Carbonato de zinc: análisis de propiedades, preparación y aplicaciones en múltiples campos

El carbonato de zinc es un importante compuesto carbonatado del elemento zinc con la fórmula química ZnCO₃. Como materia prima química inorgánica clave, se encuentra ampliamente en la naturaleza y se utiliza en muchos campos industriales. A menudo se menciona en conjunto con el carbonato básico de zinc (fórmula química 2ZnCO₃·3Zn(OH)₂·H₂O). Este último se denomina más frecuentemente «carbonato de zinc» en la producción industrial. Ambos están relacionados, pero difieren en sus propiedades y usos.
1. Propiedades psicológicas centrales

1. Propiedades físicas

El carbonato de zinc es un sólido blanco en polvo, inodoro e insípido. Su estructura cristalina pertenece al sistema cristalino trigonal. En su estado natural, se encuentra principalmente en forma de smithsonita. Su densidad es de 4,3476 g/cm³. Es casi insoluble en agua (la solubilidad es de solo 4,692×10⁻⁵ g) y en alcoholes bajo condiciones estándar. Es ligeramente soluble en amoníaco líquido y soluble en ácido diluido y en solución acuosa de hidróxido de sodio. Esta característica de solubilidad proporciona una base importante para su preparación y aplicación.

2. Propiedades químicas

El carbonato de zinc es inestable y se descompone fácilmente al calentarse. Cuando la temperatura alcanza los 300°C, se descompondrá en óxido de zinc y dióxido de carbono. Esta reacción es una de las vías importantes para preparar óxido de zinc en la industria. La ecuación de la reacción es la siguiente:

$${\displaystyle {\ce {{ZnCO3}\;\xrightarrow {\triangle } \;{ZnO}+{CO2\uparrow }}}}$$

Además, el carbonato de zinc puede sufrir reacciones de metátesis con ácidos para generar las correspondientes sales de zinc, dióxido de carbono y agua, y también puede reaccionar con soluciones de sales alcalinas y de amonio. Esta característica le permite controlar de manera flexible el proceso de reacción en escenarios de purificación y aplicación.

2. Proceso de preparación

La preparación del carbonato de zinc se divide principalmente en dos categorías: minería natural y síntesis artificial. Entre ellas, la producción industrial a gran escala se basa principalmente en la síntesis química. Los procesos centrales incluyen el método de metátesis, el método de lixiviación con ácido, entre otros; la mayoría de estos procesos obtienen como producto objetivo el carbonato básico de zinc.

1. Minería natural

El carbonato de zinc natural se obtiene mediante la minería de smithsonita. Tras trituración, molienda, purificación y otros procesos, es posible obtener productos de grado industrial o de grado reactivo. Sin embargo, debido a las limitaciones en la distribución de los recursos minerales (principalmente concentrados en Mongolia Interior, Yunnan y otras regiones) y al descenso en el grado de los minerales, la minería natural ha ido cediendo gradualmente paso a la síntesis artificial.

2. Método de síntesis artificial

Método de metátesis: Este es el proceso de producción más común. Las materias primas que contienen zinc (óxido de zinc, escoria de zinc, etc.) se hacen reaccionar con ácido sulfúrico para generar una solución cruda de sulfato de zinc. Tras procesos secundarios de eliminación de impurezas, como la oxidación con permanganato de potasio y el reemplazo con polvo de zinc, se eliminan impurezas tales como hierro, manganeso, cobre y níquel, obteniéndose así una solución refinada de sulfato de zinc. Posteriormente, esta solución reacciona con una solución de carbonato de sodio bajo condiciones de temperatura controlada (45-50°C) y valor de pH (el punto final es aproximadamente 6,4), generando un precipitado de carbonato básico de zinc. Tras filtrar, secar, moler finamente y tamizar, se obtiene el producto terminado. La ecuación de la reacción es la siguiente:

$${\displaystyle {\ce {3ZnSO4+3Na2CO3+3H2O\rightarrow ZnCO3·2Zn(OH)2·H2O+2CO2\uparrow +3Na2SO4}}}$$

El precipitante puede seleccionarse según las necesidades durante la producción: el carbonato de sodio presenta una reacción estable y una alta tasa de precipitación de zinc, siendo adecuado para preparar productos terminados de carbonato básico de zinc; el bicarbonato de amonio tiene un costo bajo y se puede obtener óxido de zinc activo de alta calidad tras la calcinación, pero el sistema de reacción es difícil de controlar y la tasa de precipitación de zinc es baja.

Otros métodos: También puede producirse mediante lixiviación con amoníaco y otros procesos, y el proceso puede ajustarse según el método de disolución de la materia prima y el tipo de precipitante para adaptarse a diferentes disponibilidades de materias primas y requisitos de pureza del producto.

3. Principales áreas de aplicación

El carbonato de zinc y el carbonato básico de zinc desempeñan un papel importante en caucho, medicina, alimentación animal, industria química y otros campos gracias a sus propiedades únicas. Cada escenario de aplicación tiene su propio enfoque.

