Zink: Het element

Zink is het vierde meest gebruikte metaal in de wereld na staal, aluminium en koper. Zink wordt al millennia gebruikt om te legeren met tin tot brons. Het belangrijke metaal van de Romeinen. Het element zink wordt voor het eerst gewonnen in de 15e eeuw in India uit het mineraal calamine (zinkoxide ZnO). Zink is in Europa ontdekt als element in de achttiende eeuw door het mineraal calamiet ( ZnCO3) te verhitten.

Zink uit zinkblende

De droge methode

Belangrijkste zinkerts is de zwavelhoudende zinkblende ZnS. De erts wordt geroost volgens:

2ZnS + 3O2 >> 2ZnO + 2SO2

Het SO2 wordt geleverd aan de zwavelzuurfabriek, die er zwavelzuur (H2SO4) van maakt. De zinkoxide ZnO wordt in ovens, bij circa 1200 graden C, gereduceerd met koolstof (cokes) tot zink volgens:

ZnO + C >> CO + Zn

Behalve CO ontwijkt ook het zink in dampvorm wegens zijn lage kookpunt (907 graden C) en condenseert als zinkstof in de koeler of verzamelt zich als vloeibaar zink op de bodem van de koeler.

De ruwe zink is 97-98% zuiver en bevat meerdere procenten lood, enkele tiende procenten ijzer, en een kleine hoeveelheid cadmium en Arseen. Reinigen van het zink gebeurt door gefractioneerde destillatie van het ruwe zink. Kookpunt zink is 908,5 ° C, van cadmium 767,3 ° C, van lood 1751 ° C en van ijzer 3070 ° C. Lood en ijzer blijven achter in het residu. Het loodvrije en ijzervrije zink wordt nogmaals gedestilleerd en gecondenseerd, waarbij de vluchtige cadmium als "cadmium stof" neerslaat.

De natte methode, het elektrolytisch proces

bij de natte methode, het elektrolytisch proces wordt ZnO opgelost in zwavelzuur (H2SO4); er ontstaat zinksulfaat (ZnSO4) waaruit zuiver zink elektrolytisch wordt neergeslagen.
In het elektrolytisch proces opgelost(vergelijking 1), de zinksulfoplossing ZnSO4 door gebruik van loodanode en aluminiumkathode elektrolyseerd. Het op het alumium neergeslagen elektrolytzink wordt elke 24 uur omgesmolten.
ZnO (s) + H2SO4 ---> ZnSO4 (aq) + H2O (1)
Kathode: Zn2+ + 2 e- ---> Zn0 (2)
Anode: SO42- + Pb0 ---> PbSO4 + 2 e- (3)

Eindvergelijking: ZnSO4 + Pb ---> PbSO4 + Zn (4)

Bekende zinkverbindingen

• Zinkoxide (ZnO) bekend als de kleurstof zinkwit. Wordt toegepast in verf, rubber, cosmetica, medicijnen, plastics, printer inkt, zeep en batterijen.
• Zinksulfide (ZnS) gloeit op als het wordt blootgesteld aan ultraviolet (UV) licht en wordt om die reden gebruikt voor horlogewijzers, beeldschermen en fluorescerende lampen.
• Zinkchloride (ZnCl2) wordt gebruikt als hout bescherming en als insecticide

Zink verwerking

Zink is bros, maar verwarmd tot ca 100 graden Celcius is het goed walsbaar. Hoewel onedel, (zie verdringingsreeks) ‘roest’ het blootgesteld aan atmosferische invloeden niet snel weg, omdat zich een beschermende laag vormt van basisch zinkcarbonaat (Zn(OH)2•ZnCO3.

Een derde van zinkproductie wordt gebruikt voor het verzinken van ijzer/staal, dat is het aanbrengen van een zinklaag. Zink wordt op het voorwerp aangebracht door het in vloeibaar zink te dompelen (thermisch verzinken), of door middel van elektrolyse (elektroplating).

De zinkanode wordt gebruikt in de z.g.n. kathodische bescherming van ijzer/staal tegen corrosie, door zichzelf op te offeren, veel gemonteerd op de stalen romp, onder de waterlijn, van schepen.

Invloed van zink op de gezondheid

Te weinig zink kan leiden tot:

• Gbrek aan eetlust
• Afgenomen tast- en reukzin
• Traag wondherstel
• Huidpijn
• Geboorteafwijkingen

Teveel aan zink kan leiden tot:

• Buikkramp
• Huidirritatie
• Misselijk en duizelig
• Bloedarmoede

Hoge zinkgehalte kan leiden tot:

• Alvleesklier beschadiging
• Eiwitstofwisseling verstoren
• Aderverkalking
• Problemen met ademhaling
• Metaalkoorts griepachtige aandoening bij overgevoeligheid.

