Применение ртути в современной промышленности. Свойства и характеристики ртути

В настоящее время в России Государственным балансом запасов полезных ископаемых учтено 24 месторождения ртути. Большинство из них относится к собственно ртутным (киноварным) с запасами, как правило, не более 2 тыс. т металла. Только четыре месторождения являются сравнительно крупными – Тамватнейское (14 тыс. т), Западно-Палянское (10,1 тыс. т), Чаган-Узунское (14 тыс. т), Звездочка (3 тыс. т). Качественное состояние минерально-сырьевой базы отечественной ртутной промышленности в целом оценивается как неудовлетворительное, поскольку руды большинства известных месторождений характеризуются низким содержанием ртути (существенно меньше 1%). Исключение составляют лишь руды месторождений Звездочка, Балгикакчан, Чемпуринское и Олюторское (табл. 3).

Таблица 3. Региональная структура балансовых запасов ртути в России

* Выявленные запасы ртути в России на начало 2001 г. оценивались в 45,3 тыс. т, из которых 15,6 тыс. т – запасы промышленных категорий.

** Среднее содержание ртути в рудах российских месторождений оценивается в 0,453% (среднее содержание ртути в рудах месторождений, например, Испании достигает 1,9%, Алжира – 1,75%, Киргизии – 1%).

Потенциальными производственными мощностями по выпуску первичной ртути в России располагают Акташское горно-металлургическое предприятие (до 150 т/год) и ЗАО «НПП «Кубаньцветмет» (до 25-30 т/год). Однако мелкий масштаб и низкое качество ртутных руд Сахалинского месторождения (Краснодарский край), практически полное отсутствие собственной сырьевой базы и причины организационно-финансового характера на Акташском ГМП (Республика Алтай) не дают повода надеяться на возобновление горных работ на этих объектах. Потенциально на Акташском ГПМ могут перерабатываться руды расположенного в 90 км месторождения Сукор. Известно также, что вблизи металлургического завода ЗАО «НПП «Кубаньцветмет» складировано более 7 тыс. т руды (около 6 т ртути), которую планируется переработать в ближайшие годы; еще 30 тыс. т руды (около 25 т ртути) расположено возле бывших шахт и карьера Сахалинского месторождения.

Освоение крупных Тамватнейского и Западно-Палянского месторождений (как и многих других), невозможно без значительных инвестиций, на которые – при существующей ситуации на мировом рынке ртути – рассчитывать трудно. К тому же, их разработка может негативно сказаться, например, на нерестилищах ценных пород рыб, состоянии окружающей среды и т. д. Более того, учитывая масштабы накопленных к настоящему времени в России ртутьсодержащих отходов, в освоении ртутных месторождений, нет острой необходимости, поскольку отечественная промышленность – при осуществлении определенных мероприятий – может быть обеспечена вторичной и попутной ртутью.

Так, Государственным балансом запасов полезных ископаемых учтено 3 ртутьсодержащих медно-колчеданных месторождения – Подольское (Башкортостан), Талганское (Челябинская область), Сафьяновское (Свердловская область) (см. табл. 4). В ежегодно добываемых на Сафьяновском месторождении рудах содержится до 10 т ртути. Ртуть в значительных концентрациях присутствует в рудах медно-колчеданных, полиметаллических, золотосеребряных и других типов месторождений. Однако при используемых в России технологических схемах переработки руд и концентратов цветных металлов попутная ртуть не извлекалась, как и не извлекается сейчас; существенная часть ее рассеивается в окружающей среде и, например, поступает в получаемую на некоторых металлургических заводах серную кислоту. Значительное количество ртути уходит в хвосты на обогатительных фабриках.

Как отмечалось выше, в 1980-х гг. в небольших количествах попутную ртуть получали из цинковых концентратов на Челябинском цинковом заводе. В более существенных масштабах ртуть извлекалась на Хайдарканском комбинате из сурьмяного концентрата обогатительной фабрики Анзорского комбината. По оценке, на предприятиях цветной металлургии России в год можно получать до 100 т попутной ртути. По расчетам автора этих строк, в 2000-2003 гг. с различным сырьем (главным образом с концентратами и рудами) в металлургический передел на российские заводы цветной металлургии (по выплавке цинка и черновой меди) ежегодно поступало не менее 60 т ртути.

