هر آنچه باید در رابطه با فلز روی بدانید!

فلز روی (Zinc) یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی ۳۰ و نماد Zn  و اولین عنصر گروه ۱۲ است. روی در دمای اتاق یک فلز شکننده با ظاهری نقره ای – آبی است. این فلز از بعضی جهات شبیه منیزیم است مثلا هر دو عنصر فقط یک حالت اکسیداسیون طبیعی (+۲) را نشان می دهند و یون های هر دو از نظر اندازه مشابه هستند.

عنصر روی بیست و چهارمین فلز موجود در پوسته زمین از نظر وفور است و مهمترین سنگ معدن آن اسفالریت است که بیشتر در استرالیا ، آسیا و ایالات متحده متمرکز هستند. این فلز با روش شناور سنگ معدن ، برشته کردن و استخراج نهایی با استفاده از برق (الکترودینگ) بدست می آید. برای کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

تاریخچه استفاده از فلز روی

قرن ها قبل از اینکه عنصر Zn به عنوان یک فلز شناخته شود از آن برای ساخت برنج (آلیاژ روی و مس) و اهداف دارویی استفاده می شد. فلز روی و اکسید آن ابتدا در هند بین سده های یازدهم و چهاردهم و در قرن هفدهم در چین تولید شد . اگرچه کشف فلز خالص توسط شیمیدان آلمانی آندریاس مارگراف  در سال ۱۷۴۶ صورت گرفت.

این فلز دارای هزاران مورد استفاده صنعتی و بیولوژیکی است و به عنوان یک فلز پایه در درجه اول برای گالوانیزه فولاد استفاده می شود ، فرآیندی که از فلز در برابر خوردگی ناخواسته محافظت می کند. آلیاژهای Zn از جمله برنج ، برای طیف گسترده ای از برنامه ها از اجزای دریایی مقاوم در برابر خوردگی گرفته تا آلات موسیقی مورد استفاده قرار می گیرد.

عنصر روی برای تمام اشکال حیات روی زمین بسیار مهم و ضروری است و در بیش از ۳۰۰ آنزیم استفاده می شود. کمبود زینک در سال ۱۹۶۱ به عنوان یک مشکل بالینی سلامت شناخته شد. این ترکیب به عنوان یک مینرال برای رشد سلولی مناسب و میتوز ، باروری ، عملکرد سیستم ایمنی بدن ، احساس طعم و بو ، پوست سالم و بینایی بسیار حائز اهمیت است.

زینک یک ماده معدنی ضروری است که  حدود دو میلیارد نفر در جهان دچار کمبود آن هستند. در كودكان ، كمبود Zn باعث تاخیر رشد ، تاخير در بلوغ جنسی ، حساسيت به عفونت و اسهال می شود. آنزیم هایی که یک اتم روی در مرکز واکنش خودشان دارند مانند الکل دهیدروژناز در انسان بسیار فراوان هستند.

ویژگی های فیزیکی و شیمیایی عنصر و فلز روی

روی یک فلز ضعیف و شکننده با نصف استحکام کششی فولاد کربنی نرم است و به طور کلی در کاربردهای تحمل بار مورد استفاده قرار نمی گیرد اگرچه قطعات مکانیکی ارزان قیمت می توانند به صورت ریخته گری با این فلز تهیه شوند.

از نظر سختی Zn خالص مقاومت کمی دارد و به طور کلی شکننده است  اما آلیاژهای آن مقاومت نسبتاً بالایی نسبت به سایر آلیاژهای ریخته گری دارند.

این فلز تراکم کمتری نسبت به آهن داشته و ساختار کریستالی شش وجهی دارد. این فلز دارای نقطه ذوب و جوش نسبتا پایین است و با آلومینیوم ، آنتیموان ، بیسموت ، طلا ، آهن ، سرب ، جیوه ، نقره ، قلع ، منیزیم ، کبالت ، نیکل و سدیم آلیاژ تشکیل می دهد.

