Кадмий — это химический элемент с символом «Cd» и атомным номером 48. Это мягкий голубовато-белый металл, принадлежащий к группе переходных металлов в периодической таблице. Кадмий, открытый в 1817 году немецким химиком Фридрихом Штромейером, с тех пор нашел различные промышленные применения, несмотря на его известную токсичность.

В чистом виде кадмий относительно редко встречается в земной коре в низких концентрациях. Однако он часто встречается в качестве второстепенного компонента в цинке. вести, и медь руды, из которых он извлекается как побочный продукт в процессе переработки. Благодаря своей способности образовывать сплавы с другими металлами и устойчивости к коррозии кадмий исторически использовался в различных отраслях промышленности.

Одно из значительных исторических применений кадмия было в пигментах, особенно для создания ярко-желтых, оранжевых и красных цветов в красках и керамике. Однако из-за его высокой токсичности и потенциального риска для здоровья его использование в этом отношении значительно сократилось в последнее время.

В современной промышленности кадмий в основном используется для производства никель-кадмиевых (NiCd) аккумуляторов. Эти батареи широко использовались в портативной электронике и других приложениях из-за их высокой плотности энергии и длительного срока службы. Однако в ответ на экологические проблемы и опасный характер кадмия другие технологии аккумуляторов, такие как литий-ионные аккумуляторы, стали более распространенными.

Помимо аккумуляторов, кадмий применяется в гальванике, где он используется для создания защитного покрытия на различных металлах. Он также используется в некоторых типах полупроводников и фотоэлектрических элементов для преобразования солнечной энергии.

Одним из наиболее важных аспектов кадмия является его токсичность. Кадмий и его соединения высокотоксичны для человека и многих других живых организмов. Длительное воздействие кадмия может привести к серьезным проблемам со здоровьем, особенно к почкам и костям. Вдыхание паров кадмия или прием пищи или воды, загрязненных кадмием, являются обычными путями воздействия на человека.

Из-за его опасного характера многие страны ввели строгие правила использования и утилизации кадмия и кадмийсодержащих продуктов для защиты здоровья человека и окружающей среды.

Таким образом, кадмий является уникальным элементом, обладающим как полезными промышленными свойствами, так и значительным риском для здоровья и окружающей среды. Понимание его свойств, источников и потенциального воздействия необходимо для обеспечения ответственного использования и обращения с целью защиты здоровья человека и сохранения окружающей среды.

Химические свойства кадмия

Кадмий (Cd) представляет собой переходный металл с несколькими различными химическими свойствами. Вот некоторые ключевые характеристики кадмия с химической точки зрения:

  1. Атомный номер и масса: Кадмий имеет атомный номер 48 и атомную массу приблизительно 112.41 г/моль.
  2. Электронная конфигурация: Электронная конфигурация кадмия [Kr] 4d ^ 10 5s ^ 2, что означает, что он имеет два электрона на внешней оболочке.
  3. Валентные Электроны: Кадмий имеет два валентных электрона на внешней оболочке, расположенных на 5s-орбитали.
  4. Окислительные состояния: наиболее распространенная степень окисления кадмия +2, когда он теряет два валентных электрона с образованием ионов Cd^2+. Кадмий также может существовать в других степенях окисления, таких как +1 и +3, но они менее распространены.
  5. реактивность: Кадмий является относительно реакционноспособным металлом, но не таким реакционноспособным, как щелочные металлы или некоторые другие переходные металлы. Он легко образует соединения с другими элементами.
  6. Устойчивость к коррозии: Одним из примечательных свойств кадмия является его превосходная устойчивость к коррозии. Это свойство делает его ценным для различных промышленных применений, особенно для покрытия металлов для защиты их от коррозии.
  7. Формирование комплексов: Кадмий может образовывать стабильные комплексы с различными лигандами благодаря своей способности отдавать два своих валентных электрона. Эти комплексы находят применение в аналитической химии и промышленных процессах.
  8. Реакция с кислородом: Кадмий легко реагирует с кислородом воздуха, образуя на его поверхности тонкий оксидный слой. Этот оксидный слой обеспечивает некоторую защиту от дальнейшей коррозии.
  9. Растворимость: Некоторые соединения кадмия, особенно соли, растворимы в воде. Растворимость зависит от конкретного соединения и условий.
  10. Токсичность: Кадмий и его соединения высокотоксичны для человека и других живых организмов. Токсичность в первую очередь связана с его способностью вмешиваться в различные биологические процессы и склонностью к накоплению в организме с течением времени.

