Gunnar Nordberg
Evento e usi
È stato stimato che lo zirconio (Zr) costituisca circa lo 0.017% della litosfera. A causa della sua attività chimica molto elevata a temperature solo leggermente superiori alla normale temperatura atmosferica, l'elemento si presenta solo in stati combinati. I minerali più comuni sono lo zircone (ZrO2) e baddeleyite (ZrSiO4). Lo zirconio si trova in tutti i tessuti animali.
L'afnio (Hf) si trova associato allo zirconio in tutte le sue occorrenze terrestri. La quantità di afnio varia ma è in media circa il 2% del totale di zirconio più afnio. In un solo minerale, povero di entrambi gli elementi, l'afnio è stato trovato in quantità maggiore dello zirconio. L'evidenza spettrografica indica che la distribuzione è anche di circa il 2% di afnio nel totale di zirconio più afnio nell'universo. Questi due elementi sono più strettamente identici nelle loro proprietà chimiche rispetto a qualsiasi altra coppia nella tavola periodica. La somiglianza è così grande che non sono state ancora trovate differenze qualitative che permettano la loro separazione. Per questo motivo si può presumere che la maggior parte dello zirconio utilizzato, e sulla base del quale sono stati riportati effetti fisiologici, contenesse dallo 0.5 al 2% di afnio.
Lo zircone è stato apprezzato fin dai tempi più remoti come una pietra preziosa, poiché si presenta abbastanza comunemente in grandi cristalli singoli; tuttavia, la maggior parte dei depositi commercialmente utili di minerale di zirconio si trovano nelle sabbie delle spiagge o in altri luoghi in cui i minerali di zirconio relativamente pesanti e chimicamente inerti sono stati depositati mentre le porzioni più leggere delle rocce in cui si trovavano sono state disintegrate e spazzate via dall'azione d'acqua. Depositi sostanziali di tali sabbie da spiaggia sono noti in India, Malesia, Australia e Stati Uniti. La baddeleyite in depositi commercialmente utili è stata osservata per la prima volta in Brasile e da allora è stata trovata in numerose altre località tra cui Svezia, India e Italia. Alcuni minerali di zirconio sono stati anche estratti commercialmente in Madagascar, Nigeria, Senegal e Sud Africa.
Lo zircone è usato come sabbia da fonderia, abrasivo e come componente di composizioni refrattarie di zircone e zirconia per crogioli di laboratorio. Si trova nelle composizioni ceramiche dove agisce come opacizzante in smalti e smalti. Lo zirconio e i mattoni di zirconio sono usati come rivestimenti per i forni di vetro. Le forme in zirconio sono utilizzate anche come stampi per l'estrusione di metalli sia ferrosi che non ferrosi e come rivestimenti di beccucci per la colata di metalli, in particolare per la colata continua.
Più del 90% dello zirconio metallico è ora utilizzato nella produzione di energia nucleare perché lo zirconio ha una bassa sezione d'urto di assorbimento per i neutroni e un'elevata resistenza alla corrosione all'interno dei reattori atomici, a condizione che sia privo di afnio. Lo zirconio è utilizzato anche nella fabbricazione di ghisa, acciaio e apparecchi chirurgici. Viene impiegato nelle lampade ad arco, nei prodotti pirotecnici, nei flussi di saldatura speciali e come pigmento nelle materie plastiche.
Lo zirconio metallico in polvere viene utilizzato come "getter" nei tubi termoionici per assorbire le ultime tracce di gas dopo il pompaggio e il degassamento degli elementi del tubo. Sotto forma di sottile nastro o lana, il metallo viene utilizzato anche come filtro nei flash fotografici. Il metallo massiccio viene utilizzato puro o in forma di lega per il rivestimento di recipienti di reazione. Viene anche utilizzato come rivestimento per pompe e sistemi di tubazioni per processi chimici. Un'eccellente lega superconduttiva di zirconio e colombio è stata utilizzata in un magnete con un campo di 6.7 T.
Carburo di zirconio ed diboruro di zirconio sono entrambi composti metallici duri, refrattari che sono stati utilizzati negli utensili da taglio per metalli. Il diboruro è stato utilizzato anche come rivestimento per termocoppie in forni a suola aperta, fornendo termocoppie molto longeve. Tetracloruro di zirconio è utilizzato nella sintesi organica e negli idrorepellenti per tessuti. È anche utile come agente abbronzante.
Afnio metallico è stato utilizzato come rivestimento su tantalio per parti di motori a razzo che devono funzionare in condizioni erosive ad altissima temperatura. A causa della sua elevata sezione trasversale di neutroni termici, viene utilizzato anche come materiale per barre di controllo per reattori nucleari. Inoltre, l'afnio viene utilizzato nella fabbricazione di elettrodi e filamenti di lampadine.
