Quecksilber

Hintergrund

Quecksilber ist eines der grundlegenden chemischen Elemente. Es ist ein schweres, silbriges Metall, das bei normalen Temperaturen flüssig ist. Quecksilber bildet leicht Legierungen mit anderen Metallen, und dies macht es nützlich bei der Verarbeitung von Gold und Silber. Ein Großteil der Impulse zur Entwicklung von Quecksilbererzvorkommen in den Vereinigten Staaten kam nach der Entdeckung von Gold und Silber in Kalifornien und anderen westlichen Staaten in den 1800er Jahren. Leider ist Quecksilber auch ein hochgiftiges Material, weshalb seine Verwendung in den letzten 20 Jahren stark zurückgegangen ist. Seine Hauptanwendungen liegen in der Herstellung von Chlor und Natronlauge sowie als Bestandteil vieler elektrischer Geräte, einschließlich Leuchtstoff- und Quecksilberdampflampen. Quecksilber wurde in ägyptischen Gräbern aus der Zeit um 1500 v. Chr. gefunden und wahrscheinlich schon früher für kosmetische und medizinische Zwecke verwendet. Um 350 v.Chr. Der griechische Philosoph und Wissenschaftler Aristoteles beschrieb, wie Zinnobererz erhitzt wurde, um Quecksilber für religiöse Zeremonien zu extrahieren. Die Römer verwendeten Quecksilber für eine Vielzahl von Zwecken und gaben ihm den Namen Hydrargyrum, was flüssiges Silber bedeutet, von dem das chemische Symbol für Quecksilber, Hg, abgeleitet ist. Die Nachfrage nach Quecksilber stieg 1557 mit der Entwicklung eines Verfahrens, bei dem Quecksilber zur Gewinnung von Silber aus seinem Erz verwendet wurde, stark an. Das Quecksilberbarometer wurde 1643 von Torricelli erfunden, gefolgt von der Erfindung des Quecksilberthermometers durch Fahrenheit im Jahr 1714. Die erste Verwendung einer Quecksilberlegierung oder eines Amalgams als Zahnfüllung in der Zahnmedizin erfolgte 1828, obwohl Bedenken hinsichtlich der toxischen Natur von Quecksilber die weit verbreitete Verwendung dieser neuen Technik verhinderten. Erst 1895 zeigten experimentelle Arbeiten von G.V. Black, dass Amalgamfüllungen sicher waren, obwohl 100 Jahre später Wissenschaftler immer noch über diesen Punkt diskutierten. Quecksilber fand nach 1900 seinen Weg in viele Produkte und industrielle Anwendungen. Es wurde häufig in Batterien, Farben, Sprengstoffen, Glühbirnen, Lichtschaltern, Pharmazeutika, Fungiziden und Pestiziden verwendet. Quecksilber wurde auch als Teil der Prozesse zur Herstellung von Papier, Filz, Glas und vielen Kunststoffen verwendet. In den 1980er Jahren begann das zunehmende Verständnis und Bewusstsein für die schädlichen Gesundheits- und Umweltauswirkungen von Quecksilber seine Vorteile stark zu überwiegen, und die Verwendung begann stark zu sinken. Bis 1992 war die Verwendung in Batterien auf weniger als 5% des Niveaus von 1988 gesunken, und die Gesamtverwendung in elektrischen Geräten und Glühbirnen war im gleichen Zeitraum um 50% gesunken. Die Verwendung von Quecksilber in Farben, Fungiziden und Pestiziden wurde in den Vereinigten Staaten verboten, und seine Verwendung in den Papier-, Filz- und Glasherstellungsprozessen wurde freiwillig eingestellt. Weltweit ist die Produktion von Quecksilber auf wenige Länder mit lockeren Umweltgesetzen beschränkt. Der Quecksilberabbau wurde in Spanien, das bis 1989 der weltweit größte Produzent war, vollständig eingestellt. In den Vereinigten Staaten wurde auch der Quecksilberabbau eingestellt, obwohl im Rahmen des Goldraffinierungsprozesses kleine Mengen Quecksilber zurückgewonnen werden, um Umweltverschmutzung zu vermeiden. China, Russland (ehemals UdSSR), Mexiko und Algerien waren 1992 die größten Quecksilberproduzenten.

