环境中的锌

介绍

锌是一种较轻的灰色金属,相对容易提取。锌的密度为4,7 g/cm3。锌自然存在于环境中,是地壳中含量最高的第24种元素。锌的平均浓度计算为70 mg/kg。在矿场,锌以闪锌矿(锌的硫化物)的形式被发现。

当锌暴露在潮湿的空气中,表面会形成一层氢氧根和碳酸盐的薄膜。该膜在水中的溶解度低,可以保护锌免受进一步腐蚀。如果大气中存在大量的二氧化硫,则会在其表面形成硫酸锌。硫酸锌在水中的溶解度更高,更容易被冲走,所以新鲜的锌表面暴露在腐蚀中。但是,在过去20年里,欧洲和北欧国家的大气二氧化硫水平已大大下降,今天测量的浓度非常低。

锌在生物

锌参与许多生命反应,如磷代谢、核酸代谢、蛋白质和DNA合成、解毒反应等。在高等动物和人类中,锌对重要的大脑功能、免疫系统和生殖都很重要。在有机物存在的情况下,锌离子会与氨基酸和蛋白质形成复合物。这种对生物分子的亲和性是锌作为所有类型的生物必需的微量营养素发挥重要作用的原因。目前已知有300种不同的酶,锌在其中发挥催化、结构或控制作用。

人类每天需要12-15毫克的锌来维持必要的生物功能和避免缺锌。这意味着,例如在瑞典,居民每年消耗大约50吨锌。不幸的是,世界上有很多人患有缺锌症,这对儿童来说会导致腹泻、发育不良和其他问题。锌还被用于创面霜、身体乳液、婴儿爽身粉、药品、防晒油等。

对植物来说,缺锌导致生长显著下降。为了抵消这一影响,成千上万吨的锌被作为肥料添加到农田中。例如,在动物饲养中,乳猪的食物中含有锌,以增强免疫防御、生长和皮肤状况。仅为了这个目的,瑞典每年就要消耗大约70吨锌。

大多数评估化学物质环境危害的系统都将该物质的生物积累潜力作为中心标准。这通常表示为物质的生物浓度因子(BCF),并通过将水生生物暴露于所述物质的水溶液中进行实验确定。例如,根据欧盟指令(26),如果BCF值> 100,则认为该物质具有很高的生物积累潜力,可视为对环境有害。

对于一些物质,如基本金属,其在生物体内的吸收和积累是由复杂的调节系统控制的,BCF的使用对于环境危害评估的相关性非常有限。当观察到锌等必需金属的实验测定的BCF值根据生物积累实验的进行方式有很大的变化时,这一点就变得很明显。试验生物暴露在低锌浓度的水中,吸收和积累更多的锌以满足其锌需求,导致较高的BCF值(26)。
•一系列的软体动物实验表明,锌的供应量变化从600年到55000年,1100年和9000年之间的共同的海洋贻贝和腹足类动物物种8天以后的接触锌,尽管身体组织中锌含量只不同的2倍。

•对于一种外壳,锌的BCFs在接触锌8天后变化在1100到9000之间,尽管事实上外壳中的锌含量只变化了2倍。


领域的应用

因此,在应用监管标准时,考虑锌作为一种基本元素的作用是很重要的。

锌的主要应用是以涂层的形式或作为油漆、黄铜或其他锌合金中的金属粉末的形式对钢进行腐蚀保护。锌化学品被用于许多不同的领域,如药品、乳霜、木材保护化学品、催化剂、人类和动物的食物营养素、橡胶添加剂等。氧化锌是橡胶生产、皮肤保护和伤口膏中最常见的添加剂。

在北欧国家,70%的锌用于防腐。该体积的主要部分用于钢板镀锌和建筑。瑞典每年的锌消费量为3.5万吨,其中大部分是从挪威或芬兰进口的。


生产和能源消耗

锌主要产自闪锌矿,闪锌矿经破碎、浓缩、焙烧后溶解于电解液中。例如,从炼钢粉尘和其他原材料中回收的锌直接溶解在电解液中。用电流把锌从溶液中分离出来。金属锌沉淀在铝阴极板上。然后从溶液中取出阴极并用新的阴极替换。从铝板上剥离锌,熔炼后铸成钢锭。在这一过程的所有阶段完成后,锌就是一个成品和可销售的产品。用于热镀锌的锌的纯度为99.995%。剩下的0.005%主要由铁组成。

瑞典环境保护署计算了锌初级生产期间的相对能源需求,得出的结论是,按重量和体积百分比计算,除铁外,锌的能源消耗是所有贱金属中最低的。据一家锌生产公司称,每吨锌的能耗为12- 13gj。从镀锌钢板中回收锌只消耗上述能源的5%。因此,在保护环境资源方面,锌比其他贱金属具有很大的优势。


回收

在热镀锌过程中,会产生一些工艺废料,或者说是二次原料,所有的锌都可以回收利用。

在世界每年锌需求总量中,约35%是由回收锌来满足的。锌的循环寿命平均为30至40年,这意味着几乎80%的可用锌被回收利用。使用过的化学药品中的锌和从涂层钢中慢慢风化的少量锌是不能回收的。这与锌颜料通过油漆降解而损失的情况相同。

锌可以无限地回收而不变质。这意味着锌很适合可持续发展的社会。通过保护钢铁几十年不受腐蚀,减少了钢铁、能源、运输和主要是二氧化碳的排放。

几乎80%的锌被回收利用。

锌的排放

一个点光源

排放主要有两种——对空气的排放和对水的排放。在瑞典,向水中排放的锌主要来自点源,特别是废物和林业工业。锌排放到空气中的主要部分是由没有过滤器的废钢加工过程,以及柴火和泥炭产生的。表面处理行业拥有非常有效的清洁设备,瑞典的锌(2002年)年排放量只有2吨。如今,瑞典一家大型热镀锌厂的锌年排放量约为20-25公斤,比瑞典环境保护局规定的限量低四倍。

b)扩散排放

锌的扩散排放主要来自腐蚀、交通磨损(轮胎、沥青、制动衬片)和家庭排水。还有很大一部分来自大气沉降,这是由其他国家的排放造成的。在过去的10年里,扩散排放减少了40%。

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