Kwik: Toepassingen, Productie en Milieueffecten

Achtergrond

Kwik (Hg) is een zwaar, zilverwit vloeibaar metaal dat sinds oudheid gebruikt wordt om zijn unieke eigenschappen. Historisch gewaardeerd voor legeren met goud en zilver, breidde de rol uit tijdens de 19e-eeuwse Californische Goudkoorts, toen kwikerts uitvoerlijk ontgonnen werden. Vandaag zijn kwiktoepassingen grotendeels beperkt tot chloor en natronloogproductie, alsook selectieve elektrische toestellen zoals fluorescerende lampen en kwikdamp-lampen.

Archeologische bewijzen tonen kwik in Egyptische graven rond 1500 v.Chr., waarschijnlijk voor cosmetische of medicinale gebruik. De Griekse filosoof Aristoteles beschreef cinnabarverwerking in 350 v.Chr., en de Romeinen bedachten de term "hydrargyrum" (vloeibaar zilver), de oorsprong van het chemische symbool Hg.

In de 16e eeuw werd kwik gebruikt om zilver uit erts te extraheren, en in 1643 introduceerde Torricelli de kwikbarometer. Opvolgende uitvindingen omvatten de kwikthermometer (Fahrenheit, 1714) en, in 1828, de eerste tandheelkundige amalgamtandvullingen - hoewel toxiciteitszorgen adoptie beperkten tot 1895 toen G.V. Black veiligheid aantoonde.

Door de 20e eeuw verschenen kwik in batterijen, verf, explosieven, gloeilampen, farmaceutica, fungiciden, pesticiden en diverse productieprocessen (papier, vilt, glas, kunststoffen). In de jaren 1980 droeg groeiende bewustwording van kwik's gezondheids- en milieurisico's bij aan een steile daling in gebruik. In de VS daalde batterijgebruik tot <5% van 1988-niveaus in 1992, en elektrisch apparaatgebruik daalde met 50% in dezelfde periode. Verf, fungiciden en pesticiden zijn landelijk verboden, terwijl kwikgebruik in papier, vilt en glasproductie vrijwillig is gestaakt.

Wereldwijde productie is nu beperkt tot een handvol landen met minder strikte milieuregels. Spanje stopte met mijnbouw in 1989; de VS heeft ook primaire mijnbouw gestopt, hoewel kleine hoeveelheden hersteld worden tijdens goudraffinage om besmetting te verminderen. In 1992 waren China, Rusland (voorheen USSR), Mexico en Algerije de leidende producenten.

Grondstoffen

Kwik wordt zelden in elementaire vorm aangetroffen; het wordt bijna altijd uit ertsen geëxtraheerd. De meest voorkomende erts is cinnabar (HgS), maar andere mineralen zijn corderoiet (Hg₃S₂Cl₂), livingstoniet (HgSb₄S₈), montroydiet (HgO) en calomel (HgCl). Deze ertsen vormen ondergronds als mineraal-rijke oplossingen naar het oppervlak stijgen, vaak in gefaalde en gefractureerde rots op diepten tussen 1 m en 1000 m.

Historische mijnlocaties en afvalstoffen van oudere, minder efficiënte operaties leveren ook secundaire kwikbronnen op.

Het Productieproces

Extractie is essentieel ongewijzigd gebleven sinds Aristoteles' tijd. Cinnabarerts wordt verbroken, verhit, en de vrijgekomen kwikdamp wordt afgekoeld en gecondenseerd. Bijna 95% van de kwik kan met deze methode hersteld worden.

Mijnbouw

Cinnabarvoorraden liggen doorgaans vlak bij het oppervlak; ongeveer 90% vereist ondergrondse mijnbouw via tunnels, terwijl 10% via open-groef methoden geëxtraheerd kan worden.

• 1. Erts wordt losgemaakt door boren en ontploffen of door krachtapparatuur, en getransporteerd via transporterbanden, vrachtwagens of treinen.