از نظر انعطاف پذیری در درجه حرارت بین ۲۱۲ و ۳۰۲ درجه فارنهایت Zn تبدیل به یک فلز رسانا و چکش خوار می شود اما در دماهای بالا به حالت شکننده بر می گردد. در آلیاژها این خاصیت نسبت به فلز خالص بهبود می یابد و به این ترتیب امکان استفاده از آن در روشهای پیچیده تر فراهم می شود. رسانایی زینک متوسط است ولی خواص الکتروشیمیایی قوی دارد. با این حال ، به خوبی در باتری های قلیایی و در طول فرآیند گالوانیزه عمل می کند.

کاربردهای امروزه فلز روی

اکنون روی بعد از آهن ، آلومینیوم و مس چهارمین فلز پرکاربرد جهان است. این ماده دارای خاصیت ضد خوردگی قوی بوده و با سایر فلزات پیوند برقرار می کند. در نتیجه ، حدود نیمی از Zn  که تولید می شود در گالوانیزه روی استفاده می شود که این فرآیند شامل اضافه کردن لایه های نازک از این فلز به آهن یا فولاد برای جلوگیری از زنگ زدگی است.

استفاده بعدی از این فلز به عنوان آلیاژ است. روی با مس (برای تشکیل برنج) و سایر فلزات ترکیب می شود تا موادی را تولید کند که در خودروها ، قطعات الکتریکی و وسایل خانگی مورد استفاده قرار می گیرد. سومین کاربرد قابل توجه  Zn در تولید اکسید روی (مهمترین ماده شیمیایی روی از نظر میزان تولید) است که در ساخت لاستیک و به عنوان یک پماد محافظ پوست مورد استفاده قرار می گیرد.

این ترکیب برای سلامتی نیز بسیار مهم است و یک عنصر ضروری برای رشد و تکامل مناسب انسان ، حیوانات و گیاهان است. بدن انسان بالغ حاوی ۲ تا ۳ گرم زینک است که مقدار مورد نیاز آنزیم ها و سیستم ایمنی بدن برای عملکرد صحیح است. این ماده همچنین برای تشخیص طعم ، بو و التیام زخمها حائز اهمیت است. مقدار کمی Zn در بسیاری از غذاها مانند صدف ، گوشت گاو و بادام زمینی وجود دارد.

کمبود زینک شایع ترین کمبود ریز مغذی در گیاهان زراعی به نظر می رسد. کمبود این مینرال به ویژه در خاک های با pH بسیار بالا رایج است. گیاهانی که در خاک های با کمبود روی رشد می کنند بیشتر مستعد ابتلا به بیماری هستند. بنابراین یکی دیگر از کاربردهای این ماده در کشاورزی است.

روش تولید فلز روی

تقریباً تمام روی از سنگ معدن سولفید بدست می آید که معمولاً حاوی سرب ، کادمیوم و سایر فلزات مانند آهن و نقره است. سنگ های معدنی متداول اسفالریت هستند که به آنها روی مخلوط روی (ZnS) نیز گفته می شود . انواع دیگری از اسفالریت، مارماتیت نامیده می شود که حاوی مقادیر قابل توجهی سولفید آهن است.

سنگ معدن سولفید به طور گسترده ای در سراسر جهان وجود دارد. بیشترین ذخایر عمده در آمریکای شمالی و جنوبی (کانادا ، آمریکا ، مکزیک ، پرو ، بولیوی) ، استرالیا ، ژاپن و چین یافت می شود. همچنین در آفریقای جنوبی ، ایران ، اسپانیا ، اسکاندیناوی ، اسپانیا ، مقدونیه ، روسیه و آلمان سپرده های قابل توجهی وجود دارد.

دو فرایند اصلی برای تولید این فلز وجود دارد: فرآیند الکترولیتی و روند حرارتی. بیش از ۹۰ درصد تولید روی جهان از طریق فرآیند الکترولیتی حاصل می شود.

فرآیند الکترولیتی

۱- تغلیظ سنگ معدن

سنگ معدن استخراج ، خرد ، آسیاب و سپس توسط شناورسازی غلیظ می شود. این فرآیند باعث حذف اجزای ناخواسته ، از جمله ترکیبات سرب و مواد زائد سنگ می شود.

۲- تفت دادن سنگ معدن در هوا

تفت دادن سنگ معدن معمولاً در کوره بستر سیال در حدود ۱۳۰۰ درجه سانتی گراد انجام می شود و هوا در پایین آن دمیده می شود. مهمترین واکنش تبدیل سولفید روی به اکسید روی است. با این حال سولفید آهن موجود در سنگ معدن به اکسید آهن (III) تبدیل می شود که با اکسید روی واکنش داده و فریت روی ایجاد می کند.