Rohstoffe

Quecksilber kommt in der Natur selten vor. Das meiste Quecksilber ist chemisch an andere Materialien in Form von Erzen gebunden. Das häufigste Erz ist rotes Quecksilbersulfid (HgS), auch Zinnober genannt. Andere Quecksilbererze umfassen Corderoit (Hg 3 S 2 Cl 2 ), Livingstonit (HgSb 4 S 8 ), Montroydit (HgO) und Calomel (HgCl). Es gibt mehrere andere. Quecksilbererze entstehen unterirdisch, wenn warme Minerallösungen unter dem Einfluss vulkanischer Einwirkung auf die Erdoberfläche aufsteigen. Sie sind in der Regel in fehlerhaften und gebrochenen Felsen in relativ geringen Tiefen von 3-3000 ft (1-1000 m) gefunden. Andere Quellen von Quecksilber sind die Deponien und Halden früherer, weniger effizienter Bergbau- und Verarbeitungsbetriebe.

Der Herstellungsprozess

Das Verfahren zur Gewinnung von Quecksilber aus seinen Erzen hat sich nicht wesentlich geändert, seit Aristoteles es vor über 2.300 Jahren beschrieben hat. Zinnobererz wird zerkleinert und erhitzt, um das Quecksilber als Dampf freizusetzen. Der Quecksilberdampf wird dann abgekühlt, kondensiert und gesammelt. Fast 95% des Quecksilbergehalts von Zinnobererz können mit diesem Verfahren zurückgewonnen werden.

Hier ist eine typische Abfolge von Operationen, die für die moderne Extraktion und Raffination von Quecksilber verwendet werden.

Bergbau

Zinnobererz kommt in konzentrierten Lagerstätten an oder in der Nähe der Oberfläche vor. Etwa 90% dieser Lagerstätten sind tief genug, um einen Untertagebau mit Tunneln zu erfordern. Die restlichen 10% können aus offenen Gruben ausgegraben werden.

• 1 Zinnober wird durch Bohren und Sprengen mit Sprengstoff oder durch den Einsatz von Kraftgeräten aus dem umgebenden Gestein entfernt. Das Erz wird auf Förderbändern oder in Lastwagen oder Zügen aus der Mine gebracht.

Rösten

Da Zinnobererz relativ konzentriert ist, kann es direkt ohne Zwischenschritte zur Entfernung von Abfallmaterial verarbeitet werden.

• 2 Das Erz wird zunächst in einem oder mehreren Kegelbrechern zerkleinert. Ein Kegelbrecher besteht aus einem inneren Mahlkegel, der sich auf einer exzentrischen vertikalen Achse in einem festen Außenkegel dreht. Wenn das Erz in die Oberseite des Brechers eingespeist wird, wird es zwischen den beiden Kegeln gequetscht und in kleinere Stücke gebrochen.
• 3 Das zerkleinerte Erz wird dann durch eine Reihe von Mühlen noch kleiner gemahlen. Jede Mühle besteht aus einem großen zylindrischen Behälter, der auf der Seite liegt und sich um seine horizontale Achse dreht. Die Mühle kann mit kurzen Längen von Stahlstäben oder mit Stahlkugeln gefüllt werden, um die Mahlwirkung bereitzustellen.
• 4 Das fein pulverisierte Erz wird einem Ofen oder Ofen zugeführt, um erhitzt zu werden. Einige Operationen benutzen einen mehrfachen Herdofen, in dem das Erz mechanisch hinunter eine vertikale Welle von einer Kante oder von Herd, zum folgenden bewegt wird, indem man langsam Rechen dreht. Andere Operationen verwenden einen Drehrohrofen, in dem das Erz über die Länge eines langen, rotierenden Zylinders gestürzt wird, der einige Grad von der Horizontalen geneigt ist. In beiden Fällen wird Wärme durch Verbrennen von Erdgas oder einem anderen Brennstoff im unteren Teil des Ofens oder Ofens bereitgestellt. Der erhitzte Zinnober (HgS) reagiert mit dem Sauerstoff (02) in der Luft zu Schwefeldioxid (SO 2), wodurch das Quecksilber als Dampf aufsteigen kann. Dieser Vorgang wird Rösten genannt.

