Quecksilber

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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, was es bei der Verarbeitung von Gold und Silber nützlich macht. Ein Großteil des Anstoßes zur Erschließung von Quecksilbererzvorkommen in den Vereinigten Staaten kam nach der Entdeckung von Gold und Silber in Kalifornien und anderen westlichen Bundesstaaten im 19. Jahrhundert. 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 und als Bestandteil vieler elektrischer Geräte, einschließlich Leuchtstoff- und Quecksilberdampflampen.

Quecksilber wurde in ägyptischen Gräbern aus der Zeit um 1500 v. Chr. gefunden. , und es wurde wahrscheinlich schon früher für kosmetische und medizinische Zwecke verwendet. Um 350 v. Chr. , beschrieb der griechische Philosoph und Wissenschaftler Aristoteles, wie Zinnobererz erhitzt wurde, um Quecksilber für religiöse Zeremonien zu gewinnen. Die Römer verwendeten Quecksilber für verschiedene Zwecke und gaben ihm den Namen Hydrargyrum, was flüssiges Silber bedeutet, von dem sich das chemische Symbol für Quecksilber, Hg, ableitet.

Die Nachfrage nach Quecksilber stieg 1557 stark an, als ein Verfahren entwickelt wurde, das Quecksilber zur Gewinnung von Silber aus seinem Erz verwendet. Das Quecksilberbarometer wurde 1643 von Torricelli erfunden, gefolgt von der Erfindung des Quecksilberthermometers von Fahrenheit im Jahr 1714. Die erste Verwendung einer Quecksilberlegierung oder eines Amalgams als Zahnfüllung in der Zahnheilkunde erfolgte 1828, obwohl Bedenken hinsichtlich der toxischen Natur bestanden Quecksilber verhinderte den weit verbreiteten Einsatz dieser neuen Technik. Erst 1895 wurden experimentelle Arbeiten von G.V. Black zeigte, dass Amalgamfüllungen sicher sind, obwohl 100 Jahre später Wissenschaftler diesen Punkt immer noch debattierten.

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 das zunehmende Bewusstsein für die schädlichen Auswirkungen von Quecksilber auf Gesundheit und Umwelt seine Vorteile bei weitem zu überwiegen, und die Verwendung begann stark zurückzugehen. Bis 1992 war die Verwendung in Batterien auf weniger als 5 % des Niveaus von 1988 gesunken, und die Gesamtverwendung in Elektrogeräten 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 der Papier-, Filz- und Glasherstellung wurde freiwillig eingestellt.

Weltweit ist die Produktion von Quecksilber auf wenige Länder mit gelockerten Umweltgesetzen beschränkt. In Spanien, das bis 1989 der größte Produzent der Welt war, wurde der Quecksilberabbau ganz eingestellt. In den Vereinigten Staaten wurde der Quecksilberabbau ebenfalls eingestellt, obwohl kleine Mengen Quecksilber im Rahmen des Goldraffinationsprozesses zurückgewonnen werden, um eine Umweltverschmutzung zu vermeiden. China, Russland (ehemals UdSSR), Mexiko und Algerien waren 1992 die größten Quecksilberproduzenten.

Rohstoffe

Quecksilber kommt in der Natur selten allein vor. Das meiste Quecksilber ist in Form von Erzen chemisch an andere Materialien gebunden. Das häufigste Erz ist rotes Quecksilbersulfid (HgS), auch bekannt als Zinnober. Andere Quecksilbererze umfassen Corderoit (Hg ₃ S ₂ Kl ₂ ), Livingstonit (HgSb ₄ S ₈ ), Montroydit (HgO) und Kalomel (HgCl). Es gibt mehrere andere. Quecksilbererze entstehen unter der Erde, wenn warme Minerallösungen unter dem Einfluss vulkanischer Aktivitäten zur Erdoberfläche aufsteigen. Sie werden normalerweise in verwerflichen und gebrochenen Gesteinen in relativ geringen Tiefen von 1-1000 m (3-3000 ft) gefunden.