Из-за его токсичности использование и воздействие кадмия строго регулируются для защиты здоровья человека и окружающей среды. Отрасли, работающие с кадмием или материалами, содержащими кадмий, должны соблюдать строгие правила техники безопасности, чтобы свести к минимуму риск воздействия этого опасного металла.

Наличие и источники кадмия

Гринокит

Кадмий относительно редко встречается в земной коре в низких концентрациях. Он не встречается в виде самородного металла, но обычно встречается в качестве второстепенного компонента в различных полезные ископаемые и руды. Вот основные случаи и источники кадмия:

  1. Цинковые, свинцовые и медные руды: основным источником кадмия является побочный продукт добычи и переработки цинковых, свинцовых и медных руд. Кадмий часто присутствует в этих рудах в виде примесей. Когда эти металлы извлекаются, кадмий также извлекается и отделяется в процессе.
  2. Сфалерит (цинковая обманка): наиболее важным минеральным источником кадмия является сфалерит, минерал, сульфид цинка (ZnS). Сфалерит может содержать различное количество кадмия в качестве примеси, а при извлечении цинка из сфалерита также получается кадмий.
  3. Гринокит: гринокит — редкий минерал, являющийся непосредственным источником кадмия. Это минерал сульфида кадмия (CdS), образующийся как вторичный минерал в некоторых гидротермальных источниках. рудные месторождения.
  4. Кадмийсодержащие минералы: Кадмий также может быть обнаружен в следовых количествах в других минералах, включая вюрцит (еще один сульфид цинка), а также в некоторых фосфатных минералах и железо-никель-кобальтовых рудах.
  5. Фосфорные удобрения: В некоторых случаях кадмий может присутствовать в фосфорных удобрениях. Присутствие кадмия в удобрениях может привести к его накоплению в почве, что потенциально может повлиять на урожай и продукты питания.
  6. Промышленные выбросы: Кадмий выбрасывается в окружающую среду в результате промышленных процессов, таких как добыча полезных ископаемых, плавка и сжигание ископаемого топлива. Эти действия могут привести к выбросу пыли и паров, содержащих кадмий, что может привести к загрязнению окружающей среды.
  7. Отходы и свалки: Неправильная утилизация кадмийсодержащих продуктов, таких как аккумуляторы и электронные отходы, может привести к загрязнению кадмием почвы и водоемов.
  8. натуральный выветривание: Кадмий также может попадать в окружающую среду в результате естественных процессов, включая выветривание. горные породы и минералы, содержащие кадмий.

После попадания в окружающую среду кадмий может сохраняться в течение длительного времени и переноситься по воздуху и воде. Он может загрязнять почву, водоемы и пищевую цепь, создавая значительный риск для здоровья человека и экосистемы. Из-за его токсичной природы управление и контроль источников кадмия и его безопасная утилизация имеют решающее значение для предотвращения неблагоприятного воздействия как на здоровье человека, так и на окружающую среду.

Кадмий Минералы

Кадмий обычно встречается как примесь в различных минералах, а не как первичный минерал. Наиболее важные минералы кадмия обычно связаны с цинковыми, свинцовыми и медными рудами. Вот некоторые из основных минералов кадмия:

  1. Сфалерит (цинковая обманка) – Химическая формула: (Zn,Fe)S Сфалерит является наиболее важным минеральным источником кадмия. Это минерал сульфида цинка, который обычно содержит небольшое количество кадмия в качестве примеси. При извлечении цинка из сфалерита в процессе рафинирования в качестве побочного продукта также получается кадмий.
  2. Гринокит – Химическая формула: гринокит CdS – редкий минерал и единственный непосредственный минеральный источник кадмия. Это минерал сульфида кадмия, образующийся как вторичный минерал в некоторых гидротермальных рудах. депозиты. Из-за своего ярко-желтого цвета гринокит иногда используется в качестве второстепенной руды кадмия и в качестве коллекционного минерала.
  3. вюрцит – Химическая формула: (Zn,Fe)S Вюрцит – еще один минерал сульфида цинка, который может содержать кадмий в качестве примеси, подобно сфалериту. Он менее распространен, чем сфалерит, но все же может быть источником кадмия при извлечении цинка.
  4. хоулейт – Химическая формула: CdS хоулеит – редкий минерал сульфида кадмия, который может образовываться как вторичный минерал в низкотемпературных гидротермальных средах. Обычно он встречается в ассоциации с другими минералами кадмия и цинковыми рудами.
  5. Кадмит - Химическая формула: CdCO3 Кадмит представляет собой минерал карбоната кадмия, но встречается относительно редко. Его можно найти как вторичный минерал в зонах окисления некоторых богатых кадмием рудных месторождений.
  6. Монтепонит - Химическая формула: CdO монтепонит является редким минералом оксида кадмия, и его появление тесно связано с другими минералами кадмия и цинковыми рудами.