Pericoli
Non è esatto affermare che i composti di zirconio sono fisiologicamente inerti, ma la tolleranza della maggior parte degli organismi allo zirconio sembra essere grande rispetto alla tolleranza per la maggior parte dei metalli pesanti. I sali di zirconio sono stati utilizzati nel trattamento dell'avvelenamento da plutonio per spostare il plutonio (e l'ittrio) dalla sua deposizione nello scheletro e per prevenire la deposizione quando il trattamento è stato avviato in anticipo. Nel corso di questo studio, è stato determinato che la dieta dei ratti può contenere fino al 20% di zirconia per periodi relativamente lunghi senza effetti dannosi e che la LD per via endovenosa50 di citrato di sodio e zirconio per i ratti è di circa 171 mg/kg di peso corporeo. Altri ricercatori hanno trovato un LD intraperitoneale50 di 0.67 g/kg per lattato di zirconio e 0.42 g/kg per zirconato di bario nei ratti e 51 mg/kg di lattato di sodio zirconio nei topi.
I composti di zirconio sono stati raccomandati e utilizzati per il trattamento topico della dermatite da Rhus (edera velenosa) e per i deodoranti per il corpo. Alcuni composti che sono stati usati sono l'ossido di zirconio idrato carbonato, l'ossido di zirconio idrato e il lattato di zirconio sodico. Ci sono stati numerosi rapporti sulla produzione di condizioni granulomatose persistenti della pelle come risultato di queste applicazioni.
Di interesse più diretto in relazione alle esposizioni professionali è l'effetto dell'inalazione di composti di zirconio, e questo è stato studiato in modo meno approfondito rispetto alle altre vie di somministrazione. Tuttavia, ci sono stati diversi esperimenti e almeno un rapporto sull'esposizione umana. In questo caso, è stato scoperto che un ingegnere chimico con sette anni di esposizione in un impianto di lavorazione di zirconio e afnio soffriva di una condizione polmonare granulomatosa. Poiché l'esame di tutti gli altri dipendenti non ha rivelato lesioni comparabili, si è concluso che la condizione era molto probabilmente da attribuire a un'esposizione relativamente pesante al berillio prima dell'esposizione allo zirconio.
L'esposizione di animali da esperimento a composti di zirconio ha mostrato che il lattato di zirconio e il zirconato di bario producevano entrambi polmonite interstiziale cronica grave, persistente a concentrazioni atmosferiche di zirconio di circa 5 mg/mXNUMX3. Concentrazioni atmosferiche di lattato di sodio e zirconio molto più elevate di 0.049 mg/cm3 per esposizioni più brevi è stato riscontrato che producono ascessi peribronchiali, granulomi peribronchiolari e polmonite lobulare. Sebbene manchi la documentazione sulla pneumoconiosi da zirconio nell'uomo, gli autori di uno studio concludono che lo zirconio dovrebbe essere considerato una probabile causa di pneumoconiosi e raccomandano di prendere le opportune precauzioni sul posto di lavoro.
L'esiguo numero di indagini sulla tossicità dei composti di afnio ha indicato una tossicità acuta leggermente superiore a quella dei sali di zirconio. L'afnio ei suoi composti causano danni al fegato. Il cloruro di afnile a 10 mg/kg ha prodotto collasso cardiovascolare e arresto respiratorio in un gatto allo stesso modo dei sali solubili di zirconio; il LD intraperitoneale50 di 112 mg/kg per l'afnio non è molto inferiore a quello per lo zirconio.
Misure di sicurezza e salute
Incendio ed esplosione. Lo zirconio metallico sotto forma di polvere fine brucia in aria, azoto o anidride carbonica. Le polveri sono esplosive in aria nell'intervallo da 45 a 300 mg/l, e sono autoinfiammabili se disturbate, probabilmente a causa dell'elettricità statica generata dalla separazione dei grani.
I metalli in polvere devono essere trasportati e movimentati allo stato umido; l'acqua viene solitamente utilizzata per bagnare. Quando la polvere viene essiccata prima dell'uso, le quantità impiegate devono essere ridotte al minimo e le operazioni devono essere effettuate in cubicoli separati per evitare la propagazione in caso di esplosione. Tutte le fonti di ignizione, comprese le cariche elettriche statiche, devono essere eliminate dalle aree in cui deve essere maneggiata la polvere.
Tutte le superfici nell'area devono essere impermeabili e senza giunti in modo da poter essere lavate con acqua e mantenute completamente prive di polvere. L'eventuale polvere versata deve essere pulita immediatamente con acqua in modo che non abbia la possibilità di asciugarsi sul posto. Carte e panni usati che sono stati contaminati dalle polveri devono essere mantenuti bagnati in contenitori coperti fino a quando non vengono rimossi per essere bruciati, cosa che dovrebbe essere fatta almeno giornalmente. Le polveri essiccate devono essere smosse e maneggiate il meno possibile, e quindi solo con strumenti antiscintilla. I grembiuli in gomma o plastica, se indossati sopra gli abiti da lavoro, devono essere trattati con un composto antistatico. Gli indumenti da lavoro devono essere realizzati con fibre non sintetiche a meno che non siano trattati efficacemente con materiali antistatici.
Tutti i processi che utilizzano zirconio e/o afnio devono essere progettati e ventilati per mantenere la contaminazione aerea al di sotto dei limiti di esposizione.