مسحوق الزنك: الخصائص والتطبيقات والتطوير الصناعي لمساحيق المعادن عالية النشاط

مسحوق الزنك (Zn) هو مسحوق فلزي رمادي فاتح إلى رمادي داكن، صيغته الجزيئية Zn، ورقمه في سجل CAS 7440-66-6، وكتلته المولية 65.39 غ/مول. بوصفه مادة مسحوقة شديدة النشاط، فإنه غير قابل للذوبان في الماء، لكنه يذوب بسهولة في الأحماض غير العضوية والقلويات. وبفضل خصائصه الممتازة في الاختزال والتوصيل والمقاومة للتآكل، يلعب دورًا رئيسيًا في الطلاءات المقاومة للتآكل، والتخليق الكيميائي، وصناعة البطاريات، ومجالات أخرى. وهو مادة خام معدنية مهمة تربط بين الصناعات الأساسية والتصنيع عالي المستوى. فمن الحماية ضد الصدأ في الصناعات التقليدية إلى التحديثات الوظيفية في مجال الطاقة الجديدة، لا تزال القيمة الصناعية لمسحوق الزنك ترتفع مع التكرار التكنولوجي.
1. الخصائص النفسية الأساسية: خصائص الأداء المسيطر عليها النشاط

تستمد الأداء الأساسي لمسحوق الزنك من التأثير التآزري بين خصائصه المعدنية وشكله المسحوق. فالخصائص الفيزيائية والنشاط الكيميائي يعزز كل منهما الآخر، مما يحدد حدود تطبيقاته ومتطلبات السلامة الخاصة به. من حيث الخصائص الفيزيائية، تبلغ الكثافة النسبية لمسحوق الزنك 7.14، ودرجة انصهاره 420 درجة مئوية، ودرجة غليانه 907 درجة مئوية. ويمكن أن يتراوح حجم الجسيمات من مستوى الميكرون إلى مستوى النانومتر. وكلما صغر حجم الجسيمات، زادت مساحة السطح النوعية، وازداد النشاط الكيميائي قوةً. وتتغير مؤشرات مثل سيولة المسحوق وكثافة الضغط مع شكل الجسيمات (كروية، رقائقية، إبرية). ومن بينها، يتمتع مسحوق الزنك الكروي بسيولة ممتازة، في حين أن مسحوق الزنك الرقائقي أكثر ملاءمة لاحتياجات التغطية والتخفي).

من الناحية الكيميائية، تُعدّ الخصيصة الأبرز لمسحوق الزنك هي خاصيته القوية كعامل اختزال، إذ يمكنه التفاعل مع الأحماض والقواعد لإطلاق غاز الهيدروجين. يُستخدم غالبًا كعامل اختزال في التخليق العضوي، مثل اختزال صبغة الأنديغو في صناعة الطباعة والصباغة، وتحقيق التبييض وإزالة اللون في الصناعات النفطية. في درجة حرارة الغرفة، يتأكسد مسحوق الزنك بسهولة بواسطة الأكسجين في الهواء ليكوّن طبقة أكسيد. وعندما يتعرض للرطوبة، يتفاعل ببطء مع الماء مولدًا درجات حرارة مرتفعة، مما يزيد من تدهور نشاطه. يجب الانتباه بشكل خاص إلى أنه عندما تصل ذرات مسحوق الزنك المتطايرة إلى تركيز معين في الهواء، فإنها قد تؤدي إلى احتراق أو انفجار غباري عند تعرضها لأعمال اللهب المكشوفة، وتُصدر لهبًا أزرق أثناء الاحتراق. هذه الخاصية تفرض متطلبات أمان صارمة على تخزينه ونقله.

2. عملية التحضير: الترقية التكنولوجية من المستوى الكبير إلى الدقيق

تُكرَّر عملية تحضير مسحوق الزنك حول الأهداف الأساسية الثلاثة المتمثلة في «التحكم في حجم الجسيمات، وتحسين الشكل، وتعزيز النقاء»، مما يشكل نظامين تقنيين رئيسيين: الإنتاج الصناعي بكميات كبيرة والتصنيع الفاخر المخصص. وتتكيف منتجات العمليات المختلفة مع سيناريوهات تطبيقية متمايزة، وقد تمكنت الشركات الرائدة في القطاع من استبدال الواردات بالمنتجات عالية الجودة.