Invloed van zink op het Milieu

• Door ons afvalwater verontreinigd veroorzaakt zink-rijk rivierslib.
• Zink in de bodem verontreinigd het grondwater.
• Zink verhoogt de zuurgraad van water.
• In het lichaam van vissen accumuleert zink en komt in ons voedselketen.
• Met zink verontreinigd landbouwgrond schaadt de gezondheid van het vee.
• Zink bedreigt planten. Op zinkrijke grond leven weinig planten.
• Zink verstoort bodem processen, door de invloed op micro-organismen en wormen.

Tabel: Fysische en mechanische eigenschappen van zink

Toepassing van zink

Zink gewalst tot plaat, plaatprofiel en buis. Zink in de bouw heeft een lange levensduur. In contact met de atmosfeer, die altijd H2O and CO2, bevat vormt zich een laag basisch zinc-carbonate: Zn(OH)2•ZnCO3, die het onderliggende materiaal beschermt
tegen corrosie. Zn(OH)2 is onoplosbaar in water met een pH tussen 6 en 13, de hydroxide beschermt het zink dus ook in water.

Zink spuitgieten

Meest voorkomende zink gietprocess is spuitgieten, waarbij het gesmolten zink in een stalen spuitgietmatrijs gespoten wordt. Zink zet uit bij het stollen, en vult daardoor de matrijsholten perfect, deze gietstukken vereisen weinig of geen nabewerking. Bij massaproductie zijn spuitgegoten producten veel goedkoper dan bewerkte onderdelen, aangezien de kosten van de Matrijs worden afgeschreven over een groot aantal producten.

Het spuitgieten vereist zuiver zink. De onzuiverheden migreren naar de kristalliet grenzen en veroorzaken verbrossing. Gehalte aan lood, cadmium en tin verontreinigingen moeten zeer laag gehouden worden. Een beproefde bekende zink spuitgietlegering is Zamac. Het zink zuiveren kost relatief veel, de normbladen geven de fabrikant de ruimte om het zink niet zuiverder te maken dan technisch vereist. Voor spuitgieten van zinklegeringen moet het lood-, koper-, en tin gehalte minimaal zijn, relatief kleine hoeveelheid heeft grote invloed op de eigenschappen van het spuitgegoten product.

Sherardiseren (diffusie verzinken)

Sherardiseren is het aanbrengen van een zinklaag op staal en gietijzer. Het proces geeft een uniforme laagdikte. Producten worden samen met zinkstof verhit tot circa 370 graden C ( dus onder het smeltpunt van zink) in een roterende trommel. Door droge diffusie van zink in het staaloppervlak ontstaat een zink-ijzer legering in/aan het oppervlak, wat een duurzamer, corrosiebestendiger, temperatuurbestendiger en slijtvaster oppervlak geeft. Het zink vormt een dunne goed hechtende laag (ongeveer 15 mg/cm2 zink) dat het ijzer beschermt.

Voor en nabehandeling

Verontreinigingen en/of oxidatie, zoals walshuid, door staalstralen te verwijderen en/of de producten beitsen in een 50% HCl bad.
Na het verzinken passiveren of poedercoaten. De combinatie verzinken/poedercoaten wordt het duplex systeem genoemd. Verzinken (sherardiseren) en poedercoaten versterken elkaar, wat leidt tot verdere verbetering van bescherming tegen corrosie, minder onderhoud en geen verkleuring aan de buitenlucht.

Toepassing Sherardiseren
Sherardiseren (diffusie verzinken) is bij uitstek geschikt voor het verzinken van gelegeerd giet- en stamp en smeedwerk. Er wordt een gecontroleerde laag van gelijke dikte aangebracht. Door geleidelijke opwarming en de relatief lage temperatuur ontstaan geen materiaal spanningen en de veredelde structuur door een warmtebehandeling wordt niet afgebroken. Sherardiseren met gecontroleerde temperatuur van geharde, hoogvaste staalsoorten wordt met behoud van hun veredelde structuur uitgevoerd. Het is een droog verzinkproces, de bijdrage aan waterstofbrosheid is nihil en dat geldt ook voor een eventuele voorbehandeling door middel van stralen.

Het milieu

Het milieu wordt gespaard bij sherardiseren

• Geheel gesloten verzinkproces
• Geen chemische voorbehandeling
• Geen chemische afvalstromen
• Geen ontwikkeling van gevaarlijke gassen