Экспорт российской ртути

В 1992-1998 гг. Россия, как уже отмечалось, реализовала часть своих складских запасов ртути на мировом рынке. Например, в середине 1990-х гг. значительную долю испанского импорта составляла ртуть из российских складских запасов: компания «Minas de Almaden» закупала ее, рафинировала и перепродавала , в том числе и российским предприятиям. Динамика экспорта ртути Россией в страны дальнего зарубежья выглядит примерно следующим образом (табл. 4).

Таблица 4. Динамика российского экспорта ртути *

* В ежегодно издаваемых сборниках «Таможенная статистика внешней торговли Российской Федерации» прямые сведения об экспорте и импорте ртути отсутствуют.

** 120 т российской ртути поступило в США.

*** Из России в США было экспортировано 79 т, по, – 120 т ртути.

**** Ртуть поступила в Роттердам, где к маю 1998 г. ее большая часть была продана, а оставшиеся 276 т – закуплены компанией «Minas de Almaden»; по данным, из России в США поступило 120 т ртути.

***** По, в небольших объемах ртуть экспортировалась ООО «Мерком». Есть сведения, что определенное количество ртути, полученной из отходов золотодобывающей промышленности на одном из предприятий Иркутской области, в начале 2000-х гг. было продано в Китай, а Челябинский цинковый завод отправляет ртутные шламы, образующиеся при производстве цинка, на переработку в Киргизию.

Данные об импорте металлической ртути Россией единичны: в 1997 г. – 30 т, в 1998 г. – 46 т, в 1999 г. – 11 т. В 2001-2002 гг. ОАО «Термоприбор» (г. Клин Московской области) ежегодно закупало в Испании (у «Minas de Almaden») примерно по 15-20 т металлической ртути. В 2002 г. в ЗАО «НПП «Кубаньцветмет» на переработку (рафинирование) поступило 2775 кг некондиционной (черновой, отработанной) ртути из Беларуси (от УП «Белцветмет»).

Объем мировой торговли ртутью (экспорт + импорт) в 1997 г. составил 7600 т. Экспортировали ртуть 29 стран, из которых лишь в девяти выпускался первичный металл. Импортировали ртуть 53 страны, причем на Гонконг, Китай и Нидерланды приходилась почти половина ее суммарного мирового импорта (Гонконг и Нидерланды – в основном с целью перепродажи). В 1999 г. объем мировой торговли ртутью (экспорт + импорт) составил более 6128 т.

Интересно отметить, что в 1990-х гг. среди стран-экспортеров ртути была Эстония (в 1977 г. – 35 т, в 1998 – 17 т). Очевидно, что реализовывались запасы металла, либо поступившая тем или иным способом металлическая ртуть из России. Показательно, что совсем недавно в Латвии было обнаружено подпольное хранилище, в котором находилось 2,5 т ртути.

Экспорт ртути будет полностью запрещен в Евросоюзе с марта 2011 года - такое решение принял в 2008 году Совет министров ЕС по вопросам конкуренции. Это постановление, которое обязывает также государства ЕС обеспечить безопасное складирование остатков ртути, принят в целях сокращения объемов выбросов в атмосферу токсичных видов тяжелых металлов.

Ртуть (Hg , от лат. Hydrargyrum ) - элемент шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 80, относящийся к подгруппе цинка (побочной подгруппе II группы). Простое вещество ртуть - переходный металл, при комнатной температуре представляющий собой тяжёлую серебристо-белую жидкость, пары которой чрезвычайно ядовиты. Ртуть - один из двух химических элементов (и единственный металл), простые вещества которых при нормальных условиях находятся в жидком агрегатном состоянии (второй такой элемент - бром).