(1) عمليات التحضير الصناعية السائدة

1. طريقة التذرّي: باستخدام سبائك الزنك عالية النقاء كمواد خام، يتم صهر الزنك ثم تذرّيه وتفتيته بواسطة غاز عالي الضغط (هواء أو نيتروجين) أو تدفق مائي، ويُحصل على مسحوق الزنك بعد التبريد والتصنيف والتجفيف. تسمح هذه العملية بالتحكم الدقيق في شكل الجسيمات، وتنتج نسبة مرتفعة من مسحوق الزنك الكروي بدرجة نقاوة تزيد عن 99.5%. وتُعدّ هذه الطريقة حاليًا الطريقة السائدة لتحضير مسحوق الزنك الكروي. ومن خلال التحسينات التكنولوجية، تمكنت الشركات المحلية الرائدة من تحقيق إنتاج ضخم يبلغ 30 ألف طن سنويًا من مسحوق الزنك الكروي لتلبية احتياجات الطلاءات المقاومة للصدأ وصناعة المساحيق المعدنية وغيرها من المجالات.

2. طريقة الاختزال: تُستخدم أكسيد الزنك أو خبث الزنك كمواد خام، ويتم خلطها وتسخينها مع عوامل اختزال مثل الفحم الكوك والأنثراسيت، ثم يتم إجراء الاختزال عند درجات حرارة عالية لتوليد بخار زنك معدني، وبعد ذلك يُبرّد بسرعة ويُخلّص من الحالة الغازية ليتكوّن مسحوق الزنك. تعتمد الشركات في قانسو وأماكن أخرى على موارد مخلفات الزنك وتتبنى تقنية التفاعل المتعدد المراحل المستمر على السطح الفاصل لتحقيق استخلاص فعّال لموارد الزنك في درجات حرارة وضغوط عادية، وتعزيز الاستخدام عالي القيمة للمخلفات. يمكن أن تصل نقاوة المنتج إلى 98%-99%، وهو مناسب للتركيب الكيميائي وإضافات الأعلاف وغيرها من التطبيقات.

3. طريقة التحليل الكهربائي: يتم الحصول على الزنك الإسفنجي من خلال التحليل الكهربائي لمحلول ملح الزنك، ثم يتم الحصول على مسحوق الزنك عن طريق التكسير والطحن والتصنيف. تتميز منتجات هذه العملية بدرجة نقاء عالية (تصل إلى 99.9%) ونشاط قوي، لكن تكلفة الإنتاج مرتفعة. تُستخدم بشكل رئيسي في المجالات التي تتطلب نقاوة صارمة مثل البطاريات الراقية والمواد الإلكترونية.

(2) تقنية تحضير عالية المستوى وراقية

في مجال المختبرات والقدرات الإنتاجية عالية المستوى، تُركّز العمليات الجديدة على تحضير مسحوق الزنك ذي شكل خاص وحجم جزيئي فائق الدقة. يمكن لطريقة الترسيب البخاري إعداد مسحوق زنك نانوي، مما يزيد بشكل كبير من المساحة السطحية النوعية، ويعزز بشكل كبير النشاط الحفزي والتوصيل الكهربائي؛ أما طريقة الطحن الكروي الميكانيكي فتتيح تحسين دقة الجسيمات والتحكم في شكلها من خلال الطحن عالي الطاقة، ويمكنها إعداد مسحوق زنك صفائحي يلبي احتياجات طلاء داكروميت الخالي من الكروم. تمكنت الشركات المحلية من تجاوز العوائق التقنية الأساسية المتعلقة بمسحوق الزنك الصفائحي، وحققت بعض المنتجات الجديدة استبدالًا للواردات، وتُستخدم الآن في مجالات عالية المستوى مثل قطع غيار السيارات والصناعة العسكرية.