Andere Quellen von Quecksilber sind die Halden und Halden früherer, weniger effizienter Bergbau- und Verarbeitungsbetriebe.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Das Verfahren zur Gewinnung von Quecksilber aus seinen Erzen hat sich seit Aristoteles vor über 2.300 Jahren zum ersten Mal beschrieben. 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 ein typischer Arbeitsablauf für die moderne Gewinnung und Raffination von Quecksilber.

Bergbau

Zinnobererz kommt in konzentrierten Lagerstätten an oder nahe der Oberfläche vor. Ungefähr 90 % dieser Lagerstätten sind tief genug, um einen unterirdischen Abbau mit Tunneln zu erfordern. Die restlichen 10 % können im Tagebau ausgehoben werden.

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

Braten

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

• 2 Das Erz wird zuerst in einem oder mehreren Kegelbrechern zerkleinert. Ein Kegelbrecher besteht aus einem inneren Mahlkegel, der sich in einem feststehenden Außenkegel um eine exzentrische vertikale Achse dreht. Wenn das Erz oben in den Brecher eingespeist wird, wird es zwischen den beiden Kegeln gequetscht und in kleinere Stücke gebrochen.
• 3 Das gebrochene 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 Stahlstangen oder mit Stahlkugeln gefüllt werden, um die Mahlwirkung zu erzielen.
• 4 Das fein pulverisierte Erz wird zum Erhitzen in einen Ofen oder Ofen geleitet. Einige Betriebe verwenden einen Mehretagenofen, in dem das Erz durch langsam rotierende Rechen mechanisch einen vertikalen Schacht von einem Sims oder einem Herd zum nächsten bewegt wird. Andere Verfahren verwenden einen Drehrohrofen, in dem das Erz über die Länge eines langen, rotierenden Zylinders getrommelt wird, der einige Grad von der Horizontalen geneigt ist. In jedem Fall 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 ) und lässt das Quecksilber als Dampf aufsteigen. Dieser Vorgang wird Rösten genannt.

Kondensieren

• 5 Der Quecksilberdampf steigt zusammen mit Schwefeldioxid, Wasserdampf und anderen Verbrennungsprodukten aus dem Ofen oder Ofen auf. Außerdem wird eine beträchtliche Menge Feinstaub aus dem Pulvererz mitgeführt und muss abgeschieden und aufgefangen werden.
• 6 Das heiße Ofenabgas passiert einen wassergekühlten Kondensator. Beim Abkühlen der Abgase kondensiert das Quecksilber mit einem Siedepunkt von 675 °F (357°C) als erstes zu einer Flüssigkeit, sodass die anderen Gase und Dämpfe entweichen oder weiterverarbeitet werden müssen, um die Luftverschmutzung zu reduzieren .
• 7 Das flüssige Quecksilber wird gesammelt. Da Quecksilber ein sehr hohes spezifisches Gewicht hat, neigen alle Verunreinigungen dazu, an die Oberfläche zu steigen und einen dunklen Film oder Schaum zu bilden. Diese Verunreinigungen werden durch Filtration entfernt, wodurch ein flüssiges Quecksilber mit einer Reinheit von etwa 99,9 % zurückbleibt. Die Verunreinigungen werden mit Kalk behandelt um Um Quecksilber aus seinen Erzen zu extrahieren, wird Zinnobererz zerkleinert und erhitzt, um das Quecksilber freizusetzen ein Dampf. Der Quecksilberdampf wird dann abgekühlt, kondensiert und gesammelt. trennen und fangen Sie jegliches Quecksilber, das Verbindungen gebildet haben könnte, ab.

Verfeinerung

Das meiste handelsübliche Quecksilber ist zu 99,9 % rein und kann direkt aus dem Röst- und Kondensierungsprozess verwendet werden. Für einige begrenzte Anwendungen wird Quecksilber mit höherer Reinheit benötigt und muss weiter verfeinert werden. Dieses hochreine Quecksilber hat einen Spitzenpreis.

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

Versand

• 9 Handelsübliches Quecksilber wird in schmiedeeiserne oder stählerne Flaschen gefüllt und versiegelt. Jeder Kolben enthält 76 lb (34,5 kg) Quecksilber. Quecksilber mit höherer Reinheit wird für den Versand normalerweise in kleineren Glas- oder Kunststoffbehältern versiegelt.

