Kẽm sulfat: phân tích đầy đủ về các đặc tính, cách điều chế và nhiều ứng dụng

Kẽm sulfat (Zinc sulfate) là một hợp chất sulfat quan trọng của nguyên tố kẽm, có công thức hóa học ZnSO₄. Là một nguyên liệu hóa học vô cơ được sử dụng rộng rãi, nó vừa tồn tại trong tự nhiên vừa có thể được tổng hợp nhân tạo. Theo hàm lượng nước tinh thể, nó có thể được chia thành kẽm sulfat khan (ZnSO₄) và các hydrat kết tinh, trong đó kẽm sulfat heptahydrat (ZnSO₄·7H₂O), thường được gọi là "a vitriol", là dạng phổ biến nhất trong sản xuất công nghiệp và đời sống hàng ngày. Hai dạng này bổ trợ lẫn nhau về tính chất và các tình huống ứng dụng, hỗ trợ các hoạt động sản xuất trong nhiều lĩnh vực.
1. Các đặc tính tâm lý cốt lõi

1. Tính chất vật lý

Kẽm sulfat khan là một chất rắn dạng bột màu trắng, có cấu trúc tinh thể orthorhombic, mật độ 3,54 g/cm³ và nhiệt độ nóng chảy khoảng 680°C. Nó sẽ phân hủy ở nhiệt độ cao; kẽm sulfat heptahydrat là một tinh thể lăng trụ trong suốt, không màu, không mùi, vị hơi chát, có mật độ 1,957 g/cm³ và nhiệt độ nóng chảy 100°C. Khi được đun nóng đến 30°C, nó bắt đầu mất nước tinh thể và dần chuyển thành kẽm sulfat monohydrat. Nếu tiếp tục đun nóng đến 280°C, nó có thể bị khử nước hoàn toàn để tạo thành kẽm sulfat khan. Kẽm sulfat dễ hòa tan trong nước, và độ hòa tan của nó tăng đáng kể khi nhiệt độ tăng. Nó ít tan trong ethanol và glycerol, nhưng không tan trong acetone. Dung dịch nước của nó có tính axit yếu. Đặc tính hòa tan này mang lại sự thuận tiện cho việc điều chế và ứng dụng của chất này.

2. Tính chất hóa học

Kẽm sulfat có tính chất hóa học tương đối ổn định và không dễ bị phân hủy dưới nhiệt độ và áp suất bình thường. Nó mang các tính chất hóa học điển hình của sunfat. Đầu tiên, nó có thể tham gia phản ứng trao đổi với các muối bari tan được để tạo thành kết tủa bari sulfat không tan trong nước và axit. Đây là một phản ứng kinh điển dùng để kiểm tra ion sunfat. Phương trình phản ứng như sau:

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

Thứ hai, nó có thể phản ứng với dung dịch kiềm để tạo thành kết tủa kẽm hydroxide. Nếu lượng kiềm dư quá nhiều, kết tủa sẽ tiếp tục hòa tan tạo thành kẽmate; thứ ba, nó có thể phản ứng với sulfide để tạo thành kết tủa kẽm sulfide màu đen. Phản ứng này thường được sử dụng để tách và làm sạch các ion kẽm. Ngoài ra, kẽm sunfat có một số tính chất khử nhất định và có thể tham gia các phản ứng oxi hóa dưới tác động của các chất oxi hóa mạnh. Đồng thời, dung dịch nước của nó có thể xảy ra phản ứng thế với kẽm kim loại để điều chỉnh nồng độ ion kẽm trong dung dịch.

2. Quy trình chuẩn bị

Việc điều chế kẽm sulfat chủ yếu dựa trên tổng hợp nhân tạo, trong khi chiết xuất tự nhiên chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ. Sản xuất công nghiệp phần lớn dựa trên các nguyên liệu chứa kẽm, và sản phẩm với độ tinh khiết khác nhau được thu được thông qua các quá trình như ngâm acid, làm sạch, kết tinh và các quy trình khác. Quá trình cốt lõi được điều chỉnh phù hợp với các nguồn nguyên liệu khác nhau.

