Zinkproduktion: En Dybdegående Guide

Zink er et essentielt metal i den moderne verden, men hvordan produceres det egentlig? Denne artikel dykker ned i zinkproduktionens komplekse verden og udforsker de forskellige metoder, historien bag metallet, dets udbredelse i naturen og dets mange anvendelser. Fra de gamle civilisationers opdagelser til nutidens avancerede processer, zink har spillet en afgørende rolle i menneskets udvikling. Læs videre for at blive klogere på dette vigtige grundstof.

Zinks historie: Fra oldtiden til moderne tid

Zinks historie er lang og fascinerende. Selvom zink som legeringsbestanddel i messing har været kendt siden oldtiden, blev det først anerkendt som et selvstændigt metal i det 14. århundrede i Indien. I Europa begyndte man at udvinde zink i det 17. århundrede. I 1679 blev galmej, et zinkholdigt mineral, smeltet i Messinghof i Kassel. Den første egentlige zinksmelteovn blev dog først etableret i Bristol i 1743. I det 19. århundrede spredte zinkproduktionen sig til Oberschlesien, Aachen-Liège-området, Sachsen og Westfalen. I Ruhr-området i Tyskland opstod de første smelteværker i 1845 i Mülheim an der Ruhr og i 1847 i Essen-Borbeck. Denne industrielle udvikling markerede et vigtigt skridt i zinkproduktionens historie.

Forekomst af zink i naturen

Zink er et relativt almindeligt element i jordskorpen, hvor det udgør omkring 0,0076 % eller 76 ppm. Det rangerer som det 24. mest almindelige element og er hyppigere forekommende end kobber eller bly. Zink findes ikke i ren form i naturen, men derimod bundet i mineraler. De vigtigste zinkmineraler er zinksulfider, som typisk findes som sphalerit eller wurtzit og indeholder omkring 65 % zink. Et andet vigtigt zinkmineral er smithsonit (også kendt som zinkspat eller galmej), der består af zinkcarbonat (ZnCO₃). Der findes også sjældnere zinkmineraler som hemimorphit og franklinit.

Store zinkforekomster findes i Nordamerika (USA og Canada), Australien, Kina og Kasakhstan. Også i Europa har der været zinkforekomster, for eksempel i Tyskland ved Brilon, Stolberg og Eschweiler i Rheinland, Rammelsberg i Harzen og Ramsbeck i Sauerland. I disse områder kan man finde specielle planter, der trives i zinkholdig jord, som for eksempel den gule galmej-viol, der er opkaldt efter det gamle navn for zinkmineralet galmej.

De største zinkproducerende lande

Zinkmalm udvindes primært i Kina, Peru, Australien, Canada, USA, Mexico og Sydafrika. I Europa er der stadig aktive zinkminer i Irland, Polen, Finland, Bulgarien og Sverige. I 2006 var den samlede globale zinkproduktion på 10 millioner tons.

Metoder til zinkproduktion

Zink produceres hovedsageligt fra zinksulfidmalm. For at kunne anvende denne malm, skal den først omdannes til zinkoxid. Dette gøres ved ristning i luft. Under ristningsprocessen dannes der udover zinkoxid også store mængder svovldioxid, som kan videreforarbejdes til svovlsyre.

Hvis smithsonit anvendes som råmateriale, kan omdannelsen til zinkoxid ske ved brænding, hvor der frigives carbondioxid.

Den videre forarbejdning af zinkoxid kan ske ved to hovedmetoder: den tørre metode og den våde metode. Den tørre metode er den mest udbredte og står for omkring 60 % af den samlede zinkproduktion. Ved den tørre metode blandes zinkoxid med finknust kul og opvarmes i en blæseskaktofn (Imperial-Smelting-ovn) til 1100-1300 °C. Ved disse temperaturer dannes der først kulmonoxid, som reducerer zinkoxidet til metallisk zink. Det dannede carbondioxid reagerer yderligere med kulstof i ovnen og danner igen kulmonoxid (Boudouard-ligevægten).