در فرآیند ساده شستشو ، این روی به راحتی قابل بازیابی نیست و بنابراین سنگ معدن هایی با مقدار آهن پایین ترجیح داده می شوند. دی اکسید گوگرد اغلب در کارخانه مجاور ذوب به اسید سولفوریک تبدیل می شود.

۳- تبدیل اکسید روی به سولفات روی

اکسید روی خام با الکترولیتی شسته می شود که به اندازه کافی غنی از اسید سولفوریک است تا اکسید را حل کند و غلظت سولفات روی را در محلول الکترولیت بازیابی کند.

همانطور که در بالا ذکر شد ، برخی از انواع اکسید روی همراه با اکسید آهن (III) به شکل فریت روی وجود دارد. برای جداسازی روی و ناخالصی ها از چندین تغییر در روند شستشو استفاده می شود. بیشتر اینها از شرایط اسید گرم برای تولید مخلوطی از سولفات های روی و آهن (III) و به دنبال آن حذف سولفات آهن (III) استفاده می کنند.

۴- الکترولیز محلول سولفات روی

آخرین مرحله شامل تصفیه روی با الکترولیز محلول سولفات روی است. روی ترجیحاً در کاتد آزاد می شود. هر ۲۴ تا ۷۲ ساعت روی از الکترودها خارج شده ، ذوب شده و به داخل شمش ریخته می شود. این فلز حداقل ۹۹.۹۶٪ خالص است. در آندها ، اکسیژن تولید شده ، اسید سولفوریک بازسازی و بازیافت شده و با سنگ معدن تازه مخلوط می شود.

با تنظیم شرایط الکترولیز مانند دما و چگالی جریان می توان روی با خلوص بسیار بالا (۹۹.۹۹۵٪ خالص) تهیه کرد. فلز روی  با این خلوص برای آلیاژهای حاوی آلومینیوم ، منیزیم و مس مورد نیاز است.

فرآیند حرارتی

روند حرارتی از کوره ذوب امپریال ISF  استفاده می کند که در Avonmouth  بریستول اختراع و توسعه یافته است. اگرچه روش قبل کارایی لازم را داشت اما هزینه های نسبتاً بالای انرژی و انتشار آن باعث شد تا در اروپا با فرآیند الکترولیتی کاملاً جایگزین شود ، اگرچه ISF ها در قاره های دیگر نیز فعالیت می کنند. این ماده قادر به تولید همزمان روی و سرب  (اکسیدهای تجمع یافته) است.

در فرآیند ISF ، کوره بلند با پخت و کک داغ شارژ می شود. هوای گرم (I200 – I350 K) از طریق لوله هایی به نام توآیر در کوره دمیده می شود. در شرایط کوره ، روی یک بخار (گاز) است ، در حالی که سرب به عنوان یک مایع توسط یک سری واکنش های مشابه تولید می شود.

سایر اجزا مانند سیلیس (SiO2) ، آهک (CaO) ، آلومینا (Al2O3) و اکسید آهن (Fe2O3 / FeO) ، یک سرباره ذوب شده از سیلیکات ها را تشکیل می دهند. بخار روی در جریان گازهای مونوکسید کربن و دی اکسید کربن (در حدود ۱۳۰۰ کیلوگرم) به داخل کندانسور منتقل می شود و با جذب در یک اسپری مایع متراکم می شود.

روی حاصل از ISF از کوره حدود ۱-۱.۳٪ سرب دارد و ممکن است با تقطیر مجدداً بازسازی شود تا روی خلوص ۹۹.۹۵% بهتری تولید کند. کادمیوم فلزی و سایر فلزات با ارزش نیز ممکن است در این فرآیند بازیابی می شوند.