1 История

Происхождение названия

2 Нахождение в природе

2.1 Месторождения

3 В окружающей среде

4 Изотопы

5 Получение

6 Физические свойства

7 Химические свойства

7.1 Характерные степени окисления

7.2 Свойства металлической ртути

8 Применение ртути и её соединений

8.1 Медицина

8.2 Техника

8.3 Металлургия

8.4 Химическая промышленность

8.5 Сельское хозяйство

9 Токсикология ртути

9.1 Гигиеническое нормирование концентраций ртути

9.2 Демеркуризация

История

Астрономический символ планеты Меркурий

Ртуть известна с древних времен. Нередко её находили в самородном виде (жидкие капли на горных породах), но чаще получали обжигом природнойкиновари. Древние греки и римляне использовали ртуть для очистки золота (амальгамирование), знали о токсичности самой ртути и её соединений, в частности сулемы. Много веков алхимики считали ртуть главной составной частью всех металлов и полагали, что если жидкой ртути возвратить твердость при помощи серы или мышьяка, то получится золото. Выделение ртути в чистом виде было описано шведским химиком Георгом Брандтом в 1735 г. Для представления элемента как у алхимиков, так и в нынешнее время используется символ планеты Меркурий. Но принадлежность ртути к металлам была доказана только трудами Ломоносова и Брауна, которые в декабре 1759 года смогли заморозить ртуть и установить её металлические свойства: ковкость, электропроводность и др.

Происхождение названия

Русское название ртути происходит от праслав. *rьt ǫ tь , связанного с лит. rìsti «катиться» . Символ Hg заимствован от латинского алхимического названия этого элемента hydrargyrum (отдр.-греч. ὕδωρ «вода» и ἄργυρος «серебро»).

Нахождение в природе

Ртуть - относительно редкий элемент в земной коре со средней концентрацией 83 мг/т. Однако ввиду того, что ртуть слабо связывается химически с наиболее распространёнными в земной коре элементами, ртутные руды могут быть очень концентрированными по сравнению с обычными породами. Наиболее богатые ртутью руды содержат до 2,5 % ртути. Основная форма нахождения ртути в природе - рассеянная, и только 0,02 % её заключено в месторождениях. Содержание ртути в различных типах изверженных пород близки между собой (около 100 мг/т). Из осадочных пород максимальные концентрации ртути установлены в глинистых сланцах (до 200 мг/т). В водах Мирового океана содержание ртути - 0,1 мкг/л. Важнейшей геохимической особенностью ртути является то, что среди других халькофильных элементов она обладает самым высоким потенциалом ионизации. Это определяет такие свойства ртути, как способность восстанавливаться до атомарной формы (самородной ртути), значительную химическую стойкость к кислороду и кислотам.

Ртуть присутствует в большинстве сульфидных минералов. Особенно высокие её содержания (до тысячных и сотых долей процента) устанавливаются в блёклых рудах, антимонитах, сфалеритах и реальгарах. Близость ионных радиусов двухвалентной ртути и кальция, одновалентной ртути и бария определяет их изоморфизм во флюоритах и баритах. В киновари и метациннабарите сера иногда замещается селеном или теллуром; содержание селена часто составляет сотые и десятые доли процента. Известны крайне редкие селениды ртути - тиманит (HgSe) и онофрит (смесь тиманита и сфалерита).

Ртуть является одним из наиболее чувствительных индикаторов скрытого оруденения не только ртутных, но и различных сульфидных месторождений, поэтому ореолы ртути обычно выявляются над всеми скрытыми сульфидными залежами и вдоль дорудных разрывных нарушений. Эта особенность, а также незначительное содержание ртути в породах, объясняются высокой упругостью паров ртути, возрастающей с увеличением температуры и определяющей высокую миграцию этого элемента в газовой фазе.

В поверхностных условиях киноварь и металлическая ртуть не растворимы в воде, но при их наличии (Fe 2 (SO 4) 3 , озон, пероксид водорода) растворимость этих минералов достигает десятков мг/л. Особенно хорошо растворяется ртуть в сульфидах едких щелочей с образованием, например, комплекса HgS nNa 2 S. Ртуть легко сорбируется глинами, гидроокислами железа и марганца, глинистыми сланцами и углями .