Den tørre metode

Da temperaturen i ovnen er højere end zinks kogepunkt, forlader zinken ovnen som damp. I toppen af ovnen sprøjtes der bly ind, som kondenserer zinken. Det resulterende råzink indeholder betydelige mængder urenheder, især bly, jern og cadmium. Råzinken kan raffineres yderligere ved fraktioneret destillation. I første trin opvarmes råproduktet, så kun zink og cadmium fordamper, mens jern og bly forbliver tilbage. Cadmium og zink kan derefter separeres ved kondensation, da zink kondenserer ved højere temperaturer og danner 99,99 % rent finkzink. Cadmium er mere flygtigt og opsamles som cadmiumstøv et andet sted.

Den våde metode

Den våde metode anvendes, når der er adgang til billig elektricitet. Ved denne metode opløses rå zinkoxid i fortyndet svovlsyre. Urenheder af ædlere metaller som cadmium udfældes ved tilsætning af zinkpulver. Derefter elektrolyseres opløsningen ved hjælp af blyanoder og aluminiumkatoder. Ved katoden dannes 99,99 % rent elektrolytzink, ligesom ved den tørre metode.

Zinks egenskaber

Zink er et blåligt hvidt, uædelt metal, som er ret sprødt ved stuetemperatur og over 200 °C. Mellem 100 og 200 °C er det dog mere duktilt og let at forme. Zink har et sølvhvidt brud. Zink krystalliserer i en hexagonal tættest kuglepakning, men den er strukket vinkelret på kuglelagene, hvilket betyder, at afstanden mellem zinkatomerne varierer lidt (264,4 pm i et lag, 291,2 pm mellem lagene).

I luft danner zink et vejrbestandigt beskyttende lag af zinkoxid og -carbonat. Derfor anvendes det som korrosionsbeskyttelse (galvanisering af jern), selvom det ellers er et uædelt metal. Zink opløses i syrer under dannelse af zink(II)-salte og i baser under dannelse af zinkater, [Zn(OH)₄]^2-. En undtagelse er zink med meget høj renhed (99,999%), som ikke reagerer med syrer. I sine kemiske forbindelser forekommer zink næsten udelukkende i oxidationstrin +II.

Kemisk set hører zink til de uædle metaller (redoxpotentiale -0,763 volt). Denne egenskab kan udnyttes til at udskille ædlere metaller fra deres salte ved reduktion, som illustreret ved reaktionen af et kobbersalt:

Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

Zinkisotoper

Zink har i alt 29 isotoper fra ⁵⁴Zn til ⁸³Zn og yderligere ti kerneisomerer. Fem af disse isotoper, ⁶⁴Zn, ⁶⁶Zn, ⁶⁷Zn, ⁶⁸Zn og ⁷⁰Zn, er stabile og naturlige. Der findes ingen radioaktive naturlige isotoper af zink. Den mest almindelige isotop er ⁶⁴Zn med 48,63 % af den naturlige isotopsammensætning. Herefter følger ⁶⁶Zn med 27,90 %, ⁶⁸Zn med 18,75 %, ⁶⁷Zn med 4,10 % og den sjældneste naturlige isotop ⁷⁰Zn med 0,62 %. Den mest stabile kunstige isotop er betastråleren (β⁺-henfald) ⁶⁵Zn med en halveringstid på 244 dage. Denne isotop og kerneisomeren ^69mZn anvendes som sporstoffer. Som den eneste naturlige isotop kan ⁶⁷Zn påvises ved NMR-spektroskopi.

Anvendelser af zink

I 2006 blev der forbrugt over elleve millioner tons zink. Heraf blev 47 % anvendt til korrosionsbeskyttelse af jernprodukter ved galvanisering. Andre vigtige anvendelsesområder for zink er zinklegeringer som messing, batterier, zinkplader og produktion af zinkforbindelser som zinkchlorid og zinkoxid.

Korrosionsbeskyttelse

Zink har længe været anvendt som korrosionsbeskyttelse for jerndele ved at galvanisere dem, dvs. belægge dem med et tæt zinklag. Zinken beskytter også de omkringliggende jernoverflader og eventuelle fejl i belægningen mod korrosion, da den fungerer som en offeranode.