تولید ثانویه فلز روی

بیش از ۳۵٪ روی که سالانه استفاده می شود از فلز بازیافت شده است. بیشتر این موارد از فولاد روکش دار ناشی می شود که به در وسایل مختلف استفاده شده است. این  فلز در کوره قوس الکتریکی بازیافت می شود. روی نسبتاً فرار است و با سایر گازها از کوره خارج می شود. با خنک شدن به عنوان پودر روی جمع آوری می شود. این پودر در هوا گرم می شود و باعث تشکیل اکسید روی می شود که به نوبه خود با اسید سولفوریک تصفیه می شود و سولفات روی تشکیل می شود و روی خالص از آن بدست می آید ، همانطور که در بالا توضیح داده شد.

فلز روی در طبیعت و کاربردهای ویژه آن

فلز روی اغلب در طبیعت همراه با سرب در سنگ معدن سولفید یافت می شود و این فلزات هنگام تصفیه از هم جدا می شوند. از آنجا که روی در برابر خوردگی مقاوم است و به راحتی قابل استفاده است ، مقدار زیادی از آن برای محافظت از محصولات پایه آهن و فولاد استفاده می شود.

به همین دلیل از آن به عنوان پوشش برای محافظت از خوردگی آهن و فولاد در جو ، آب و خاک استفاده می شود. روی در اکثر محیط ها ترجیحاً با آهن واکنش می دهد و لایه های محافظ اکسید ، کربنات یا سایر محصولات واکنش روی را ایجاد می کند که در برابر خوردگی بعدی توسط جو مقاوم هستند. حتی اگر پوشش خراشیده شود ، به طور ترجیحی به خوردگی و محافظت از آهن ادامه می دهد و نقش فلز قربانی را بازی می کند.

روشهای مختلفی برای پوشش دادن آهن و فولاد با روی وجود دارد. یکی از روش ها این است که ماده مورد نظر  را درون یک حمام روی ذوب شده فرو کنید ، این فرآیند به نام گالوانیزه غوطه وری گرم شناخته می شود. فولاد غالباً با نورد و عبور آن از داخل حمام روی مذاب گالوانیزه می شود. سپس برای بسیاری از اهداف ، به ویژه در ساخت کالاهای سفید (یخچال و فریزر و ماشین لباسشویی) و بدنه اتومبیل استفاده می شود.

محصولات فولادی که قبلاً ساخته شده اند ، مانند تیرهای توزیع برق ، ریل های محافظ بزرگراه و لوله های آبیاری ، می توانند با تمیزکاری و غوطه ور شدن در وان روی  کاملاً پوشش داده شوند ، روشی که گالوانیزه سازی عمومی نامیده می شود. روش دیگر که برای محصولات کوچک مانند میخ و پیچ استفاده می شود ، گرم کردن آنها در یک درام چرخان با پودر روی است. اشیاء بسیار بزرگی مانند پل ها را می توان پس از نصب با پاشیدن روی مایع محافظت کرد.

از آندهای آلیاژ روی برای محافظت از تاسیسات نفتی و کشتی های دریایی استفاده می شود. آنها به فولاد متصل می شوند و در اولویت با فولاد خورده می شوند و وقتی کاملاً خورده شدند جایگزین می شوند.

از آلیاژهای روی و آلومینیوم در ریخته گری استفاده می شود. طیف گسترده ای از محصولات از این طریق ساخته می شوند ، از اسباب بازی های قالب گیری شده گرفته تا قطعات موتور.

روی در باتری های خشک معمولی (نوع ارجح برای دستگاه هایی که به برق زیادی احتیاج ندارند مانند کنترل از راه دور) استفاده می شود. روی به طور همزمان به عنوان پوشش خارجی و آند استفاده می شود. کاتد مخلوطی از اکسید کربن و منگنز (IV) و الکترولیت مخلوطی از کلریدهای آمونیوم و روی است.

از آلیاژهای روی (که به طور عمده نورد می شوند) غالباً برای محصولات نیمه ساخته مانند سکه ، قسمت حامل جریان فیوزهای کوچک الکتریکی و آند برای خطوط لوله مدفون استفاده می شود. از برنج ، یک آلیاژ حاوی مس و روی ، برای ساخت محصولات تزئینی و کاربردی مانند دستگیره در ، اتصالات دریایی ، اجزای لوله کشی و اتصالات پیچ استفاده می شود.

عوارض و خطرات فلز و عنصر روی

اگرچه زینک برای سلامتی مطلوب مورد نیاز است اما مصرف بیش از حد آن می تواند مضر باشد. جذب بیش از حد Zn باعث مهار جذب مس و آهن می شود. یون روی آزاد در محلول برای گیاهان ، بی مهرگان و حتی ماهی های مهره دار بسیار سمی است.