1. Chiết xuất tự nhiên

Kẽm sunfat tự nhiên chủ yếu tồn tại trong quặng, nước suối nóng và các hồ muối. Bằng cách bay hơi, cô đặc và làm lạnh kết tinh từ các suối khoáng chứa kẽm, có thể thu được kẽm sunfat heptahydrat thô. Sau khi tiếp tục tinh chế để loại bỏ tạp chất, sản phẩm này có thể được sử dụng trong các trường hợp yêu cầu độ tinh khiết thấp. Tuy nhiên, do hạn chế về phân bố tài nguyên thiên nhiên, phương pháp này khó đáp ứng nhu cầu công nghiệp quy mô lớn và chỉ được áp dụng tại một số khu vực giàu tài nguyên.

2. Phương pháp tổng hợp nhân tạo

Phương pháp nung và hòa tách: Đây là quy trình chủ đạo trong ngành công nghiệp này. Phương pháp này sử dụng tinh quặng kẽm (thành phần chính là kẽm sunfua) làm nguyên liệu đầu vào. Đầu tiên, tinh quặng kẽm được nung trong không khí để chuyển kẽm sunfua thành kẽm oxit. Đồng thời, nguyên tố lưu huỳnh được loại bỏ, tạo ra lưu huỳnh đioxit (có thể tái chế để sản xuất axit sulfuric). Sau khi sản phẩm nung được nghiền nhỏ, nó sẽ được hòa tách bằng axit sulfuric loãng để thu được dung dịch kẽm sulfat thô. Tiếp theo, các tạp chất như đồng và cadmium sẽ được loại bỏ thông qua quá trình oxy hóa và thay thế bằng bột kẽm. Dung dịch tinh chế đã được làm sạch sẽ được bay hơi, cô đặc, làm lạnh và kết tinh. Sau khi tách riêng và sấy khô, ta thu được sản phẩm cuối cùng là kẽm sulfat heptahydrat. Nếu cần chuẩn bị kẽm sulfat khan, sản phẩm kết tinh có thể tiếp tục được khử nước ở nhiệt độ cao. Phương trình phản ứng cốt lõi như sau:

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

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

Phương pháp tái chế vật liệu kẽm phế liệu: Sử dụng các tấm kẽm phế liệu, xỉ kẽm, phế liệu hợp kim kẽm và các nguồn tài nguyên tái tạo khác làm nguyên liệu thô, tiến hành hòa tách trực tiếp bằng axit sunfuric loãng, kiểm soát nhiệt độ phản ứng và giá trị pH, hoàn toàn hòa tan kẽm để tạo thành dung dịch kẽm sulfat, đồng thời loại bỏ sắt, nhôm và các tạp chất khác có trong nguyên liệu. Sau khi tinh chế và kết tinh, sản phẩm thu được sẽ ra đời. Phương pháp này vừa bảo vệ môi trường vừa mang lại lợi ích kinh tế, phù hợp với chiến lược "carbon kép". Tỷ lệ nguyên liệu kẽm tái chế ngày càng tăng qua từng năm.

Các phương pháp khác: Trong phòng thí nghiệm và sản xuất quy mô nhỏ, kẽm sunfat có thể được điều chế thông qua phản ứng trung hòa trực tiếp giữa kẽm oxit, kẽm hydroxide và axit sulfuric. Điều kiện phản ứng nhẹ nhàng và độ tinh khiết của sản phẩm cao. Phương pháp này thích hợp để sản xuất kẽm sunfat cấp thuốc thử. Phương trình phản ứng trung hòa là:

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

3. Các lĩnh vực ứng dụng chính

Kẽm sulfat đóng vai trò quan trọng trong nông nghiệp, y học, công nghiệp hóa chất, mạ điện và các lĩnh vực khác nhờ tính hòa tan, tính ổn định và hoạt tính sinh lý của nguyên tố kẽm. Các sản phẩm với độ tinh khiết khác nhau tương ứng với những tình huống nhu cầu khác nhau, và phạm vi ứng dụng của chúng rộng hơn so với kẽm cacbonat.