Kondensieren

• 5 Der Quecksilberdampf steigt zusammen mit Schwefeldioxid, Wasserdampf und anderen Verbrennungsprodukten aus dem Ofen oder Ofen auf und ab. Aus dem pulverförmigen Erz wird ebenfalls eine beträchtliche Menge Feinstaub mitgeführt, der abgetrennt und aufgefangen werden muss.
• 6 Der heiße Ofenabgasstrom durchläuft einen wassergekühlten Kondensator. Wenn das Abgas abkühlt, ist das Quecksilber, das einen Siedepunkt von 357 ° C (675 ° F) hat, das erste, das zu einer Flüssigkeit kondensiert, wobei die anderen Gase und Dämpfe entlüftet oder weiterverarbeitet werden müssen, um die Luftverschmutzung zu verringern.
• 7 Das flüssige Quecksilber wird aufgefangen. Da Quecksilber ein sehr hohes spezifisches Gewicht hat, neigen Verunreinigungen dazu, an die Oberfläche zu steigen und einen dunklen Film oder Schaum zu bilden. Diese Verunreinigungen werden durch Filtration entfernt, wobei ein flüssiges Quecksilber verbleibt, das etwa 99,9% rein ist. Die Verunreinigungen werden mit Kalk behandelt, um
  

  Um Quecksilber aus seinen Erzen zu extrahieren, wird Zinnobererz zerkleinert und erhitzt, um das Quecksilber als Dampf freizusetzen. Der Quecksilberdampf wird dann abgekühlt, kondensiert und gesammelt.

  Trennen und erfassen Sie Quecksilber, das Verbindungen gebildet haben kann.

Raffination

Das meiste handelsübliche Quecksilber ist zu 99,9% rein und kann direkt aus dem Röst- und Kondensationsprozess verwendet werden. Hochreines Quecksilber wird für einige begrenzte Anwendungen benötigt und muss weiter verfeinert werden. Dieses ultrapure Quecksilber befiehlt einen Premium-Preis.

• 8 Eine höhere Reinheit kann durch verschiedene Raffinationsmethoden erreicht werden. Das Quecksilber kann mechanisch wieder gefiltert werden, und bestimmte Verunreinigungen können durch Oxidation mit Chemikalien oder Luft entfernt werden. In einigen Fällen wird das Quecksilber durch einen elektrolytischen Prozess raffiniert, bei dem ein elektrischer Strom durch einen Tank mit flüssigem Quecksilber geleitet wird, um die Verunreinigungen zu entfernen. Die gebräuchlichste Raffinationsmethode ist die dreifache Destillation, bei der die Temperatur des flüssigen Quecksilbers vorsichtig erhöht wird, bis die Verunreinigungen entweder verdampfen oder das Quecksilber selbst verdampft und die Verunreinigungen zurücklässt. Dieser Destillationsprozess wird dreimal durchgeführt, wobei die Reinheit jedes Mal zunimmt.

Versand

• 9 Handelsübliches Quecksilber wird in Schmiedeeisen- oder Stahlflaschen gegossen und versiegelt. Jeder Kolben enthält 76 lb (34,5 kg) Quecksilber. Hochreines Quecksilber wird normalerweise in kleineren Glas- oder Kunststoffbehältern für den Versand versiegelt.

Qualitätskontrolle

Handelsübliches Quecksilber mit einer Reinheit von 99,9% wird als reines Quecksilber bezeichnet. Ultrareines Quecksilber wird normalerweise nach der Dreifachdestillationsmethode hergestellt und als dreifachdestilliertes Quecksilber bezeichnet.

Die Qualitätskontrolle des Röst- und Kondensierungsprozesses besteht darin, das kondensierte flüssige Quecksilber vor Ort auf Fremdmetalle zu überprüfen, da dies die häufigsten Verunreinigungen sind. Das Vorhandensein von Gold, Silber und unedlen Metallen wird mit verschiedenen chemischen Testmethoden nachgewiesen.