یون روی آزاد یک اسید لوئیس قدرتمند و خورنده است. اسید معده حاوی اسید هیدروکلریک است که در آن روی فلزی به آسانی حل می شود و به کلرید روی خورنده تبدیل می شود. شواهد نشان می دهد که افرادی که روزانه ۱۰۰-۳۰۰ میلی گرم زینک مصرف می کنند ممکن است دچار کمبود مس شوند و این مسئله بر روی کلسترول نیز تاثیر منفی خواهد گذاشت.

تاثیرات زیست محیطی فلز روی

پالایش سنگ معدن سولفیدیک روی حجم زیادی از دی اکسید گوگرد و بخار کادمیوم تولید می کند. سایر مواد باقیمانده ها نیز حاوی مقادیر قابل توجهی فلزات هستند که باعث آلودگی محیط زیست می شود.

مقدار این فلز در رودخانه هایی که در مناطق صنعتی و معدن وجود دارد می تواند تا  ppm 20باشد. تصفیه مؤثر فاضلاب این مسئله را به شدت کاهش می دهد. به عنوان مثال تصفیه آب رودخانه راین ، سطح روی را به  ppb 50 کاهش داده است. غلظت روی به میزان  ppm 2  بر میزان اکسیژن موجود در خون ماهی ها تأثیر منفی می گذارد.

خاک های آلوده به این فلز از معدن ، پالایش یا کوددهی با لجن حاوی روی می توانند حاوی چندین گرم Zn در هر کیلوگرم خاک خشک باشند. سطح روی بیش از  ppm 500 در خاک باعث اختلال در توانایی گیاهان در جذب سایر فلزات اساسی مانند آهن و منگنز خواهد شد.

قیمت فلز روی

روی یک عنصر شیمیایی ضروری و همه کاره است و نقشی محوری در جامعه مدرن ایفا می کند. روی به عنوان ماده معدنی اولیه در سطح جهان و بیست و سومین عنصر رایج در پوسته زمین، رتبه چهارم را در میان فلزات در تولید جهانی دارد و تنها پس از آهن، آلومینیوم و مس قرار دارد. این عنصر در بخش‌های مختلف، از تولید فلز تا داروسازی، کاربرد دارد. با این حال، عملکرد اصلی آن در گالوانیزه کردن اجزای فولادی یا آهنی نهفته است، فرآیندی که روی در هنگام قرار گرفتن در معرض هوا یک لایه محافظ تشکیل می دهد و از خوردگی جلوگیری می کند. گالوانیزه کردن نه تنها طول عمر مواد تصفیه شده را افزایش می دهد، بلکه دوام و مقرون به صرفه بودن آنها را افزایش می دهد و نیاز به آماده سازی سطح، بازرسی یا پوشش های اضافی را از بین می برد. گالوانیزه گرم، روش رایج، شامل غوطه ور کردن فولاد یا آهن در روی مذاب است که باعث ایجاد پیوند متالورژیکی بین دو فلز می شود. لایه اکسید روی ایجاد شده بیشتر با دی اکسید کربن واکنش می دهد و یک پوشش محافظ کربنات روی تشکیل می دهد. جدا از گالوانیزه کردن، روی اهداف مختلفی از جمله ذخیره انرژی در باتری‌ های یون روی ایمن‌تر و مقرون به صرفه ‌تر، استفاده از ترکیبات روی در بخش‌های لاستیک، شیمیایی، رنگ و کشاورزی، کاربرد در پوشش‌های خودرو برای جلوگیری از خوردگی و استقرار در دستگاه‌ های پزشکی دارد. به دلیل ایمنی زیست محیطی آن به‌ علاوه، آلیاژهای روی در ساخت‌وساز، صنایع دریایی و کاربردهای مختلف دیگر نقش برجسته ‌ای دارند و نقش ضروری روی را در زندگی مدرن نشان می ‌دهند. علاوه بر این، آلیاژهای روی به دلیل دوام و جذابیت زیبایی در کاربردهای مختلف ساختمانی مانند سقف، روکش و اتصالات مورد استفاده قرار می گیرند.