1. Nông nghiệp

Kẽm sunfat là một loại phân bón vi lượng kẽm quan trọng trong sản xuất nông nghiệp. Nó có thể bổ sung hiệu quả lượng kẽm cần thiết cho sự phát triển của cây trồng, thúc đẩy quá trình quang hợp, tăng cường khả năng chống chịu stress của cây trồng (chịu rét, kháng bệnh), cải thiện chất lượng cây trồng và nâng cao năng suất. Sản phẩm này thích hợp cho nhiều loại cây trồng khác nhau như lúa, ngô, lúa mì, cây ăn quả, rau củ, v.v. Kẽm sunfat có thể được sử dụng làm phân bón gốc, bón thúc hoặc chế biến thành phân bón lá để phun xịt. Đặc biệt, sản phẩm này rất phù hợp để khuyến khích và ứng dụng trên những vùng đất thiếu kẽm. Đồng thời, kẽm sunfat cũng có thể được dùng làm phụ gia thức ăn nhằm bổ sung dinh dưỡng kẽm cho gia súc, gia cầm và các loài thủy sản, thúc đẩy sinh trưởng và phát triển, đồng thời nâng cao khả năng miễn dịch của cơ thể cũng như hiệu quả sử dụng thức ăn.

2. Lĩnh vực dược phẩm và hóa chất hàng ngày

Trong lĩnh vực y học, kẽm sulfat heptahydrat có tác dụng làm se, sát khuẩn, gây nôn và các tác dụng khác. Nó có thể được sử dụng để điều chế các thuốc dùng ngoài nhằm điều trị các bệnh về da như eczema, rôm sảy, viêm da, v.v. Ngoài ra, nó cũng có thể được dùng làm thành phần trong các dung dịch rửa mắt để giảm viêm mắt. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng kẽm sulfat có độc tính khi uống vào cơ thể. Tiêu thụ quá mức có thể gây ra các triệu chứng ngộ độc như nôn mửa và tiêu chảy; do đó, liều lượng cần được kiểm soát chặt chẽ. Trong ngành công nghiệp hóa mỹ phẩm hàng ngày, kẽm sulfat có thể được sử dụng trong các sản phẩm như phấn talc, dầu xả, sản phẩm chăm sóc da để thu nhỏ lỗ chân lông, kiểm soát nhờn và ức chế vi khuẩn. Đồng thời, nó cũng giúp tăng cường độ ổn định của sản phẩm.

3. Ngành công nghiệp hóa chất và lĩnh vực vật liệu mới

Kẽm sunfat là nguyên liệu chính để điều chế các hợp chất kẽm khác (như kẽm oxit, kẽm cacbonat, kẽm sunfua, v.v.), cung cấp nền tảng cơ bản cho chuỗi công nghiệp hóa chất kẽm; trong ngành dệt may, nó có thể được sử dụng như một chất cố định để tăng cường lực liên kết giữa thuốc nhuộm và sợi, giúp quá trình nhuộm đồng đều và bền màu hơn; trong lĩnh vực sản xuất pin, kẽm sunfat độ tinh khiết cao có thể được dùng để điều chế chất điện ly cho pin ion kẽm, hỗ trợ sự phát triển của ngành công nghiệp pin năng lượng mới; ngoài ra, nó cũng có thể được sử dụng làm chất xúc tác và chất bảo quản trong tổng hợp hữu cơ, xử lý nước và các tình huống khác.

4. Các lĩnh vực mạ điện và luyện kim

Trong ngành mạ điện, kẽm sunfat là chất điện phân chính trong quá trình mạ kẽm. Nó được sử dụng để pha chế dung dịch mạ điện, nhờ đó các ion kẽm có thể được lắng đọng đồng đều trên bề mặt chi tiết gia công, tạo thành lớp mạ kẽm dày đặc, có vai trò chống ăn mòn và chống mài mòn. Chất này được ứng dụng rộng rãi trong quá trình mạ điện các sản phẩm như đồ kim khí, máy móc, phụ tùng ô tô và các sản phẩm khác. Trong ngành luyện kim, nó có thể được dùng để tinh luyện kẽm bằng phương pháp điện phân nhằm nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm kẽm. Ngoài ra, nó cũng có thể được sử dụng như một chất phụ gia trong quá trình nấu chảy hợp kim để cải thiện các đặc tính của hợp kim.