1. Industria del caucho

El carbonato de zinc puede utilizarse como acelerador de la vulcanización para acelerar el proceso de vulcanización del caucho y mejorar la resistencia y la resistencia al desgaste del producto; el carbonato básico de zinc es más adecuado como activador y agente de refuerzo, especialmente en productos de caucho transparentes, ya que puede tener en cuenta tanto la eficiencia de la vulcanización como la transparencia del producto, y constituye una materia prima clave para la producción de caucho transparente.

2. Campos farmacéutico y de productos químicos diarios

En medicina, el carbonato de zinc es el componente principal de la loción de calamina. Tiene efectos astringentes y antipruriginosos y puede utilizarse para tratar picor cutáneo, eccema y otras afecciones. También puede emplearse como protector cutáneo y incorporarse en productos químicos diarios, como polvos de talco y cremas para la piel, para cuidar suavemente la piel.

3. Alimentación y Agricultura

Como aditivo alimentario de alta calidad que aporta zinc, el carbonato de zinc puede suplementar el elemento traza zinc necesario para el crecimiento animal, promover el crecimiento y desarrollo animal, mejorar la utilización de los alimentos y la inmunidad corporal, y es ampliamente utilizado en la cría de ganado y aves de corral.

4. Industria química y campo de nuevos materiales

En la industria de los fertilizantes, puede utilizarse como desulfurante para eliminar el sulfuro en el gas; en la perforación petrolera, puede reaccionar con H₂S para generar ZnS insoluble y estable, eliminando eficazmente la contaminación y corrosión por H₂S sin afectar el rendimiento del lodo. Además, la demanda de carbonato de zinc de alta pureza en sectores de alto nivel, como materiales para baterías de nueva energía y embalajes para semiconductores, ha crecido rápidamente, convirtiéndose en un nuevo punto de crecimiento para la industria.

5. Otros campos

En la industria cerámica, puede utilizarse como aditivo para esmaltes y colores para mejorar el color y el brillo de las cerámicas; en la industria de la espumación de EVA, puede hacer que la espumación sea más uniforme y atenuar el efecto de los agentes espumantes; también puede emplearse para producir rayón, soportes para catalizadores, etc.

4. Estado y tendencias del desarrollo de la industria

China es el mayor productor y consumidor mundial de carbonato de zinc, y actualmente la industria se encuentra en una etapa de transformación estructural y desarrollo de alta calidad. El consumo aparente de carbonato de zinc en el país alcanzará las 286.000 toneladas en 2024, y se prevé que mantenga una tasa de crecimiento compuesto anual promedio del 5,8% desde 2025 hasta 2030. La fuerza motriz central proviene de la expansión de la demanda en sectores de alta gama, como las nuevas energías y los materiales electrónicos.

La estructura de la industria muestra las características de «concentración en la cabeza y diferenciación tecnológica»: las 12 principales empresas ocupan el 68,3% de la capacidad de producción. El método de precipitación domina la producción de carbonato de zinc de alta pureza (pureza ≥ 99,7%) para satisfacer la demanda de alto nivel; la ley de reacción en fase sólida se centra en el mercado de gama media a baja. Confinada por las políticas de protección ambiental, la capacidad de producción obsoleta continúa siendo eliminada, y el consumo medio de energía de la industria sigue disminuyendo. Al mismo tiempo, la proporción de reciclaje de recursos de zinc reciclado ha aumentado hasta el 22%, lo que está en línea con las necesidades de la estrategia de «doble carbono».

En el futuro, la industria se centrará en la línea principal de transformación dual «verde + digital», poniendo énfasis en los avances en tecnología de purificación de alta pureza y en la optimización del sistema de aprovechamiento de recursos renovables. Existe un amplio margen para sustituir las importaciones de carbonato de zinc de alta pureza, y las empresas con capacidad para integrar toda la cadena industrial y contar con tecnologías avanzadas de preparación ocuparán una posición dominante.

5. Operación y almacenamiento seguros

El carbonato de zinc en sí es menos peligroso, con un nivel de riesgo NFPA 704 de 0-1-0, pero aún así requiere operaciones estandarizadas: los operadores deben estar capacitados profesionalmente, trabajar en un ambiente bien ventilado y evitar inhalar polvo, el contacto con la piel y los ojos; mantenerse alejado de fuentes de fuego y calor, utilizar equipos de ventilación a prueba de explosiones y evitar el contacto con agentes oxidantes.

Al almacenar, debe sellarse y colocarse en un almacén seco y ventilado, alejado de sustancias fácilmente oxidables y ácidas, para evitar la humedad y la formación de grumos. En caso de inhalación o ingestión accidental, es necesario tomar medidas de primeros auxilios de inmediato. A quienes hayan inhalado polvo, hay que trasladarlos a un lugar con aire fresco. Aquellos que lo ingieran por accidente pueden diluirlo con agua o leche y buscar atención médica.

En resumen, el carbonato de zinc, como compuesto inorgánico con propiedades tanto naturales como valor sintético, es indispensable en las industrias tradicionales. Al mismo tiempo, presenta un fuerte potencial de desarrollo en el ámbito de los nuevos materiales de alta gama. Su actualización industrial e innovación tecnológica seguirán contribuyendo al desarrollo de alta calidad en muchos campos.