Qualitätskontrolle

Kommerzielles Quecksilber mit einer Reinheit von 99,9 % wird als erstklassiges Quecksilber in neuer Qualität bezeichnet. Reinstquecksilber wird normalerweise nach dem Dreifachdestillationsverfahren hergestellt und wird als Dreifachdestilliertes Quecksilber bezeichnet.

Qualitätskontrollen des Röst- und Kondensierprozesses bestehen darin, das kondensierte flüssige Quecksilber stichprobenweise 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. Beim Verdampfungsverfahren wird eine Quecksilberprobe verdampft und der Rückstand gewogen. Bei der spektrographischen Analysemethode wird eine Quecksilberprobe verdampft und der Rückstand mit Graphit vermischt. Das aus der resultierenden Mischung kommende Licht 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 Aufnahme über die Haut erfolgen. Von den dreien ist das Einatmen von Quecksilberdampf am gefährlichsten. Kurzfristige Exposition gegenüber Quecksilberdämpfen kann innerhalb weniger Stunden zu Schwäche, Schüttelfrost, Übelkeit, Erbrechen, Durchfall und anderen Symptomen führen. Die Wiederherstellung ist normalerweise abgeschlossen, sobald das Opfer aus der Quelle entfernt wurde. Eine langfristige Exposition gegenüber Quecksilberdämpfen führt zu Zittern, Reizbarkeit, Schlaflosigkeit, Verwirrtheit, übermäßigem Speichelfluss und anderen schwächenden Wirkungen.

In normalen Situationen erfolgt die meiste Quecksilberbelastung durch die Aufnahme bestimmter Lebensmittel, wie z. B. Fisch, in denen sich Quecksilber in hohen Konzentrationen angesammelt hat. Obwohl Quecksilber beim Passieren des menschlichen Verdauungssystems nicht in großen Mengen aufgenommen wird, hat sich eine kumulative Wirkung bei Einnahme über einen langen Zeitraum gezeigt.

In industriellen Situationen ist die Quecksilberexposition eine weitaus schwerwiegendere Gefahr. Beim Abbau und der Verarbeitung von Quecksilbererz können Arbeiter Quecksilberdämpfen sowie direktem Hautkontakt ausgesetzt sein. Die Produktion von Chlor und Natronlauge kann auch eine erhebliche Gefährdung durch Quecksilber verursachen. Zahnärzte und Zahnarzthelferinnen können beim Vorbereiten und Einsetzen von Quecksilberamalgamfüllungen Quecksilber ausgesetzt sein.

Da Quecksilber ein ernsthaftes Gesundheitsrisiko darstellt, sind seine Verwendung und Freisetzung in die Umwelt immer strengeren Beschränkungen unterworfen. Im Jahr 1988 wurde geschätzt, dass durch menschliche Aktivitäten weltweit 24 Millionen Pfund/Jahr (11 Millionen kglyr) Quecksilber in die Luft, das Land und das Wasser freigesetzt wurden. Dazu gehörte Quecksilber, das bei der Quecksilbergewinnung und -raffination, verschiedenen Produktionsvorgängen, der Verbrennung von Kohle, der Entsorgung von Siedlungsabfällen und Klärschlamm und anderen Quellen freigesetzt wird.

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 Siedlungsabfällen von 1,4 Millionen Pfund/Jahr (0,64 Millionen kg/Jahr) im Jahr 1989 auf 0,35 Millionen Pfund/Jahr (0,16 Millionen kg/Jahr) bis 2000 zu reduzieren erreicht werden, indem die Verwendung von Quecksilber in Produkten verringert und die Ableitung von Quecksilber aus Siedlungsabfällen durch Recycling erhöht wird.

Die Zukunft

Quecksilber ist nach wie vor ein wichtiger Bestandteil vieler Produkte und Prozesse, obwohl seine Verwendung voraussichtlich weiter zurückgehen wird. Es wird erwartet, dass eine verbesserte Handhabung und Wiederverwertung von Quecksilber seine Freisetzung in die Umwelt und damit seine Gesundheitsgefahr erheblich verringert.