3. مجالات تطبيق متنوعة: التمكين الفعّال لسلسلة الصناعة بأكملها

لا يزال الطلب على سوق مسحوق الزنك العالمي في ارتفاع، وتُعدّ بلادي المنتج والمستهلك الرئيسي لهذا المنتج. تغطي هذه المنتجات العديد من المجالات ذات المستوى العالي من النمو، مثل مقاومة التآكل والبطاريات والمواد الكيميائية. شكّل مسحوق الزنك الكروي والرقائقي نمطًا متباينًا من التطبيقات، وتوسعت حجم الصناعة بشكل مطرد مع تنامي الطلب من المستخدمين النهائيين.

(1) مجال الطلاء المقاوم للصدأ: المواد الخام الأساسية للحماية

يُستخدم حوالي 40% من مسحوق الزنك في إنتاج الطلاءات المقاومة للصدأ، وخاصة الطلاءات الغنية بالزنك. يشكّل مسحوق الزنك حمايةً بقطب أنود تضحيةً في الطلاء، والتي تسبق تفاعل أكسدة القاعدة الفولاذية. وفي الوقت نفسه، تملأ منتجات الأكسدة مسام الطلاء وتعزز أداء الحماية. ويُستخدَم على نطاق واسع في المرافق الخارجية مثل الجسور والسفن والهياكل الفولاذية. يتمتع مسحوق الزنك الصفائحي بأداء جيد في طلاءات داكرومت الخالية من الكروم، ويشكّل طبقة واقية كثيفة من خلال التراكم الطبقي. وهو مناسب للمواقف مثل قطع غيار السيارات والمعدات العسكرية التي تتطلّب مستويات عالية من الحماية البيئية والحماية.

(2) مجالات البطاريات وتخزين الطاقة: مواد الأقطاب الكهربائية الرئيسية

مسحوق الزنك هو المادة الأساسية للمصعد في بطاريات الزنك-منغنيز وبطاريات الزنك-هواء. تؤثر نقاوته وحجم جزيئاته بشكل مباشر على سعة البطارية وعمر دورة حياتها. مع تطور صناعة تخزين الطاقة، توسّعت تطبيقات مسحوق الزنك تدريجيًا في بطاريات تخزين الطاقة القائمة على الزنك. يمكن لمسحوق الزنك فائق النقاء عالي النشاط أن يحسّن كفاءة شحن البطارية وتفريغها واستقرارها. في عام 2024، سيواصل سوق مسحوق الزنك في بلدي الخاص ببطاريات الزنك-منغنيز النمو، وسيزداد المعروض من الصناعة بشكل كبير على أساس سنوي، وستصبح منطقة شرق الصين المنطقة الرئيسية المستهلكة.

(3) المجالات الكيميائية والمعدينة: عوامل اختزال فعالة

في التخليق الكيميائي، يُستخدم مسحوق الزنك كعامل اختزال ممتاز لتحضير مسحوق التأمين والمركبات العضوية الوسيطة ومنتجات أخرى. وفي صناعة الطباعة والصباغة، يمكن استخدامه كعامل اختزال لصبغة الأنديغو، وكعامل لمنع تلوين أقمشة الحرير أثناء الطباعة. وفي صناعة الزيوت والدهون، يُستخدم كعامل تبييض وعامل تنقية وإزالة اللون. وفي مجال التعدين، يمكن استخدام مسحوق الزنك في استخلاص المعادن الثمينة وإعداد السبائك. فهو قادر على استعادة الذهب والفضة والعناصر الأخرى الموجودة في الخام من خلال تفاعلات الإحلال. كما يمكن استخدامه كمادة مضافة في علم معادن المساحيق لتحسين الخواص الميكانيكية ومقاومة التآكل للمواد السبائكية.

(4) تطبيقات مميزة أخرى

في مجال الطب، يمكن استخدام مسحوق الزنك لتحضير معجون الزنك والضمادات اللاصقة والمستحضرات الخارجية الأخرى، بالاعتماد على تأثيراته القابضة والواقية للمساعدة في علاج التهابات الجلد؛ وفي صناعة الأعلاف، يُستخدم كمكمل مصدر للزنك في تربية الماشية والدواجن لتعويض العناصر النزرة اللازمة لنمو الحيوانات. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم مسحوق الزنك على نطاق واسع أيضًا في مواد الاحتكاك ومعالجة الفوسفات وغيرها من المجالات. ومن خلال تقنيات تعديل السطح، ما زالت سيناريوهات استخدامه تتوسع باستمرار.

