پودر زیرکونیوم و شمش زیرکونیوم چیست و چه کاربردی دارد؟

پودر زیرکونیوم (Zirconium Powder) یک پودر آمورف خاکستری رنگ است که ممکن است خود به خود شعله ور شود و با شدت انفجاری زیادی بسوزد. این پودر با الکتریسیته ساکن قابل احتراق است و مقدار کمی رطوبت ممکن است باعث اشتعال پودر زیرکونیوم شود. با وجود غوطه ور کردن آن در آب همچنان می سوزد و این کار را با شدت بیشتری نسبت به هوا انجام می دهد. از این پودر برای ساخت آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی ، در صنایع تولید مواد شیمیایی و برای بسیاری از موارد دیگر استفاده می شود.

تخمین زده می شود که حدود ۰.۰۱۷ درصد از لیتوسفر را پودر و فلز زیرکونیوم (Zr ) تشکیل می دهد. زیرکونیوم از نظر شیمیایی فقط در دمای کمی بیش از دمای طبیعی جو فعال است. متداولترین سنگ معدن زیرکون (ZrO_۲) و (ZrSiO_۴) هستند.

عنصر هافنیوم (Hf) در تمام سنگ معدن های زمینی خود با فلز زیرکونیوم به صورت مشترک یافت می شود. این دو عنصر از نظر شیمیایی بیش از هر عنصر دیگری در جدول تناوبی به همدیگر نزدیک هستند و شباهت آنها به قدری زیاد است که تفاوتی در جرم برای جداسازی آنها مشاهده نشده است.

زیرکون چیست؟

زیرکون از زمان های بسیار قدیم یک گوهر قلمداد می شده است زیرا معمولاً در بلورهای بزرگ منفرد یافت می شود. با این حال ، بیشتر رسوبات تجاری سنگ زیرکونیوم در شن های ساحلی وجود دارد جایی که مواد معدنی زیرکونیوم ، نسبتاً سنگین و از نظر شیمیایی بی اثر هستند ، در حالی که قطعات سبک تر از بین می روند و یا با آب شسته می شوند. مشخص شده است که هند ، مالایا ، استرالیا و ایالات متحده ذخایر زیادی از این شن و ماسه  را دارند. سنگ معدن های زیرکونیوم نیز به صورت تجاری در ماداگاسکار ، نیجریه ، سنگال و آفریقای جنوبی استخراج می شوند.

زیرکون به عنوان یک جزء از شن و ماسه ریخته گری، ساینده، و در ساخت بوته آزمایشگاهی استفاده فراوان دارد . این ماده در ترکیبات سرامیکی نیز یافت می شود و به عنوان یک امولسیون کننده در لعاب سرامیک عمل می کند. آجرهای نسوز ساخته شده از  زیرکونیوم و زیرکونیا به عنوان روکش شیشه ای استفاده می شود.

شمش زیرکونیوم چیست؟

شمش زیرکونیوم دارای ناخالصی کمی هافنیم است و بنابراین از خلوص کمی کمتر از سایر شمش های برخوردار است. برعکس ، شمش هافنیوم ما دارای ناخالصی زیرکونیوم کمی است. پودر زیرکونیوم در سلاح های انفجاری کاربرد دارد. این ماده همچنین در اجزای دمای بالا موتورهای جت و وسایل نقلیه فضایی ، فولاد جراحی و سایر آلیاژهای خاص و در پزشکی از جمله تصویربرداری PET ، سیستم های دیالیز و در داروها استفاده می شود.

از آنجا که کیفیت شمش های زیرکونیوم با قوس مجدد در خلا (VAR) به طور مستقیم با همگنی شیمیایی آنها و ساختار متالورژی آنها پس از انجماد ارتباط دارد ، مهم است که این عوامل را به طور پیش بینی کننده به شرایط عملیاتی مرتبط کنید.

روی شمش ها علامت شیمیایی (Zr) ، خلوص (۹۷.۴٪) ، وزن (یک اونس تروی) و یک شماره سریال درج شده است (این عدد منحصر به فرد است و متفاوت خواهد بود). این شمش ها ، مانند آنچه در تصویر نشان داده شده است ، کمی صیقل داده می شوند. می تواند شامل لبه های کوچک ، خراش های سطح سبک و سایر نقایص ریز باشد. وزن و خلوص توسط ضرابخانه فلزات نادر جهان تضمین می شود.