Galvanisering kan udføres på forskellige måder. Metoderne omfatter varmgalvanisering, elektrolytisk galvanisering, mekaniske belægninger, sprøjtegalvanisering og zinklamelbelægninger. De adskiller sig i måden, zinklaget påføres, tykkelsen og dermed holdbarheden.

Den enkleste metode er varmgalvanisering, hvor det rensede emne dyppes i et bad af flydende zink. Denne metode kan anvendes både diskontinuert til enkelte emner og kontinuerligt til galvanisering af bånd. Varmgalvanisering giver relativt tykke zinklag (op til 150 µm ved diskontinuert metode), som dækker alle overflader af emnet. Varmgalvaniserede emner er beskyttet mod korrosion i årtier, afhængigt af forholdene. Beskyttelsen kan forbedres yderligere ved at kombinere flere lag (duplexsystem).

Ved elektrolytisk galvanisering påføres zinklaget elektrolytisk. Emnet dyppes sammen med et stykke rent zink i en sur eller basisk opløsning af et zinksalt. Derefter påføres jævnspænding, hvor emnet fungerer som katode og zinkstykket som anode. Ved katoden dannes zink ved reduktion af zinkioner. Samtidig oxideres det rene zink på anoden, og anoden opløses. Der dannes et tæt zinklag, men det er ikke så tykt som ved varmgalvanisering (op til 25 µm).

Der findes også andre metoder til påføring af zinklag. Ved sprøjtegalvanisering smeltes zinken og sprøjtes derefter på emnet ved hjælp af trykluft. Den termiske belastning er lavere end ved varmgalvanisering, hvilket kan være vigtigt for følsomme materialer. Når zinken påføres mekanisk på emnet, kaldes det plettering. En metode, der anvendes til galvanisering af små dele, f.eks. skruer, er sherardisering. Ved sherardisering dannes zinklaget ved diffusion af zink ind i jernet i emnet. En anden mulig måde at påføre zinklag er ved hjælp af zinksprays.

Zink anvendes som offeranode til beskyttelse af større ståldele. Her forbindes det objekt, der skal beskyttes, ledende med zinken. Der dannes en galvanisk celle med zink som anode og objektet som katode. Da det uædle zink nu fortrinsvis oxideres og langsomt opløses, forbliver ståldelen uændret. Så længe der er zink til stede, er ståldelen beskyttet mod korrosion.

Zink i batterier

Metallisk zink er et af de vigtigste materialer til negative elektroder (anoder) i ikke-genopladelige batterier og anvendes i stor industriel skala. Eksempler omfatter alkaliske mangandioxidbatterier, zink-kulstofbatterier, zink-luftbatterier, sølvoxid-zinkbatterier og kviksølvoxid-zinkbatterier. Zink blev også anvendt som anode i mange historiske galvaniske elementer, herunder Voltasøjlen, Daniell-elementet og Bunsen-elementet. I mindre omfang anvendes zink også til negative elektroder i akkumulatorer (genopladelige batterier).

Grunden til den alsidige anvendelse af zink i batterier er kombinationen af fysiske og elektrokemiske egenskaber, god miljøkompatibilitet og relativt lave omkostninger. Zink er et godt reduktionsmiddel med høj teoretisk kapacitet (0,82 Ah/g). På grund af det lave standardpotentiale på ca. -0,76 V, henholdsvis -1,25 V i alkalisk medium, kan der realiseres relativt høje cellespenninger. Desuden har zink en god elektrisk ledningsevne og er tilstrækkelig stabilt i vandige elektrolytopløsninger.

For at reducere korrosion af zink i batteriet og for at forbedre de elektrokemiske egenskaber blev der tidligere anvendt amalgeret zink med et kviksølvindhold på op til 9 procent. Af miljømæssige årsager er denne praksis næsten fuldstændig stoppet, i hvert fald i industrilandene. I 2006 blev amalgeret zinkpulver kun anvendt i zink-luft- og sølvoxid-zink-knapcellebatterier.