4. اتجاهات السلامة وحماية البيئة والتنمية الصناعية

(1) التخزين الآمن والتحكم في حماية البيئة

باعتباره مادة كيميائية قابلة للاشتعال والانفجار وخطيرة، يتطلب مسحوق الزنك إدارةً ورقابةً سلامةً طوال عملية الإنتاج والتخزين والنقل بأكملها. يجب تجهيز مواقع التخزين بأجهزة كهربائية مقاومة للانفجار، وأجهزة حماية من الصواعق، وأجهزة مضادة للكهرباء الساكنة، وأنظمة إنذار للغازات القابلة للاشتعال، ومرافق طوارئ للتهوية القسرية. يتم تركيب أجهزة تفريغ الكهرباء الساكنة للجسم البشري عند المدخل. يجب تأريض الرفوف والمعدات المعدنية بشكل موثوق، وإبعادها عن المؤكسدات والأحماض لمنع التفاعلات الناجمة عن الرطوبة. يجب أن تُجرى العمليات بواسطة موظفين معتمدين متخصصين في العمليات الخاصة، يرتدون ملابس واقية وأقنعة وقفازات واقية، مع ضمان التهوية الجيدة.

من ناحية حماية البيئة، يتعين على صناعة مسحوق الزنك تعزيز معالجة مياه الصرف والمخلفات الصلبة، كما يجب التحكم في انبعاثات الغازات العادمة خلال عملية التقليل، ويُشجَّع استخدام المواد الخام المتجددة مثل مخلفات الزنك لتحقيق إعادة تدوير الموارد. ويمكن لمنتجات الزنك المهملة استعادة موارد الزنك عبر عمليتي الحرق والتحليل المائي، مما يعزز التحول الأخضر للصناعة ويقلل من خطر تلوث المعادن الثقيلة.

(2) اتجاهات تطور الصناعة

تتطور صناعة مسحوق الزنك نحو التنسيق الراقي والصديق للبيئة والإقليمي. على المستوى التقني، تمكّنت أبحاث وتطوير مسحوق الزنك الصفائحي عالي الجودة من تجاوز الحواجز الأجنبية، ويستمر معدل الاستبدال المحلي في الارتفاع. وقد ازداد الطلب بشكل كبير على مسحوق الزنك فائق النعومة وعالي النقاء في مجالات الطاقة الجديدة والعسكرية. تتركز استثمارات الشركات في البحث والتطوير على التحكم في الشكل وتحسين الأداء، وتتقدم العديد من مشروعات مسحوق الزنك الصفائحي ومساحيق السبائك بخطى ثابتة. وفيما يتعلق بتوزيع القدرات الإنتاجية، تعمل الشركات المحلية على تحسين قدراتها في التوزيع الإقليمي، وتخفيض تكاليف اللوجستيات، وتعزيز تنافسية منتجاتها من خلال تحقيق التآزر بين المناطق الشرقية والوسطى والغربية.

على مستوى السوق، هناك فرق كبير في السعر بين مسحوق الزنك العادي ومسحوق الزنك الراقي، وأصبحت المنتجات ذات القيمة المضافة العالية محور أرباح الشركات. وفي المستقبل، ومع تطور صناعات تخزين الطاقة الجديدة والتصنيع الراقي، سيستمر الطلب على مسحوق الزنك في النمو. وفي الوقت نفسه، وبفضل السياسات البيئية، سيتم تحسين عمليات استهلاك الطاقة المنخفضة وأنظمة إعادة التدوير ذات الدورة المغلقة تدريجيًا لتعزيز التنمية عالية الجودة للصناعة.

من المواد التقليدية المقاومة للتآكل إلى المواد الخام الأساسية في التصنيع الراقي، تواصل مسحوق الزنك تمكين ترقية سلاسل صناعية متنوعة بفضل نشاطه القابل للتحكم وخصائصه الشكلية. وبفضل الدفع المزدوج المتمثل في الابتكار التكنولوجي والتنمية الخضراء، سيظهر هذا المسحوق المعدني عالي النشاط آفاقًا أوسع من التطبيقات في مجالات الطاقة الجديدة والمعدات الراقية وغيرها من المجالات، مما يساعد على تحديث الصناعة والاستخدام الفعّال للموارد.