В природе известно около 20 минералов ртути, но главное промышленное значение имеет киноварь HgS (86,2 % Hg). В редких случаях предметом добычи является самородная ртуть, метациннабарит HgS и блёклая руда - шватцит (до 17 % Hg). На единственном месторождении Гуитцуко (Мексика) главным рудным минералом является ливингстонит HgSb 4 S 7 . В зоне окисления ртутных месторождений образуются вторичные минералы ртути. К ним относятся, прежде всего, самородная ртуть, реже метациннабарит, отличающиеся от таких же первичных минералов большей чистотой состава. Относительно распространена каломель Hg 2 Cl 2 . На месторождении Терлингуа (Техас) распространены и другие гипергенные галоидные соединения - терлингуаит Hg 2 ClO, эглестонит Hg 4 Cl.

Относятся к гидротермальному типу. По условиям образования выделяются следующие типы:

1. эпитермальные и телетермальные гидротермальные месторождения, не связанные с вулканическими процессами;
2. гидротермальные вулканогенные месторождения.

Не связанные с вулканическими процессами, имеют промышленное значение. Они приурочены к зонам глубинных региональных разломов и залегают обычно в осадочных породах (песчаниках, известняках, конгломератах), хотя известны месторождения, связанные с лиственитами. Среди ртутных руд выделяются кварц-флюоритовый, кварц-диккитовый, карбонат-киноварный, барит-киноварный минеральные типы, отличающиеся простотой состава и относительно богатым содержанием ртути (до 1-2%).

По морфологическим особенностям выделяются согласные пластообразные тела и секущие жильные и штокверковые зоны. Мощность пластообразных тел до 15-20 м, длина до нескольких километров. Мощность жил обычно незначительна - 0,1-0,3 м, длина - десятки и сотни метров. Текстуры руд вкрапленные, прожилково-вкрапленные, брекчиевые, брекчиевидные и полосчатые. Месторождения формируются из глубинных растворов в условиях умеренных глубин при температурах 50-150 °С.

К месторождениям этого типа относятся Никитовское в Донбассе, Хайдаркан в Киргизстане, Акташ в Горном Алтае, Альмаден в Испании, Идрия в Югославии. Пример месторождений в лиственитах - Нью-Альмаден в США. В России подобные месторождения известны на Чукотке.

Гидротермальные вулканогенные месторождения ртути развиты в областях современного или одновозрастного с оруденением вулканизма и четко связаны с вулканогенными породами. Среди них выделяют наземные и поверхностные газово-гидротермальные вулканические месторождения, приуроченные к вулканическим комплексам, и близповерхностные - к субвулканическим комплексам. Рудные тела сложной трубо- и грибообразной формы, ветвящиеся жилы, гнезда и линзы залегают в зонах разломов среди измененных андезитовых, трахиандезитовых и липаритовых эффузивов и туфов.

Характерными изменениями пород являются пропилитизация, серицитизация, юкварцевание, арпиллизация, опалитизация. Оруденение крайне неравномерное, не выдержанное по падению.

Руды имеют сложный минеральный состав. Наряду с киноварью встречаются метациннабарит, металлическая ртуть, реальгар, аурипигмент, самородная и др. Ртутная минерализация встречается часто совместно со свинцово-цинковой, серной и др. Среднее содержание ртути в рудах 1-1,5%.

Гидротермальные вулканогенные месторождения встречаются в Закарпатье (Боркутное, Вышковское и др.), на Камчатке, Сахалине, Чукотке (Пламенное и др.), Италии (Монте-Амьята), Мексике (Гуитцуко), США (Опалит) и др.

Газово-термальные месторождения ртути располагаются в районах современной вулканической деятельности. На вулкане Менделеева (Курильские острова) ртутное оруденение приурочено к колчеданным рудам, сложенным пиритом, марказитом, опалом, серой и другими минералами. Известно крупное месторождение, связанное с термальными источниками в США (Салфер-Бэнк, шт. Калифорния). Ртуть гидротермального происхождения присутствует в Донецкого бассейна (концентрация превышает кларк в десятки, а иногда сотни раз).