Важно отметить, что минералы кадмия обычно не добываются специально из-за содержания в них кадмия. Вместо этого кадмий в основном получают как побочный продукт при добыче и очистке цинковых, свинцовых и медных руд. Концентрация кадмия в этих минералах может варьироваться, а конкретные минералы, содержащие кадмий, зависят от геологических условий рудного месторождения.

Добыча и добыча кадмиевой руды

Добыча и извлечение кадмиевой руды включает несколько стадий и процессов для получения кадмия в качестве ценного побочного продукта. Основным источником кадмия является примесь в цинковых, свинцовых и медных рудах. Вот краткий обзор типичного процесса добычи и извлечения кадмия:

  1. Разведка и выбор площадки: Первым шагом является выявление потенциальных месторождений руды, которые могут содержать кадмий. Геологи и горнодобывающие компании используют различные методы разведки, такие как геофизические исследования, бурение и геологическое картирование, для оценки наличия и количества кадмийсодержащих полезных ископаемых в рудных месторождениях.
  2. Разработка шахты: После того, как подходящее месторождение руды определено, участок проходит стадию разработки рудника. Это включает в себя строительство подъездных дорог, разработку подземных туннелей или карьеров, а также создание инфраструктуры для добычи полезных ископаемых.
  3. Добыча руды: кадмиевая руда обычно добывается вместе с цинковой, свинцовой или медной рудой. В зависимости от конкретного рудного месторождения могут использоваться различные методы добычи, такие как подземная разработка глубоких рудных залежей или открытая разработка неглубоких рудных тел.
  4. Дробление и измельчение руды: добытая руда затем дробится и измельчается в мелкий порошок, чтобы увеличить площадь ее поверхности для последующей обработки. Этот шаг позволяет эффективно высвобождать ценные минералы, включая кадмий.
  5. флотация: Измельченная и измельченная руда подвергается процессу, называемому флотацией. В этом процессе химикаты и реагенты добавляются в рудный шлам для создания условий, при которых ценные минералы (такие как сульфиды цинка, свинца и меди) селективно отделяются от других неценных минералов.
  6. Концентрация: В результате процесса флотации получается концентрат, содержащий различные металлы, в том числе кадмий. Концентрат подвергается дальнейшей обработке для увеличения содержания кадмия и удаления примесей.
  7. Запекание: Концентрат может подвергаться обжигу, высокотемпературному процессу, при котором он нагревается в присутствии воздуха или кислорода. Обжиг превращает минералы сульфида кадмия (например, гринокит) в оксид кадмия (CdO).
  8. Восстановление и плавка: Обожженный концентрат смешивают с углеродом и нагревают в печи для восстановления оксида кадмия до металлического кадмия. Кадмий испаряется, а затем конденсируется с образованием металлического кадмия.
  9. рафинирование: Полученный металлический кадмий может быть подвергнут дальнейшей очистке для удаления любых оставшихся примесей и обеспечения его чистоты.
  10. Восстановление побочных продуктов: основная цель добычи кадмиевой руды — получение других ценных металлов, таких как цинк, свинец или медь. Кадмий считается ценным побочным продуктом этого процесса, и его извлечение экономически выгодно из-за его промышленного применения.
  11. Экологические аспекты: На протяжении всего процесса добычи и добычи принимаются меры для смягчения воздействия на окружающую среду, такого как пыль и загрязнение воды. Ответственная практика добычи полезных ископаемых включает мелиорацию и реабилитацию участка добычи, чтобы свести к минимуму долгосрочное воздействие на окружающую среду.

Из-за токсичности кадмия и его потенциального воздействия на здоровье человека и окружающую среду необходимо соблюдать надлежащие протоколы и правила безопасности в течение всего процесса добычи и добычи, чтобы защитить рабочих и окружающую экосистему.