Anoden i zink-kulstofbatterier har form som en zinkbæger. Bægerne fremstilles ved flertrins dybtrækning af zinkplade eller ved slagformning (impact extrusion) af runde eller sekskantede skiver af tyk zinkplade (såkaldte kalotter). For at forbedre formbarheden og hæmme korrosion indeholder det zink, der anvendes til dette formål, små mængder cadmium, bly og/eller mangan. I alkaliske mangandioxidbatterier anvendes zinkpulver som aktivt materiale i anoden. Det fremstilles normalt ved forstøvning af smeltet zink i en luftstråle. For at hæmme korrosion tilsættes zinken små mængder af andre metaller, f.eks. bly, bismuth, indium, aluminium og calcium.

Zinkplader i byggeriet

Vigtige zinkprodukter er også halvfabrikata, mest i form af zinkplader. Zinkplader anvendes som materiale i byggeriet. I dag anvendes næsten udelukkende titanzink, som er mere korrosionsbestandigt, mindre sprødt og derfor mekanisk mere holdbart end rent zink. Zinkplader anvendes primært til tagdækning, som facadebeklædning, til tagafvanding (tagrender, nedløbsrør), til afdækninger, f.eks. af gesimser eller udvendige vindueskarme, eller til tilslutninger og tagrender. Det holder i op til 100 år og kræver hverken vedligeholdelse eller reparation i denne periode, hvis det er korrekt bearbejdet. Bearbejdningen udføres af blikkenslagere.

Zinkplader leveres i coils eller plader. Til tagdækning anvendes ofte metalbaner (skarer), som normalt er 60 centimeter brede og op til 10 meter lange. Materialetykkelsen varierer, men er normalt 0,7 millimeter. Forbindelsen af de enkelte pladedele sker ved lodning eller svejsning for små elementers vedkommende, og ved dobbelt falsning (dobbelt fals tagdækning) for tagdækninger. På grund af zinks høje varmeudvidelse på 29·10^-6/K skal forbindelserne og tilslutningerne af zinkpladerne tillade materialebevægelser.

Moderne arkitekter realiserer ekstravagante ideer med zinkplader. Daniel Libeskind har f.eks. udstyret det Jødiske Museum i Berlin med en facade af bygningszink.

Zinktrykstøbning

Zink anvendes ofte til produktion af billige støbegods, da zinktrykstøbning muliggør hurtig fremstilling af store styktal af mange forskellige produkter. Andre fordele ved dette materiale i zinktrykstøbning er høj dimensionsstabilitet, egnethed til forskellige overfladebehandlinger samt høj mekanisk belastningsevne. Anvendelsesområderne spænder fra bilindustrien, maskin- og apparatbygning, bygningsbeslag, sanitetsindustrien, finmekanik og elektroteknik til brugsgenstande og legetøj.

Ældre zinktrykstøbte dele er ofte påvirket af en strukturændring, der får delene til at gå i stykker.

Møntprægning

Da zink er meget billigt og af ringe militær værdi, blev det i nødsituationer, især under de to verdenskrige, anvendt til møntprægning samt til fremstilling af udmærkelser og mærker. Det blev anvendt i ren form (finkzink) samt i legeringer som såkaldt "krigsmetal". Siden 1982 har den amerikanske cent (penny) haft en kerne af zink.

Analytisk anvendelse

Analytisk rent zinkpulver anvendes som urtitersubstans i henhold til farmakopéen til justering af EDTA-standardopløsninger.

Organisk kemi

I organisk syntese tjener zink forskellige formål. Det fungerer som reduktionsmiddel og kan aktiveres på forskellig vis. Et eksempel er Clemmensen-reduktionen af carbonylforbindelser med amalgeret zink. Desuden kan allylalkoholer reduceres til alkener, acyloiner til ketoner. Reduktionen af den aromatiske nitrogruppe kan føre til forskellige produkter afhængigt af reaktionsbetingelserne: arylamin, arylhydroxylamin, azoaren, N,N'-diarylhydrazin.

I det metalorganiske område giver zinkorganiske forbindelser selektivitetsfordele i forhold til Grignard-reagenser, da de generelt er mindre reaktive og tolererer flere funktionelle grupper. Reformatzky-reaktionen udnytter denne egenskab. Organozinkforbindelser kan fremstilles direkte eller ved transmetallering. I nærværelse af asymmetrisk kompleksdannende hjælpestoffer, hvoraf nogle gange katalytiske mængder er tilstrækkelige, er stereoselektiv addition mulig. Effekten af chiralitetsforstærkning er blevet observeret.