Россыпные месторождения ртути встречаются редко. Киноварь, достаточно устойчивая при выветривании, из-за хрупкости плохо выдерживает транспортировку водой, легко разрушается и истирается. Делювиальные россыпи образуются иногда вблизи коренных месторождений. Богатая делювиальная россыпь известна вблизи месторождения Нью-Альмаден (шт. Калифорния, США). Киноварь в виде обломков накапливается вместе с глинистыми частицами в коре выветривания карбонатных пород или заполняет карстовые воронки и пещеры (месторождения Лингуань, Гунчэн и др. в Китае).

Месторождений ртути в чистом виде не существует, но в связанном состоянии она присутствует в некоторых рудах. Извлечение её из пород в промышленных масштабах опасно для человека и окружающей среды, поскольку некоторые формы этого металла токсичны даже в небольших дозах. Экологические последствия от деятельности горно-перерабатывающих предприятий зависят от того, как добывают ртуть и утилизируют её отходы.

Физические свойства и значение

Ртуть (Hg) - тяжёлый серебристый металл, который при нормальных условиях находится в жидком состоянии. Легко образует сплавы (амальгамы) с другими металлами, и это делает её ценной для добычи и обработки золота. В сравнении с другими металлами ртуть - плохой проводник тепла, но отличный проводник электричества. Наиболее известные и используемые соединения:

• Хлорид HgCl2 - сулема, сильный яд.
• Хлорид Hg2Cl2 - каломель, применяется в медицине.
• Гремучая ртуть Hg (ОНК)2 - детонатор, используется для производства взрывчатых средств.
• Сульфид HgS - киноварь, высокосортный пигмент.

Соединения Hg с углеродом называют ртутьорганическими. Значительное количество из этой категории веществ изучено, применяется и синтезируется человеком. Наибольшую известность получила метилртуть как яд биогенного и антропогенного происхождения.

В металлической форме традиционно используется в термометрах и специальных типах электрических переключателей. Разгерметизация подобных устройств связана с риском испарения некоторой части жидкого металла, поэтому использование элементарной ртути в бытовых приборах сокращают. В промышленности она незаменима как единственный жидкий металл. Например, в качестве электрода при производстве хлора и гидроксида натрия электролизом из раствора. Основные характеристики металлической формы выглядят так:

• атомный номер - 80;
• плотность - 13,5336 г/м3;
• температура плавления - -38C;
• температура кипения - 356,73C.

Ртуть не имеет никакой известной биологической роли, но присутствует в каждом живом существе и широко распространена в биосфере. Она попадает в окружающую среду в результате нормального распада минералов в горных породах и почве под воздействием ветра и воды. Высвобождение её из природных источников - медленный непрерывный процесс на протяжении тысяч и миллионов лет.

Заметное увеличение концентрации ртути в окружающей среде происходит благодаря человеческой деятельности. Бо́льшая часть выбрасывается в атмосферу после сгорания ископаемого топлива в результате работы горнодобывающей промышленности и сжигания твёрдых отходов. Непосредственное попадание в почвы и мировой океан связано с применением сельскохозяйственных удобрений и утилизацией промышленных сточных вод.

Ртуть – это светло-серебристый металл в шестом периоде таблицы Менделеева. Это вещество находится в подгруппе цинка с атомным номером 80. Главной особенностью ртути является жидкое агрегатное состояние при нормальных комнатных условиях, т. е. при температуре +20–25°С. Пары этого металла – токсичные.

Красная ртуть – это вымышленный материал. Ему приписываются невероятно высокие характеристики. Научным кругам о существовании такого элемента пока не известно, так как соединение ртути с при высокой температуре создаёт сульфид ртути.

Ртуть используется в медицинской области при изготовлении градусников, но эти приспособления постепенно вытесняются более безопасными вариантами. Например, электронными термометрами.

Такое вещество как ртуть практически незаменимо в высокоточной измерительной технике. Её испарения широко применяются в люминесцентных лампах. Ртуть используется в процессе производства определённых видов источников тока (например, ртутно-цинковые аккумуляторы).

В металлургической промышленности ртуть используется при получении разнообразных сплавов и в повторной переработке алюминия. В последнее время её широко применяют в ювелирном деле. Ртуть пользуется популярностью при получении золота, в качестве средства для предварительной обработки золотосодержащей породы, с целью облегчения отделения благородного металла от шлака.

