Mercury

Achtergrond

Kwik is een van de chemische basiselementen. Het is een zwaar, zilverachtig metaal dat bij normale temperaturen vloeibaar is. Kwik vormt gemakkelijk legeringen met andere metalen, en dit maakt het nuttig bij het verwerken van goud en zilver. Een groot deel van de impuls om kwikertsafzettingen in de Verenigde Staten te ontwikkelen, kwam na de ontdekking van goud en zilver in Californië en andere westerse staten in de 19e eeuw. Helaas is kwik ook een zeer giftig materiaal en als gevolg daarvan is het gebruik ervan de afgelopen 20 jaar sterk afgenomen. De belangrijkste toepassingen zijn bij de productie van chloor en natronloog en als onderdeel van veel elektrische apparaten, waaronder fluorescentielampen en kwikdamplampen.

Mercurius is gevonden in Egyptische graven die dateren van ongeveer 1500 v. Chr. , en het werd waarschijnlijk al eerder voor cosmetische en medicinale doeleinden gebruikt. In ongeveer 350 v. Chr. , beschreef de Griekse filosoof en wetenschapper Aristoteles hoe cinnaber-erts werd verhit om kwik te winnen voor religieuze ceremonies. De Romeinen gebruikten kwik voor verschillende doeleinden en gaven het de naam hydrargyrum, wat vloeibaar zilver betekent, waarvan het chemische symbool voor kwik, Hg, is afgeleid.

De vraag naar kwik nam in 1557 enorm toe met de ontwikkeling van een proces waarbij kwik werd gebruikt om zilver uit het erts te halen. De kwikbarometer werd uitgevonden door Torricelli in 1643, gevolgd door de uitvinding van de kwikthermometer door Fahrenheit in 1714. Het eerste gebruik van een kwiklegering, of amalgaam, als tandvulling in de tandheelkunde was in 1828, hoewel bezorgdheid over de giftige aard kwik verhinderde het wijdverbreide gebruik van deze nieuwe techniek. Pas in 1895 begon het experimentele werk van G.V. Black toonde aan dat amalgaamvullingen veilig waren, hoewel wetenschappers 100 jaar later nog steeds over dat punt debatteerden.

Kwik vond zijn weg naar veel producten en industriële toepassingen na 1900. Het werd veel gebruikt in batterijen, verf, explosieven, gloeilampen, lichtschakelaars, geneesmiddelen, fungiciden en pesticiden. Kwik werd ook gebruikt als onderdeel van de processen om papier, vilt, glas en veel kunststoffen te produceren.

In de jaren tachtig begon het toenemende begrip en het bewustzijn van de schadelijke gezondheids- en milieueffecten van kwik veel groter te worden dan de voordelen ervan, en het gebruik begon sterk af te nemen. In 1992 was het gebruik in batterijen gedaald tot minder dan 5% van het niveau in 1988, en het algemene gebruik in elektrische apparaten en gloeilampen was in dezelfde periode met 50% gedaald. Het gebruik van kwik in verven, fungiciden en pesticiden is in de Verenigde Staten verboden en het gebruik ervan in de papier-, vilt- en glasproductieprocessen is vrijwillig stopgezet.

Wereldwijd is de productie van kwik beperkt tot slechts een paar landen met versoepelde milieuwetten. In Spanje, dat tot 1989 de grootste producent ter wereld was, is de winning van kwik volledig stopgezet. In de Verenigde Staten is de kwikwinning ook gestopt, hoewel kleine hoeveelheden kwik worden teruggewonnen als onderdeel van het goudraffinageproces om milieuverontreiniging te voorkomen. China, Rusland (voorheen de USSR), Mexico en Algerije waren in 1992 de grootste producenten van kwik.

Grondstoffen

Mercurius wordt zelden alleen in de natuur gevonden. Het meeste kwik is chemisch gebonden aan andere materialen in de vorm van ertsen. Het meest voorkomende erts is rood kwiksulfide (HgS), ook bekend als cinnaber. Andere kwikertsen zijn corderoiet (Hg ₃ S ₂ Cl ₂ ), livingstonite (HgSb ₄ S ₈ ), montroydiet (HgO) en calomel (HgCl). Er zijn verschillende anderen. Kwikertsen worden ondergronds gevormd wanneer warme minerale oplossingen onder invloed van vulkanische actie naar het aardoppervlak stijgen. Ze zijn meestal te vinden in verwrongen en gebroken rotsen op relatief ondiepe diepten van 3-3000 ft (1-1000 m).

Andere bronnen van kwik zijn de stortplaatsen en afvalhopen van eerdere, minder efficiënte mijnbouw- en verwerkingsactiviteiten.