Endelig er halogeneliminering og dehalogenering mulig. Simmons-Smith-reaktionen er en af de sjældnere præparationsmetoder. Organic Syntheses har samlet en lang række synteser, hvor elementært zink anvendes som reagens.

Biologisk betydning af zink

Zink er et essentielt sporstof for stofskiftet. Det indgår i en række enzymer, f.eks. RNA-polymerase og glutathionperoxidase. Den anbefalede daglige dosis af zink er ifølge WHO ca. 15 mg for voksne kvinder og mænd. Et indtag på mere end 100 mg pr. dag anbefales ikke, og ved 200 milligram kan der opstå symptomer som kvalme, opkastning eller diarré. Hos mennesker fører indtagelse af zink fra ca. et gram til akutte forgiftningssymptomer.

Zink udfylder mange forskellige funktioner i kroppen. Det spiller en central rolle i sukker-, fedt- og proteinstofskiftet og er involveret i opbygningen af arvematerialet og cellevækst. Både immunsystemet og mange hormoner har brug for zink for at fungere. Det spiller også en vigtig rolle i sårheling. Sporstoffet kan ikke lagres i kroppen og skal tilføres regelmæssigt udefra. På grund af dårlige spisevaner er zinkmangel ikke ualmindeligt, selv i vestlige lande, især hos unge, der har brug for særligt meget zink på grund af vækst.

En undersøgelse, der blev præsenteret på en konference i det amerikanske selskab for ernæringsvidenskab i San Diego i 2005, tyder på, at børn, der får tilstrækkeligt zink dagligt (20 mg), oplever en betydelig forbedring af deres mentale ydeevne. Zink forbedrede den visuelle hukommelse, præstationerne i en ordfindelsestest og koncentrationsevnen.

Zinkmangel fører til nedsat funktion af kønsorganerne, vækstforstyrrelser og blodmangel.

Følgende fødevarer er gode zinkkilder:

• Rødt kød
• Fisk og skaldyr
• Komælk og mejeriprodukter
• Fuldkornsprodukter, især surdejsbrød
• Hvedekim (hvede)
• Oliefrø (f.eks. sesam, valmue, græskarkerner, solsikkekerner)
• Jordnødder, valnødder og pekannødder
• Svampe og gær
• Linser

For nogle dyrearter er selv et kontinuerligt indtag af små mængder risikabelt. For papegøjer indebærer et regelmæssigt indtag af zink risiko for kronisk zinkforgiftning. Bure og volierer til papegøjer må derfor ikke være galvaniserede, heller ikke under en pulverlakering, da fuglene holder fast med næbbet, når de klatrer, og derved konstant indtager zink.

Ofte stillede spørgsmål om zinkproduktion

Hvordan udvindes rent zink?

Rent zink udvindes typisk gennem elektrolyse eller ved fraktioneret destillation af råzink efter den tørre metode.

Hvad er zink?

Zink er et kemisk element med symbolet Zn og atomnummer 30. Det er et blåligt-hvidt metal med god korrosionsbestandighed og formbarhed.

Hvad bruges zink til?

Zink bruges i byggeriet til korrosionsbeskyttelse, i bilindustrien, elektronikindustrien (batterier), til zinktrykstøbning og meget mere.

Hvor findes zink i naturen?

Zink findes i jordskorpen i mineraler som sphalerit, wurtzit og smithsonit. Det er udbredt i vand, luft, jord og sten.

Er zink vigtigt for mennesker?

Ja, zink er et essentielt sporstof for mennesker og er involveret i mange biologiske processer, herunder stofskifte, immunsystem og cellevækst.

Sammenfattende er zinkproduktion en kompleks proces med en rig historie og en bred vifte af anvendelser. Fra minedrift til raffinering spiller zink en afgørende rolle i mange aspekter af vores moderne liv, fra byggeindustrien til menneskers sundhed. Forståelsen af zinkproduktionens metoder og egenskaber giver os et vigtigt indblik i et af de mest alsidige og essentielle metaller i verden.