چگونگی تولید شمش و پودر زیرکونیوم

فلز زیرکونیوم با استخراج چند مرحله ای بدست می آید. در ابتدا ، زیرکون در کوره برقی با کک واکنش می دهد و هیدروکربن های زیرکونیوم تولید می کند و سپس با کلرینه ها تولید تتراکلرید زیرکونیوم می کند. فرآیند تولید تتراکلرید زیرکونیوم شامل کاهش تتراکلرید با قرار دادن فلز منیزیم در یک گاز بی اثر برای به دست آوردن زیرکونیوم اسفنجی است.

فلز زیرکونیوم با خلوص بالا را می توان با تفکیک حرارتی توسط ترکیب یدید تصفیه کرد. در این فرآیند ، بخارات فلز و ید با دمای ۲۰۰ درجه سانتی گراد واکنش نشان می دهند و عنصر ید  آزاد را به اتصال دهنده ها می فرستند و زیرکونیوم را به شکل ید آزاد از اکثر ناخالصی ها جدا می کنند. در حدود دمای ۱۳۰۰ درجه سانتی گراد ، ید بر روی یک رشته گرم شده متصل به زیرکونیوم بسیار تصفیه شده جدا می شود و محصول  بدست آمده را شمش زیرکونیوم می نامند .

کاربرد شمش و پودر زیرکونیوم

اکنون بیش از ۹۰٪ پودر و فلز زیرکونیوم در تولید انرژی هسته ای استفاده می شود زیرا زیرکونیوم دارای سطح مقطع جذب نوترون پایین است و در برابر خوردگی در راکتورهای اتمی بسیار مقاوم است ، به شرطی که حاوی عنصر هافنیوم نباشد. علاوه بر این ، از پودر و فلز زیرکونیوم در ساخت چدن ، فولاد و ابزارهای جراحی و همچنین در لامپ های قوس ، آتش بازی ، لحیم کاری ویژه ، رنگدانه های پلاستیکی و غیره استفاده می شود.

فلز زیرکونیوم پودر شده به عنوان “گیرنده” در لوله های حرارتی استفاده می شود که پس از تخلیه و دفع باقی مانده گاز باقیمانده را جذب می کند. این فلز ، به صورت رشته یا پشم ، به عنوان فیلتر نیز استفاده می شود. شمش را می توان در پوشش ظروف واکنش ، خالص یا آلیاژی استفاده کرد. این فلز همچنین به عنوان پوشش برای پمپ ها و سیستم های لوله کشی در فرآیندهای شیمیایی استفاده می شود. همچنین آلیاژهای ابررسانایی زیرکونیوم و نیوبیوم در میدان مغناطیسی ۶.۷T استفاده می شود.

فلز زیرکونیوم عمدتا در صنایع راکتور شیمیایی و هسته ای و همچنین در سایر صنایعی که به مقاومت در برابر خوردگی ، مقاومت در برابر درجه حرارت بالا ، خواص همجوشی خاص یا جذب نوترون ویژه نیاز دارند ، مورد استفاده قرار می گیرد. در ایالات متحده ، حدود ۸٪ از کل مصرف فلز زیرکونیوم در این صنایع استفاده می شود .

انواع ترکیبات زیرکونیوم

کاربید زیرکونیوم و دیبورید زیرکونیوم ترکیبات سخت ، نسوز و فلزی هستند که در ابزارهای برش فلزات استفاده می شوند. از دیبورید به عنوان پوسته ترموکوپل با طول عمر زیاد نیز استفاده می شود. تتراکلرید زیرکونیوم در سنتز آلی و دفع آب در تولید منسوجات استفاده می شود ، و همچنین به عنوان یک عامل برنزه کننده نیز مفید است.

آسیب های زیست محیطی پودر زیرکونیوم

گفتن اینکه ترکیبات زیرکونیوم از نظر فیزیولوژیکی بی اثر نیستند دقیق نیست ، اما به نظر می رسد بیشتر موجودات در مقایسه با اکثر فلزات سنگین ، زیرکونیوم را به خوبی تحمل می کنند. از نمک های زیرکونیوم برای درمان مسمومیت با پلوتونیوم استفاده شده است تا جایگزین رسوب پلوتونیوم (و ایتریوم) در اسکلت  بدن شود .