Переработка и рафинирование кадмиевой руды

Переработка и очистка кадмиевой руды включает несколько этапов извлечения кадмия в чистом виде. Как упоминалось ранее, кадмий обычно получают как побочный продукт при добыче цинковых, свинцовых или медных руд. Вот краткий обзор типичного процесса обработки и очистки кадмия:

  1. Подготовка руды: кадмиевая руда сначала дробится и перемалывается в мелкий порошок, чтобы увеличить площадь ее поверхности для последующей обработки. Этот шаг позволяет эффективно высвобождать ценные минералы, включая кадмий.
  2. флотация: Измельченная и измельченная руда подвергается процессу, называемому флотацией. В этом процессе химикаты и реагенты добавляются в рудный шлам для создания условий, при которых ценные минералы (такие как сульфиды цинка, свинца и меди) селективно отделяются от других неценных минералов.
  3. Концентрация: В результате процесса флотации получается концентрат, содержащий различные металлы, в том числе кадмий. Концентрат подвергается дальнейшей обработке для увеличения содержания кадмия и удаления примесей.
  4. Запекание: Концентрат может подвергаться обжигу, высокотемпературному процессу, при котором он нагревается в присутствии воздуха или кислорода. Обжиг превращает минералы сульфида кадмия (например, гринокит) в оксид кадмия (CdO).
  5. Снижение: Обожженный концентрат, содержащий оксид кадмия, смешивают с углеродом (обычно в виде кокса) и нагревают в печи. Углерод действует как восстановитель, реагируя с оксидом кадмия с образованием паров металлического кадмия.
  6. Конденсация и сбор: Пары кадмия, образующиеся в процессе восстановления, затем охлаждают и конденсируют в твердую форму. Этот конденсированный кадмий собирают и подвергают дальнейшей обработке.
  7. рафинирование: Полученный металлический кадмий может быть подвергнут дальнейшей очистке для удаления любых оставшихся примесей и обеспечения его чистоты. Можно использовать несколько методов очистки, например:
    • Электролитическая очистка: Электролиз используется для дальнейшей очистки металлического кадмия. Кадмий растворяют в подходящем электролите, и через раствор пропускают электрический ток, заставляя ионы кадмия мигрировать к катоду и осаждать чистый кадмий.
    • Зона переработки: Зональное рафинирование — еще один метод, используемый для рафинирования кадмия. В этом методе нагретая зона движется через кадмий, заставляя примеси мигрировать к концу образца, где они удаляются, оставляя после себя очищенный образец кадмия.
  8. Конечный продукт: Конечным результатом переработки и рафинирования кадмиевой руды является металлический кадмий высокой чистоты, готовый к использованию в различных промышленных целях.

На протяжении всего процесса обработки и очистки необходимо соблюдать строгие протоколы безопасности и экологические нормы, чтобы обеспечить безопасность рабочих, защитить окружающую среду и управлять потенциальными опасностями, связанными с кадмием и его соединениями.

Запасы кадмия и добычаn

Кадмий обычно не добывается как первичный металл, а получается как побочный продукт при добыче и переработке цинковых, свинцовых и медных руд. В результате запасы кадмиевой руды часто связаны с запасами этих неблагородных металлов.

На запасы и производство кадмийовой руды влияют различные факторы, в том числе спрос на цинк, свинец и медь, технологические достижения, экономика добычи и экологические нормы. Доступность кадмия может меняться из года в год в зависимости от этих факторов и конъюнктуры мирового рынка.

Китай, Австралия, Канада, Перу и Соединенные Штаты исторически были одними из крупнейших производителей цинковых, свинцовых и медных руд, и, таким образом, они также вносят свой вклад в мировое производство кадмия. Кроме того, некоторые другие страны могут иметь меньшее производство кадмия в качестве побочного продукта своей деятельности по добыче металлов.

Важно отметить, что производство кадмия регулируется строгими правилами из-за его токсичности, и принимаются меры для обеспечения безопасного обращения, утилизации и защиты окружающей среды.

Промышленное использование кадмия

Кадмий, несмотря на свою токсичность, благодаря своим уникальным свойствам нашел широкое применение в промышленности. Однако важно отметить, что многие из этих применений со временем сократились или перешли на альтернативы из-за проблем со здоровьем и окружающей среды, связанных с кадмием. Вот некоторые из исторических и текущих промышленных применений кадмия:

