cacbonat độ tinh khiết cao (độ tinh khiết ≥ 99,7%) nhằm đáp ứng nhu cầu cao cấp; còn phương pháp phản ứng pha rắn tập trung vào thị trường trung bình đến thấp. Do bị ràng buộc bởi các chính sách bảo vệ môi trường, năng lực sản xuất lạc hậu tiếp tục được loại bỏ, tiêu hao năng lượng trung bình của ngành liên tục giảm xuống. Đồng thời, tỷ lệ tái chế nguồn kẽm tái tạo đã tăng lên mức 22%, phù hợp với yêu cầu của chiến lược "hai carbon".

Trong tương lai, ngành công nghiệp sẽ tập trung vào phương hướng chuyển đổi kép "xanh + số hóa", chú trọng đột phá trong công nghệ tinh chế độ tinh khiết cao và tối ưu hóa hệ thống sử dụng tài nguyên tái tạo. Có rất nhiều dư địa để thay thế nhập khẩu đối với kẽm cacbonat độ tinh khiết cao, và những công ty có khả năng tích hợp toàn bộ chuỗi ngành nghề cũng như sở hữu công nghệ chuẩn bị cao cấp sẽ chiếm vị thế chủ đạo.

5. Vận hành và bảo quản an toàn

Bản thân kẽm cacbonat ít nguy hiểm hơn, với mức độ nguy hiểm theo NFPA 704 là 0-1-0, nhưng vẫn đòi hỏi các quy trình vận hành chuẩn hóa: người vận hành cần được đào tạo chuyên nghiệp, làm việc trong môi trường thông thoáng, tránh hít phải bụi, tiếp xúc với da và mắt; tránh xa nguồn lửa và nguồn nhiệt, sử dụng thiết bị thông gió chống nổ, đồng thời tránh tiếp xúc với các chất oxy hóa.

Khi bảo quản, cần đóng kín và đặt trong nhà kho khô ráo, thông thoáng, tránh xa các chất dễ bị oxy hóa và có tính axit để ngăn ngừa ẩm ướt và vón cục. Nếu xảy ra hít phải hoặc vô tình nuốt phải, cần thực hiện các biện pháp sơ cứu kịp thời. Những người hít phải bụi cần được đưa đến nơi có không khí trong lành. Những người vô tình uống phải có thể pha loãng với nước hoặc sữa và tìm kiếm sự chăm sóc y tế ngay lập tức.

Tóm lại, kẽm cacbonat, với tư cách là một hợp chất vô cơ mang cả những đặc tính tự nhiên lẫn giá trị tổng hợp, là không thể thiếu trong các ngành công nghiệp truyền thống. Đồng thời, nó cũng thể hiện tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực vật liệu mới cao cấp. Việc nâng cấp công nghiệp và đổi mới công nghệ của nó sẽ tiếp tục đóng góp vào sự phát triển chất lượng cao trong nhiều lĩnh vực.