برخی مطالعات نشان داده است که بیش از ۲۰٪ زیرکونیا می تواند برای مدت طولانی بدون اثرات مضر در بدن موش جذب شود.  ترکیبات زیرکونیوم از جمله هیدرات کاربید زیرکونیا ، هیدرات زیرکونیا و لاکتات سدیم زیرکونیوم برای درمان موضعی درماتیت و در خوشبو کننده های بدن مورد استفاده قرار گرفته است. برخی گزارش ها حاکی از گرانولومای مداوم بر روی پوست در نتیجه این کاربردها است.

اثر استنشاق ترکیبات زیرکونیوم به اندازه سایر رویکردهای تجویز دارو مورد مطالعه قرار نگرفته است. با این وجود چندین آزمایش و حداقل یک گزارش در مورد مواجهه با انسان وجود دارد. در این مورد ، یک مهندس شیمی که به مدت هفت سال در کارخانه فرآوری زیرکونیوم و هافنیوم کار می کرد، مبتلا به بیماری ریه گرانولوماتوز شد. از آنجا که خسارتی مشابه به سایر کارمندان مشاهده نشد ، نتیجه گیری شد که این وضعیت به احتمال زیاد به دلیل سطح نسبتاً بالای بریلیم قبل از تماس با زیرکونیوم در این شخص بوده است.

قرار گرفتن حیوانات در معرض ترکیبات زیرکونیوم نشان داده است که ذات الریه مزمن و مداوم در لاکتات زیرکونیوم و زیرکونیوم باریم در غلظت اتمسفر حدود ۵ میلی گرم در متر مکعب رخ می دهد. قرار گرفتن در معرض کوتاه مدت لاکتات سدیم زیرکونیوم در غلظت هوای بالاتر ۴۹۰۰mg / m3 منجر به آبسه peribronchoabs ، peribronchogranuloma و ذات الریه لوبولار شده است.

اقدامات ایمنی در مقابله با پودر و فلز زیرکونیوم

زیرکونیوم به صورت یک پودر ریز در هوا ،با نیتروژن یا دی اکسید کربن می سوزد. انفجار خودبخودی این پودرها در هوا با غلظت های ۴۵۰۰۰ تا ۳۰۰۰۰۰ میلی گرم در متر مکعب ممکن است  در اثر الکتریسیته ساکن تولید شده توسط جداسازی ذرات ایجاد شود.

پودرهای فلزی باید در حالت مرطوب حمل و نقل شوند ، آب معمولاً برای خیس کردن این پودر های فلزی استفاده می شود. هنگامی که پودر قبل از استفاده خشک می شود ، مقدار مورد استفاده باید تا حد ممکن کم باشد و برای جلوگیری از گسترش انفجار باید در یک محفظه جداگانه با آن کار شود. تمام منابع احتراق از جمله بارهای الکترواستاتیک ساکن باید حذف شوند. تمام سطوح منطقه باید نفوذ ناپذیر و بدون درز باشد تا بتوان آنها را با آب شسته و کاملاً از گرد و غبار پاک کرد.

هر پودر ریخته شده باید بلافاصله با آب شسته شود تا فرصتی برای خشک شدن نداشته باشد. کاغذ و پارچه قدیمی که به پودر آلوده شده اند باید در ظرف دربسته مرطوب نگه داشته شود تا این مواد از بین بروند و یا  بسوزد.

پودرهای خشک باید با حداقل تداخل استفاده شوند و فقط باید از ابزارهای بدون جرقه و الکتریسیته ساکن استفاده شود. پیش بندهای لاستیکی یا پلاستیکی ، اگر روی لباس های داخلی استفاده شود ، باید با ترکیبات ضد استاتیک آغشته شوند. لباس کار باید از الیاف غیر مصنوعی ساخته شود مگر اینکه به طور موثر با مواد ضد استاتیک تصفیه شده باشد . تمام فرایندهای استفاده از پودر و فلز زیرکونیوم و عنصر هافنیوم باید طراحی و تهویه شوند تا آلودگی هوا زیر حد نرمال باشد.