كربونات الزنك: تحليل الخصائص والتحضير والتطبيقات متعددة المجالات

كربونات الزنك هي مركب كربونات مهم لعنصر الزنك، وصيغتها الكيميائية ZnCO₃. بوصفها مادة خام كيميائية غير عضوية رئيسية، توجد بكثرة في الطبيعة وتُستخدم في العديد من المجالات الصناعية. وكثيرًا ما يُذكر هذا المركب بالاقتران مع كربونات الزنك الأساسية (الصيغة الكيميائية 2ZnCO₃·3Zn(OH)₂·H₂O). ويُشار إلى المركب الأخير غالبًا باسم «كربونات الزنك» في الإنتاج الصناعي. وهذان المركبان مرتبطان لكنهما مختلفان في الخواص والاستخدامات.
1. الخصائص النفسية الأساسية

1. الخصائص الفيزيائية

كربونات الزنك مادة صلبة بيضاء مسحوقة، عديمة الرائحة والطعم. تنتمي بنيتها البلورية إلى النظام البلوري الثلاثي. في حالتها الطبيعية، توجد بشكل رئيسي على شكل سميثسونيت. كثافتها 4.3476 غرام/سم³. وهي شبه غير قابلة للذوبان في الماء (الذوبانية فقط 4.692×10⁻⁵ غرام) وفي الكحوليات تحت الظروف القياسية. وهي قابلة للذوبان بشكل طفيف في الأمونيا السائلة، وقابلة للذوبان في الأحماض المخففة وفي محلول هيدروكسيد الصوديوم المائي. هذه الخاصية من الذوبانية توفر أساسًا مهمًا لتحضيرها وتطبيقها.

2. الخصائص الكيميائية

كربونات الزنك غير مستقرة وتتحلل بسهولة عند التسخين. وعندما تصل درجة الحرارة إلى 300°C، فإنها ستتحلل إلى أكسيد الزنك وثاني أكسيد الكربون. هذه التفاعل هو إحدى الطرق المهمة لتحضير أكسيد الزنك في الصناعة. معادلة التفاعل هي كما يلي:

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

بالإضافة إلى ذلك، يمكن لكربونات الزنك أن تخضع لتفاعلات استبدال متبادل مع الأحماض لتنتج أملاح الزنك المقابلة وثاني أكسيد الكربون والماء، كما يمكنها التفاعل مع محاليل القلويات وأملاح الأمونيوم. تتيح هذه الخاصية لها التحكم بمرونة في عملية التفاعل في سياقات التنقية والتطبيق.

2. عملية التحضير

ينقسم إعداد كربونات الزنك بشكل رئيسي إلى فئتين: التعدين الطبيعي والتخليق الاصطناعي. ومن بينهما، يعتمد الإنتاج الصناعي بكميات كبيرة بشكل رئيسي على التخليق الكيميائي. وتشمل العمليات الأساسية طريقة التبادل الأيوني، وطريقة الترشيح بالحمض، وغيرها، ومعظم هذه العمليات تُنتج كربونات الزنك القاعدية كمنتج مستهدف.

1. التعدين الطبيعي

يُحصل على كربونات الزنك الطبيعية عن طريق تعدين معدن السميثسونيت. وبعد التكسير والطحن والتنقية وعمليات أخرى، يمكن الحصول على منتجات من الدرجة الصناعية أو من درجة الكواشف. ومع ذلك، وبسبب القيود المفروضة على توزيع الموارد المعدنية (التي تتركز بشكل رئيسي في منغوليا الداخلية ويونان وأماكن أخرى) وتراجع درجة الخامات، أخذ التعدين الطبيعي يفسح المجال تدريجيًا للتخليق الاصطناعي.