В сельскохозяйственной сфере соединения ртути входят в состав пестицидов, что крайне негативно влияет на экологию. Из-за этого такого рода удобрения перестают использоваться.

Природные месторождения минеральных образований, из которых производится ртуть в довольно высоких объёмах, называются ртутными рудниками. Основной ртутной рудой является киноварь. Содержание ртути в ней составляет около 85%. Вторым по концентрированию этого ископаемого является метациннабарит.

Ртуть также содержится в:

• минеральных породах;
• сульфатах меди, содержащих ртуть (мышьяке, сфалерите и сурьме).

Ртуть может встречаться в природе как самородное ископаемое, но такое месторождение – редкость. Ртуть может ещё попутно извлекаться из нефти, цементных материалов, флюсового сырья и каменного угля.

Ртутные руды обладают различной морфологией, т. е. месторождения могут быть как платообразного типа, так и контактного, в виде жил, гнёзд и штокверки. На генетическом уровне могут образовываться:

• гидротермальные (плутоногенные) месторождения;
• телетермальные месторождения;
• вулканогенные залежи;
• ртутные россыпи.

Хотя наиболее распространёнными являются:

• Плутоногенные.
• Вулканогенные.

Формируется, как правило, в результате воздействия низкотемпературных, малоконцентрируемых и гидротермальных растворов.

встречаются реже, но могут образовываться при участии перегретых парогазовых и жидких эманаций, с большим содержанием паров ртути.

Добыча ртути производится в шахтах с проведением буровых и подрывных работ, применяя электротехническое оборудование и промышленную пиротехнику. Добытый красный камень, транспортируется от месторождения конвейерными лентами, затем грузовиками или поездами в пункты дальнейшей обработки руды (обогатительные фабрики, перерабатывающие заводы). Там материал измельчается на дробилках в одну или несколько стадий. Дробленую руду отправляют в специальные мельницы, чтобы получить более мелкую фракцию. Для оптимального эффекта, промышленные мельницы снабжены короткими прутками или шарами из стали.

Процесс производства ртути из руды

Полученная мука из ртутьсодержащих минеральных образований отправляется в трубчатую печь для нагрева. Киноварь, нагревшись до определённой температуры, взаимодействует с кислородом, содержащимся в воздухе. В результате этой реакции формируется диоксид серы, что предоставляет возможность ртути испаряться. Эта процедура именуется обжигом.

Поднявшиеся испарения ртути выходят вместе с водяным паром, двуокисью серы и остальными продуктами сгорания из топки и попадают в специальный конденсатор, где охлаждаются. В результате ртуть, имеющая температуру кипения 357°С, переходит в жидкое агрегатное состояние. Остальные пары и газы выпускаются в атмосферу или используются в промышленном процессе, чтобы снизить загрязнение окружающей среды.

Получение ртути из руды

Полученная ртуть консолидируется. Так как это вещество обладает высоким удельным весом, все возможные добавки и примеси будут находиться на поверхности в виде плёнки или пены. В результате последующей фильтрации ртуть очищается.

Итоговое вещество пригодно к применению, но не для всех областей, где используется ртуть.

В качестве дополнительных мер очистки, жидкий металл проходит механическую фильтрацию, электролитическую процедуру и очистку с применением химически активных компонентов.

Самый популярный подход – тройная очистка. Постепенный подъём температуры вещества до отделения примеси либо испарения самой ртути. Эта процедура проводится три раза для постепенной очистки вещества.

Страны-лидеры в ртутной промышленности

В наши дни, лидирующие позиции в мировой добыче ртутной руды, занимают такие страны:

• Испания;
• Канада;
• Мексика;
• Италия;
• Турция;
• Япония;
• Филиппины;
• Алжир и некоторые страны постсоветского пространства.

Государства бывшего СССР, в которых есть крупные разработки ртутьсодержащей руды – это Казахстан, Украина, Таджикистан, Киргизия, Российская Федерация и Узбекистан.

Большинство стран, которые занимаются добычей ртути, не используют её в собственной промышленности. Основными потребителями мировых запасов этого жидкого металла являются следующие страны: Соединённые Штаты Америки, Япония, Великобритания, Франция и Германия, поскольку это крупные промышленные центры.