Het fabricageproces

Het proces om kwik uit zijn ertsen te winnen is niet veel veranderd sinds Aristoteles het meer dan 2300 jaar geleden voor het eerst beschreef. Cinnaber-erts wordt geplet en verwarmd om het kwik als damp vrij te geven. De kwikdamp wordt vervolgens afgekoeld, gecondenseerd en verzameld. Met dit proces kan bijna 95% van het kwikgehalte van cinnaber-erts worden teruggewonnen.

Hier is een typische opeenvolging van bewerkingen die worden gebruikt voor de moderne winning en raffinage van kwik.

Mijnbouw

Cinnaber-erts komt voor in geconcentreerde afzettingen aan of nabij het oppervlak. Ongeveer 90% van deze afzettingen zijn diep genoeg om ondergrondse mijnbouw met tunnels te vereisen. De overige 10% kan worden opgegraven uit open groeven.

• 1 Cinnaber wordt losgemaakt van de omringende rotsen door te boren en te stralen met explosieven of door het gebruik van elektrische apparatuur. Het erts wordt op transportbanden of in vrachtwagens of treinen uit de mijn gehaald.

Roosteren

Omdat cinnaber-erts relatief geconcentreerd is, kan het direct worden verwerkt zonder tussenstappen om afvalmateriaal te verwijderen.

• 2 Het erts wordt eerst gebroken in een of meerdere kegelbrekers. Een kegelbreker bestaat uit een inwendige maalkegel die roteert op een excentrische verticale as in een vaste buitenkegel. Terwijl het erts in de bovenkant van de breker wordt gevoerd, wordt het tussen de twee kegels geperst en in kleinere stukken gebroken.
• 3 Het gemalen erts wordt vervolgens nog kleiner gemalen door een reeks molens. Elke molen bestaat uit een grote cilindrische container die op zijn kant ligt en rond zijn horizontale as draait. De molen kan worden gevuld met korte stukken stalen staven of met stalen kogels om voor de maalwerking te zorgen.
• 4 Het fijngemalen erts wordt in een oven of oven gevoerd om te worden verwarmd. Sommige operaties gebruiken een oven met meerdere haarden, waarin het erts mechanisch langs een verticale schacht van de ene richel of haard naar de volgende wordt verplaatst door langzaam roterende harken. Andere bewerkingen maken gebruik van een draaitrommeloven, waarin het erts over de lengte van een lange, roterende cilinder wordt getuimeld die een paar graden van de horizontale richting helt. In beide gevallen wordt warmte geleverd door aardgas of een andere brandstof in het onderste deel van de oven of oven te verbranden. De verwarmde cinnaber (HgS) reageert met de zuurstof (02) in de lucht om zwaveldioxide te produceren (SO ₂ ), waardoor het kwik als een damp kan opstijgen. Dit proces wordt roosteren genoemd.

Condensatie

• 5 De kwikdamp stijgt op en uit de oven of oven samen met de zwaveldioxide, waterdamp en andere verbrandingsproducten. Ook wordt een aanzienlijke hoeveelheid fijnstof van het verpoederde erts meegevoerd en moet worden afgescheiden en opgevangen.
• 6 De uitlaat van de hete oven gaat door een watergekoelde condensor. Terwijl de uitlaat afkoelt, is het kwik, dat een kookpunt heeft van 357 ° C, het eerste dat condenseert tot een vloeistof, waardoor de andere gassen en dampen worden afgevoerd of verder worden verwerkt om de luchtvervuiling te verminderen .
• 7 Het vloeibare kwik wordt opgevangen. Omdat kwik een zeer hoog soortelijk gewicht heeft, hebben onzuiverheden de neiging naar de oppervlakte te stijgen en een donkere film of schuim te vormen. Deze onzuiverheden worden verwijderd door filtratie, waardoor een vloeibaar kwik overblijft dat ongeveer 99,9% zuiver is. De onzuiverheden worden behandeld met kalk om Om kwik uit de ertsen te winnen, wordt cinnaber-erts geplet en verwarmd om het kwik vrij te maken als een damp. De kwikdamp wordt vervolgens afgekoeld, gecondenseerd en verzameld. scheid en vang eventueel kwik dat mogelijk verbindingen heeft gevormd.

Verfijning

Het meeste commerciële kwik is 99,9% zuiver en kan direct uit het braad- en condensatieproces worden gebruikt. Kwik met een hogere zuiverheid is nodig voor een aantal beperkte toepassingen en moet verder worden verfijnd. Dit ultrazuivere kwik heeft een premium prijs.

• 8 Hogere zuiverheid kan worden verkregen door verschillende raffinagemethoden. Het kwik kan weer mechanisch worden gefilterd en bepaalde onzuiverheden kunnen worden verwijderd door oxidatie met chemicaliën of lucht. In sommige gevallen wordt het kwik geraffineerd door middel van een elektrolytisch proces, waarbij een elektrische stroom door een tank met vloeibaar kwik wordt geleid om de onzuiverheden te verwijderen. De meest gebruikelijke raffinagemethode is drievoudige destillatie, waarbij de temperatuur van het vloeibare kwik voorzichtig wordt verhoogd totdat de onzuiverheden verdampen of het kwik zelf verdampt, waarbij de onzuiverheden achterblijven. Dit distillatieproces wordt drie keer uitgevoerd, waarbij de zuiverheid elke keer toeneemt.