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

Trung Quốc là nhà sản xuất, tiêu thụ và xuất khẩu kẽm sunfat lớn nhất thế giới. Năm 2024, công suất sản xuất kẽm sunfat của nước này sẽ đạt 1,2 triệu tấn, trong khi mức tiêu thụ rõ ràng sẽ vượt 850.000 tấn. Trong số đó, nhu cầu từ lĩnh vực nông nghiệp chiếm tỷ trọng cao nhất (khoảng 45%), tiếp đến là ngành hóa chất và mạ điện. Cơ cấu ngành thể hiện đặc điểm "tập trung theo khu vực và phân cấp rõ rệt". Công suất sản xuất chủ yếu tập trung tại Nội Mông, Vân Nam, Hồ Nam cùng các địa phương khác giàu tài nguyên quặng kẽm. Các công ty dẫn đầu tận dụng lợi thế về nguyên liệu thô và công nghệ tinh chế để chiếm vị trí thống lĩnh trên thị trường tầm trung đến cao cấp. Các doanh nghiệp sản xuất quy mô nhỏ và vừa phần lớn tập trung vào sản phẩm cấp nông nghiệp có độ tinh khiết thấp.

Sự phát triển hiện nay của ngành này được thúc đẩy bởi hai yếu tố chính: Thứ nhất, sự tiến bộ trong hiện đại hóa nông nghiệp, cùng với nhu cầu về phân bón vi lượng tiếp tục tăng cao, thúc đẩy việc mở rộng năng lực sản xuất kẽm sunfat cấp nông nghiệp; thứ hai, nhu cầu ngày càng tăng đối với kẽm sunfat có độ tinh khiết cao (độ tinh khiết ≥ 99,9%) trong các lĩnh vực năng lượng mới, mạ điện cao cấp và các lĩnh vực khác, thúc đẩy quá trình nâng cấp công nghệ ngành, các quy trình sản xuất tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường dần thay thế các quy trình truyền thống gây ô nhiễm cao, đồng thời tỷ lệ tái chế nguyên liệu kẽm tái chế đã tăng lên đến 28%, phù hợp với quan điểm phát triển xanh.

Trong tương lai, ngành công nghiệp kẽm sunfat sẽ chuyển đổi theo hướng "tinh khiết cao, thân thiện với môi trường và đa dạng hóa", tập trung vào những đột phá trong công nghệ chuẩn bị sản phẩm có độ tinh khiết cao, mở rộng các tình huống ứng dụng trong các lĩnh vực cao cấp như năng lượng mới và y sinh học, đồng thời tối ưu hóa bố trí chuỗi công nghiệp và nâng cao hiệu quả tái chế tài nguyên. Các doanh nghiệp có lợi thế về công nghệ và khả năng tích hợp nguồn lực sẽ tiếp tục dẫn đầu thị trường.

5. Vận hành và bảo quản an toàn

Kẽm sulfat có khả năng gây kích ứng nhất định. Bột hoặc dung dịch nước của nó có thể gây kích ứng da, mắt và niêm mạc đường hô hấp. Khi uống phải, chất này có độc tính. Mức độ nguy hiểm theo tiêu chuẩn NFPA 704 là 1-0-0. Trong quá trình làm việc, bạn cần mặc quần áo bảo hộ, đeo kính bảo hộ và khẩu trang, làm việc trong môi trường thông thoáng, tránh bụi bay, tuyệt đối không để tiếp xúc trực tiếp với da và mắt; nếu chẳng may bị dính vào người, cần rửa ngay bằng nhiều nước và đến bệnh viện để điều trị nếu cần thiết; những người bị ngộ độc qua đường miệng cần nôn kịp thời và đưa đến bệnh viện để điều trị.

Khi bảo quản, sản phẩm cần được đóng kín và đặt trong kho khô ráo, thông thoáng, cách xa nguồn lửa và nguồn nhiệt để tránh ẩm ướt và vón cục. Đồng thời, sản phẩm cũng cần được lưu trữ riêng biệt với thực phẩm, thuốc men, chất oxy hóa và các chất kiềm nhằm ngăn ngừa các phản ứng có thể làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm hoặc gây nguy hiểm về an toàn. Trong quá trình vận chuyển, phải đóng gói và dỡ hàng cẩn thận để tránh hư hỏng bao bì và đảm bảo an toàn khi vận chuyển.

Tóm lại, kẽm sunfat, với vai trò là chất trung gian cốt lõi của ngành hóa chất kẽm, có nhiều giá trị ứng dụng đa dạng trong nông nghiệp, công nghiệp, y học, v.v. Việc đổi mới công nghệ sản xuất và mở rộng các tình huống ứng dụng sẽ tiếp tục thúc đẩy sự nâng cấp của các ngành liên quan, thể hiện triển vọng thị trường rộng lớn trong bối cảnh phát triển xanh và chuyển đổi công nghiệp.