Dreifach destilliertes Quecksilber wird durch Verdampfung oder spektrographische Analyse getestet. Bei der Verdampfungsmethode wird eine Quecksilberprobe verdampft und der Rückstand gewogen. Bei der spektrographischen Analysemethode wird eine Quecksilberprobe verdampft und der Rückstand mit Graphit gemischt. Licht, das aus der resultierenden Mischung kommt, wird mit einem Spektrometer betrachtet, das das Licht in Abhängigkeit von den vorhandenen chemischen Elementen in verschiedene Farbbänder aufteilt.

Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt

Quecksilber ist für den Menschen hochgiftig. Die Exposition kann durch Einatmen, Verschlucken oder Absorption durch die Haut entstehen. Von den Dreien ist das Einatmen von Quecksilberdampf am gefährlichsten. Eine kurzfristige Exposition gegenüber Quecksilberdampf kann innerhalb weniger Stunden zu Schwäche, Schüttelfrost, Übelkeit, Erbrechen, Durchfall und anderen Symptomen führen. Die Wiederherstellung ist normalerweise abgeschlossen, sobald das Opfer von der Quelle entfernt wurde. Langfristige Exposition gegenüber Quecksilberdampf führt zu Zittern, Reizbarkeit, Schlaflosigkeit, Verwirrung, übermäßigem Speichelfluss und anderen schwächenden Wirkungen.

In normalen Situationen kommt die meiste Quecksilberbelastung durch die Einnahme bestimmter Lebensmittel wie Fisch, in denen sich das Quecksilber in hohen Konzentrationen angesammelt hat. Obwohl Quecksilber beim Durchgang durch das menschliche Verdauungssystem nicht in großen Mengen absorbiert wird, hat sich gezeigt, dass die Einnahme über einen langen Zeitraum kumulative Auswirkungen hat.

In industriellen Situationen ist die Quecksilberexposition eine weitaus ernstere Gefahr. Der Abbau und die Verarbeitung von Quecksilbererz kann Arbeitnehmer Quecksilberdampf sowie direktem Hautkontakt aussetzen. Die Produktion von Chlor und Natronlauge kann auch erhebliche Quecksilberexpositionsgefahren verursachen. Zahnärzte und Zahnarzthelferinnen können bei der Herstellung und Platzierung von Quecksilberamalgamfüllungen Quecksilber ausgesetzt sein.

Da Quecksilber ein ernstes Gesundheitsrisiko darstellt, unterliegt seine Verwendung und Freisetzung in die Umwelt immer strengeren Beschränkungen. Im Jahr 1988 wurde geschätzt, dass 24 Millionen Pfund / Jahr (11 Millionen kglyr) Quecksilber weltweit als Folge menschlicher Aktivitäten in die Luft, an Land und ins Wasser freigesetzt wurden. Dies umfasste Quecksilber, das durch den Abbau und die Raffination von Quecksilber freigesetzt wurde, verschiedene Herstellungsvorgänge, die Verbrennung von Kohle, die Entsorgung von Siedlungsabfällen und Klärschlamm sowie andere Quellen. In den Vereinigten Staaten hat die Environmental Protection Agency (EPA) die Verwendung von Quecksilber für viele Anwendungen verboten. Die EPA hat sich zum Ziel gesetzt, den Quecksilbergehalt in kommunalen Abfällen von 1,4 Millionen Ib / Jahr (0,64 Millionen kg / Jahr) im Jahr 1989 auf 0,35 Millionen lb / Jahr (0,16 Millionen kg / Jahr) bis 2000 zu senken. Dies soll erreicht werden, indem die Verwendung von Quecksilber in Produkten verringert und die Ableitung von Quecksilber aus kommunalen Abfällen durch Recycling erhöht wird.

Die Zukunft

Quecksilber ist nach wie vor ein wichtiger Bestandteil vieler Produkte und Prozesse, auch wenn sein Einsatz voraussichtlich weiter zurückgehen wird. Es wird erwartet, dass eine verbesserte Handhabung und ein verbessertes Recycling von Quecksilber die Freisetzung in die Umwelt und damit die Gesundheitsgefährdung erheblich verringern.