Verzending

• 9 Kwik van commerciële kwaliteit wordt in smeedijzeren of stalen kolven gegoten en verzegeld. Elke kolf bevat 76 lb (34,5 kg) kwik. Kwik met een hogere zuiverheid wordt meestal verzegeld in kleinere glazen of plastic containers voor verzending.

Kwaliteitscontrole

Kwik van commerciële kwaliteit met een zuiverheid van 99,9% wordt eersteklas kwik van maagdelijke kwaliteit genoemd. Ultrapuur kwik wordt meestal geproduceerd door de drievoudige destillatiemethode en wordt drievoudig gedestilleerd kwik genoemd.

Kwaliteitscontrole-inspecties van het roost- en condensatieproces bestaan ​​uit het ter plaatse controleren van het gecondenseerde vloeibare kwik op de aanwezigheid van vreemde metalen, aangezien dit de meest voorkomende verontreinigingen zijn. De aanwezigheid van goud, zilver en onedele metalen wordt gedetecteerd met behulp van verschillende chemische testmethoden.

Drievoudig gedestilleerd kwik wordt getest door verdamping of spectrografische analyse. Bij de verdampingsmethode wordt een kwikmonster verdampt en wordt het residu gewogen. Bij de spectrografische analysemethode wordt een kwikmonster verdampt en het residu wordt gemengd met grafiet. Licht dat uit het resulterende mengsel komt, wordt bekeken met een spectrometer, die het licht scheidt in verschillende kleurbanden, afhankelijk van de aanwezige chemische elementen.

Gezondheids- en milieueffecten

Kwik is zeer giftig voor de mens. Blootstelling kan plaatsvinden door inademing, inslikken of absorptie via de huid. Van de drie is het inademen van kwikdamp het gevaarlijkst. Kortdurende blootstelling aan kwikdamp kan binnen enkele uren zwakte, koude rillingen, misselijkheid, braken, diarree en andere symptomen veroorzaken. Herstel is meestal voltooid zodra het slachtoffer van de bron is verwijderd. Langdurige blootstelling aan kwikdamp veroorzaakt beven, prikkelbaarheid, slapeloosheid, verwardheid, overmatige speekselvloed en andere slopende effecten.

In normale situaties is de meeste blootstelling aan kwik het gevolg van de inname van bepaalde voedingsmiddelen, zoals vis, waarin het kwik zich in hoge concentraties heeft opgehoopt. Hoewel kwik niet in grote hoeveelheden wordt geabsorbeerd wanneer het door het menselijke spijsverteringsstelsel gaat, is aangetoond dat inname over een lange periode cumulatieve effecten heeft.

In industriële situaties is blootstelling aan kwik een veel ernstiger gevaar. De winning en verwerking van kwikerts kan werknemers blootstellen aan kwikdamp en direct contact met de huid. De productie van chloor en bijtende soda kan ook aanzienlijke gevaren voor blootstelling aan kwik veroorzaken. Tandartsen en tandartsassistenten kunnen worden blootgesteld aan kwik tijdens het voorbereiden en plaatsen van kwikamalgaamvullingen.

Omdat kwik een ernstig gevaar voor de gezondheid vormt, zijn het gebruik en de lozing ervan in het milieu onder steeds strengere beperkingen komen te staan. In 1988 werd geschat dat als gevolg van menselijke activiteiten 24 miljoen lb/jr (11 miljoen kglyr) kwik wereldwijd in de lucht, het land en het water terechtkwam. Dit omvatte kwik dat vrijkwam bij de winning en raffinage van kwik, verschillende productieactiviteiten, de verbranding van steenkool, het weggooien van gemeentelijk afval en rioolslib en andere bronnen.

In de Verenigde Staten heeft de Environmental Protection Agency (EPA) het gebruik van kwik voor veel toepassingen verboden. De EPA heeft zich ten doel gesteld het kwikgehalte in gemeentelijk afval te verminderen van 1,4 miljoen Ib/jr (0,64 miljoen kg/jr) in 1989 tot 0,35 miljoen lb/jr (0,16 miljoen kg/jr) in 2000. Dit is om worden bereikt door het gebruik van kwik in producten te verminderen en het gebruik van kwik uit gemeentelijk afval te vergroten door middel van recycling.

De Toekomst

Kwik is nog steeds een belangrijk onderdeel van veel producten en processen, hoewel het gebruik ervan naar verwachting verder zal afnemen. Verbeterde behandeling en recycling van kwik zal naar verwachting de uitstoot in het milieu aanzienlijk verminderen en daardoor het gevaar voor de gezondheid verminderen.