2. طريقة التوليف الاصطناعي

طريقة التبادل الموضعي: هذه هي عملية الإنتاج السائدة الأكثر شيوعًا. تُتفاعل المواد الخام المحتوية على الزنك (أكسيد الزنك، خبث الزنك، وغيرها) مع حمض الكبريتيك لتوليد محلول خام من كبريتات الزنك. بعد عمليات إزالة الثانوية للشوائب مثل أكسدة برمنجنات البوتاسيوم واستبدال مسحوق الزنك، تُزال الشوائب مثل الحديد والمنغنيز والنحاس والنيكل للحصول على محلول نقي من كبريتات الزنك. بعد ذلك، يتفاعل المحلول مع محلول كربونات الصوديوم ضمن ظروف متحكم بها من درجة الحرارة (45-50 درجة مئوية) ودرجة الحموضة (تبلغ نقطة النهاية حوالي 6.4)، مما يؤدي إلى ترسيب كربونات الزنك القاعدية. وبعد الترشيح والتجفيف والطحن الدقيق والغربلة، يتم الحصول على المنتج النهائي. وتُعبَّر معادلة التفاعل كما يلي:

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

يمكن اختيار المادة المترسبة وفقًا للاحتياجات أثناء الإنتاج: يمتاز كربونات الصوديوم بتفاعل مستقر ومعدل عالٍ لترسيب الزنك، وهو مناسب لتحضير المنتجات النهائية من كربونات الزنك القاعدية؛ أما بيكربونات الأمونيوم فتتميز بانخفاض تكلفتها ويمكن الحصول على أكسيد زنك نشط عالي الجودة بعد التحميص، إلا أن نظام التفاعل يصعب التحكم فيه ومعدل ترسيب الزنك منخفض.

طرق أخرى: يمكن أيضًا إنتاجه من خلال الترشيح بالأمونيا وعمليات أخرى، ويمكن تعديل العملية وفقًا لطريقة إذابة المادة الخام ونوع المُرسب لتلائم مختلف توافرات المواد الخام ومتطلبات نقاء المنتج.

3. مجالات التطبيق الرئيسية

يلعب كربونات الزنك وكربونات الزنك القاعدية دورًا مهمًا في المطاط والطب والأعلاف والصناعة الكيميائية ومجالات أخرى بفضل خصائصهما الفريدة. لكل سيناريو تطبيقي تركيزه الخاص.

1. صناعة المطاط

يمكن استخدام كربونات الزنك كمسرّع للتفلكن لتسريع عملية تفلكن المطاط وتحسين قوة المنتج ومقاومته للتآكل؛ وتُعدّ كربونات الزنك القاعدية أكثر ملاءمة كعامل نشط وعامل تعزيز، خاصة في منتجات المطاط الشفافة، إذ يمكنها أن تأخذ بعين الاعتبار كلاً من كفاءة التفلكن وشفافية المنتج، وهي مادة خام أساسية لإنتاج المطاط الشفاف.

2. مجالات الأدوية والكيماويات اليومية

في الطب، يُعد كربونات الزنك المكون الأساسي لمستحضر الكالامين. له تأثيرات قابضة ومضادة للحكة، ويمكن استخدامه لعلاج حكة الجلد والأكزيما وحالات أخرى. كما يمكن استخدامه كمادة حامية للبشرة، ويُدخل في منتجات كيميائية يومية مثل بودرة التلك وكريمات البشرة للعناية اللطيفة بالجلد.

3. الأعلاف والزراعة

باعتباره مضافًا غذائيًا عالي الجودة مصدرًا للزنك، يمكن لكاربونات الزنك أن تكمّل عنصر الزنك النزري الضروري لنمو الحيوانات، وتعزيز نموها وتطورها، وتحسين استفادة العلف ومناعة الجسم، ويُستخدم على نطاق واسع في تربية الماشية والدواجن.

4. الصناعة الكيميائية ومجال المواد الجديدة

في صناعة الأسمدة، يمكن استخدامه كمُنَقِّي للكبريت لإزالة الكبريتيد من الغاز؛ وفي حفر الآبار النفطية، يمكنه التفاعل مع غاز H₂S لتوليد كبريتيد الزنك ZnS غير القابل للذوبان والمستقر، مما يقضي بفعالية على تلوث وتأكل غاز H₂S دون التأثير على أداء الطين. بالإضافة إلى ذلك، نما الطلب على كربونات الزنك عالية النقاء في مجالات رفيعة المستوى مثل مواد بطاريات الطاقة الجديدة وتغليف أشباه الموصلات بشكل سريع، لتصبح نقطة نمو جديدة لهذه الصناعة.