  1. батареи: исторически кадмий широко использовался в перезаряжаемых никель-кадмиевых (NiCd) батареях. NiCd аккумуляторы обычно использовались в портативных электронных устройствах, таких как фотоаппараты, сотовые телефоны и ноутбуки, из-за их высокой плотности энергии и возможности перезарядки. Однако в последние годы использование никель-кадмиевых аккумуляторов сократилось из-за экологических соображений, и они были в значительной степени заменены другими аккумуляторными технологиями, такими как литий-ионные аккумуляторы.
  2. гальванопокрытие: Кадмий обладает отличной коррозионной стойкостью, что делает его пригодным для применения в гальванике. Используется в качестве защитного покрытия для различных металлов, например стали, для предотвращения коррозии и улучшения внешнего вида поверхности. Однако гальваническое покрытие кадмием в настоящее время менее распространено из-за проблем с окружающей средой и здоровьем.
  3. Пигменты: в прошлом соединения кадмия использовались в качестве пигментов в красках, покрытиях и пластмассах для получения ярко-желтых, оранжевых и красных цветов. Однако использование пигментов на основе кадмия значительно сократилось из-за их токсичности, и они были в значительной степени заменены альтернативными, нетоксичными пигментами.
  4. Сплавы: Кадмий можно сплавлять с другими металлами для улучшения их свойств. Например, кадмий используется в качестве компонента некоторых легкоплавких сплавов, таких как припои и легкоплавкие сплавы.
  5. Полупроводниковые приборы: Сульфид кадмия (CdS) представляет собой полупроводниковый материал, который использовался в некоторых оптоэлектронных устройствах, таких как фотогальванические элементы (солнечные элементы), датчики света и фотоэлементы. Однако в настоящее время для этих приложений чаще используются альтернативные полупроводниковые материалы.
  6. Стабилизаторы и добавки: соединения кадмия использовались в качестве стабилизаторов и добавок в пластмассах и некоторых промышленных процессах. Однако их использование сократилось из-за проблем со здоровьем и окружающей средой.

Важно повторить, что многие из этих приложений сталкиваются с растущим вниманием из-за токсичной природы кадмия. В ответ были предприняты усилия по сокращению или прекращению использования кадмия в различных отраслях промышленности и замене его более безопасными альтернативами. Эти усилия направлены на защиту здоровья человека, предотвращение загрязнения окружающей среды и продвижение устойчивых методов.

Резюме ключевых моментов

  1. Кадмий: Кадмий — мягкий голубовато-белый металл с химическим символом «Cd» и атомным номером 48. Это переходный металл, относительно редко встречающийся в земной коре.
  2. Вхождение: Кадмий обычно встречается как примесь в цинковых, свинцовых и медных рудах, а не как первичный минерал. Основными источниками кадмия являются побочный продукт при добыче и очистке этих неблагородных металлов.
  3. Промышленное использование: Кадмий исторически использовался в различных промышленных целях, включая батареи (никель-кадмиевые батареи), гальванические покрытия и пигменты для красок. Однако от многих из этих видов использования отказались из-за проблем с окружающей средой и здоровьем.
  4. Токсичность: Кадмий и его соединения высокотоксичны для человека и других живых организмов. Длительное воздействие кадмия может привести к серьезным проблемам со здоровьем, особенно к почкам и костям. Надлежащее обращение и утилизация материалов, содержащих кадмий, имеют решающее значение для предотвращения его выброса в окружающую среду.
  5. Воздействие на окружающую среду: Неправильная утилизация кадмийсодержащих отходов и промышленных выбросов может привести к загрязнению кадмием почвы, водоемов и пищевой цепочки, что повлияет на экосистемы и здоровье человека.
  6. Нормативно-правовые акты: Многие страны ввели строгие правила использования и утилизации кадмия и кадмийсодержащих продуктов для защиты здоровья человека и окружающей среды.
  7. Побочный продукт: Кадмий в основном получают как ценный побочный продукт при добыче и переработке цинковых, свинцовых и медных руд.
  8. Переход к альтернативам: из-за его токсичности многие отрасли промышленности искали альтернативы продуктам на основе кадмия, например, замену никель-кадмиевых батарей литий-ионными батареями и использование нетоксичных пигментов в красках.
  9. Добыча и переработка: кадмиевая руда обычно добывается вместе с цинковой, свинцовой или медной рудой. Процесс включает подготовку руды, флотацию, обогащение, обжиг, восстановление, конденсацию и рафинирование для получения металлического кадмия высокой чистоты.
  10. Безопасность и устойчивость: Ответственная добыча, обработка и обращение с кадмием необходимы для обеспечения безопасности рабочих, защиты окружающей среды и управления потенциальными опасностями, связанными с кадмием и его соединениями.

В целом, понимание свойств, источников, использования и рисков, связанных с кадмием, имеет решающее значение для принятия ответственных методов и защиты здоровья человека и окружающей среды от его вредного воздействия.