Rosten

Vanwege hoge concentratie kan cinnabar direct verwerkt worden. De erts ondergaat breken en malen tot een fijn poeder, dan in een oven of rotatie-oven verhit. Verbranding van aardgas of andere brandstoffen levert warmte, en de erts reageert met atmosferische zuurstof om zwaveldioxide vrij te geven, terwijl kwikdamp opstijgt.

• 2. Breken: Een kegelbreker verkleint ertsgrootte.
• 3. Malen: Verdere groottevermindering met staalstaaf- of balletjesmalen.
• 4. Verhitten: Oven of rotatie-oven past warmte toe; kwikdamp wordt gegenereerd.

Condenseren

• 5. De hete uitlaat, bevattende kwikdamp, zwaveldioxide, waterdamp en fijn stof, passeert een water-gekoelde condenser.
• 6. Kwik condenseert eerst (kookpunt 675 °F/357 °C), scheidend van gassen die geventileerd of behandeld worden.
• 7. Vloeibare kwik wordt verzameld; de hoge dichtheid zorgt dat onzuiverheden als donkere schuim drijven, wat weggefilterd wordt. De resulterende kwik is ~99,9% zuiver.

Verfijnen

Commerciële-kwaliteit kwik is doorgaans 99,9% zuiver en klaar voor gebruik. Voor toepassingen die hogere zuiverheid vereisen, wordt verdere verfijning toegepast - mechanische filtratie, chemische oxidatie, of elektrolytische zuivering. De meest voorkomende methode is driedubbele distillatie, die progressief residuaire onzuiverheden verwijdert en ultrazuivere kwik oplevert.

Verzenden

• 9. Commerciële kwik wordt verzegeld in gesmede ijzeren of stalen flessen (76 lb/34,5 kg elk). Ultrazuivere kwik wordt verpakt in kleinere glas of plastic containers voor verzending.

Kwaliteitscontrole

Prime virgin-kwaliteit kwik (99,9% zuiverheid) wordt geverifieerd door spotchecks op vreemde metalen zoals goud, zilver en basismetalen. Ultrazuivere kwik ondergaat driedubbele distillatie, gevolgd door verdamping of spectrografische analyse om afwezigheid van contaminanten te bevestigen.

Gezondheids- en Milieueffecten

Kwik is een krachtig gif. Blootstellingsroutes omvatten inademing, ingestie en dermale absorptie, met inademing van damp het meest gevaarlijk. Korte-termijn dampblootstelling kan zwakte, rillingen, misselijkheid, overgeven en diarree veroorzaken; langdurige blootstelling leidt tot trillingen, irritabiliteit, insomnie, verwarring en overmatige speekselvorming.

In typische diëten komt kwik voornamelijk via visconsumptie binnen, waar bio-accumulatie plaatsvindt. Hoewel gastro-intestinale absorptie beperkt is, kan chronische ingestie cumulatieve effecten hebben.

Industriële blootstelling - met name in mijnbouw, ertsverwerking, chloor en natronloogproductie, en tandheelkundige amalgemplaatsing - vormt significante risico's voor werknemers.

In 1988 lieten wereldwijde menselijke activiteiten ongeveer 24 miljoen lb (11 miljoen kg) kwik in lucht, land en water vrij. De VS Environmental Protection Agency (EPA) heeft veel kwiktoepassingen verboden en doelen gesteld om gemeentelijke afval kwik van 1,4 miljoen lb (0,64 miljoen kg) in 1989 te verminderen tot 0,35 miljoen lb (0,16 miljoen kg) in 2000 via productreductie en recycling.

De Toekomst

Hoewel kwik integraal blijft voor bepaalde producten en processen, wordt verwacht dat het gebruik verder zal dalen. Vooruitgang in hantering, recycling en regelgevende handhaving hebben als doel milieuvrijlatingen en geassocieerde gezondheidsrisico's te minimaliseren.