5. مجالات أخرى

في صناعة السيراميك، يمكن استخدامه كطبقة تزجيج وملحقات للون لتحسين لون السيراميك ولمعانه؛ وفي صناعة رغوة إيفا، يمكن أن يجعل الرغوة أكثر انتظامًا ويقلل من تأثير عوامل الرغوة؛ كما يمكن استخدامه في إنتاج الرايون وحاملات المحفزات وغيرها.

4. حالة واتجاهات تطور الصناعة

تُعدّ الصين أكبر منتج ومستهلك لكربيد الزنك في العالم، وتمرّ الصناعة حاليًا بمرحلة تحول هيكلي وتنمية عالية الجودة. سيصل الاستهلاك الظاهر لكربيد الزنك في البلاد إلى 286,000 طن في عام 2024، ومن المتوقع أن يحافظ على معدل نمو سنوي مركب متوسط قدره 5.8% من عام 2025 إلى عام 2030. وتأتي القوة الدافعة الأساسية من توسع الطلب في المجالات عالية المستوى مثل الطاقة الجديدة والمواد الإلكترونية.

تُظهر هيكلية الصناعة خصائص «التركيز في القمة والتفاوت التكنولوجي»: حيث تستحوذ الشركات الـ12 الرائدة على 68.3% من الطاقة الإنتاجية. تطغى طريقة الترسيب على إنتاج كربونات الزنك عالية النقاء (نقاوة ≥ 99.7%) لتلبية الطلب عالي المستوى؛ بينما يركّز قانون التفاعل في الحالة الصلبة على الأسواق المتوسطة والمنخفضة. ونظراً للقيود المفروضة بفعل سياسات حماية البيئة، لا تزال القدرات الإنتاجية المتقادمة تُستبعد تدريجياً، ويستمر متوسط استهلاك الطاقة في الصناعة في الانخفاض. وفي الوقت نفسه، ارتفعت نسبة إعادة تدوير موارد الزنك المعاد تدويرها إلى 22%، بما يتماشى مع متطلبات استراتيجية «الكربون المزدوج».

في المستقبل، ستركز الصناعة على المسار الرئيسي للتحول المزدوج «الأخضر + الرقمي»، مع التركيز على إحداث طفرات في تقنيات التنقية عالية النقاء وتحسين نظام استغلال الموارد المتجددة. هناك مجال واسع لاستبدال الواردات بكربيد الزنك عالي النقاء، والشركات التي تمتلك القدرة على دمج سلسلة الصناعة بأكملها وتقنيات التحضير عالية المستوى ستتبوأ مكانة مهيمنة.

5. التشغيل والتخزين الآمنان

إن كربونات الزنك نفسها أقل خطورة، إذ تبلغ درجة الخطر وفق نظام NFPA 704: 0-1-0، لكنها لا تزال تتطلب عمليات معيارية: يجب أن يكون المشغّلون مدربين تدريبًا احترافيًا، وأن يعملوا في بيئة جيدة التهوية، وأن يتجنبوا استنشاق الغبار والاحتكاك بالجلد والعينين؛ كما عليهم الابتعاد عن النار ومصادر الحرارة، واستخدام معدات تهوية مقاومة للانفجار، وتجنب الاتصال بالمؤكسدات.

عند التخزين، يجب إغلاقه جيدًا ووضعه في مستودع جاف وجيد التهوية، بعيدًا عن المواد القابلة للأكسدة والحمضية بسهولة، لمنع الرطوبة والتكتل. وفي حال حدوث استنشاق أو ابتلاع عرضي، يجب اتخاذ إجراءات الإسعاف الأولي فورًا. ويجب نقل من يستنشق الغبار إلى مكان به هواء نقي. أما من ابتلعه بالخطأ، فيمكن تخفيفه بالماء أو الحليب والبحث عن العناية الطبية.

باختصار، يُعد كربونات الزنك، بوصفه مركبًا غير عضوي يتمتع بكل من الخصائص الطبيعية والقيمة الاصطناعية، ضروريًا في الصناعات التقليدية. وفي الوقت نفسه، يظهر إمكانات تطوير قوية في مجال المواد الجديدة عالية المستوى. وسيواصل تطويره الصناعي وابتكاره التكنولوجي المساهمة في تحقيق تنمية عالية الجودة في العديد من المجالات.