Symbol: Zr
Ordnungszahl: 40
Atommasse: 91,224 u
Aggregatzustand: fest
Schmelzpunkt: 2.128 K (1.855 °C)
Siedepunkt: 4.682 K (4.409 °C)
CAS-Nummer: 7440-67-7
Elektronenkonfiguration (Kurzform): [Kr] 4d²5s²
Allgemeines zu Zirkonium
Zirkonium ist ein chemisches Element aus der Gruppe der Übergangsmetalle. Es ist ein glänzendes, grauweißes Metall, das durch seine hohe Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Hitzestabilität charakterisiert wird. In seiner oxidischen Form, Zirkoniumdioxid (ZrO₂), ist es ein zentrales Material für die Herstellung von keramischen Membranen, die in der Filtration und Separation eingesetzt werden. Aufgrund seiner chemischen und thermischen Stabilität spielt Zirkonium in der Energie-, Medizin- und Verfahrenstechnik eine bedeutende Rolle.
Vorkommen
Zirkonium ist in der Erdkruste relativ häufig vertreten (ca. 165 ppm) und steht mengenmäßig auf ähnlicher Stufe wie Zink oder Kupfer. Hauptsächlich wird es aus den Mineralien Zirkon (ZrSiO₄) und Baddeleyit (ZrO₂) gewonnen. Bedeutende Lagerstätten befinden sich in Australien, Südafrika, Indien, Brasilien und den USA. Da Zirkon häufig als Nebenprodukt beim Abbau von Schwermineralsanden gewonnen wird, ist die Förderung eng mit der Gewinnung von Titanmineralen verbunden.
Gewinnung
Die industrielle Gewinnung von Zirkonium erfolgt überwiegend aus Zirkon, das zunächst aufkonzentriert und anschließend durch chemische Verfahren wie Chlorierung und Reduktion aufbereitet wird. Für die Herstellung von metallischem Zirkonium wird das Kroll-Verfahren eingesetzt, bei dem ZrCl₄ mit Magnesium reduziert wird. Zirkoniumdioxid hingegen wird meist direkt aus Baddeleyit oder durch thermische Zersetzung von Zirkon hergestellt. Diese oxidische Form ist die Schlüsselbasis für keramische Anwendungen.
Anwendungen
Zirkonium findet ein breites Anwendungsspektrum:
- Filtration und Separation: ZrO₂-Keramiken dienen als Trägermaterial für Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen, die hohe chemische und thermische Belastungen aushalten.
- Nukleartechnik: Reines Zirkonium wird wegen seiner geringen Neutronenabsorption für Hüllrohre von Brennstäben verwendet.
- Medizin: Zirkoniumdioxid wird in Zahnersatz, Implantaten und chirurgischen Instrumenten eingesetzt.
- Chemische Industrie: Zirkoniumsalze und -oxide sind wichtige Katalysatoren und Korrosionsschutzmittel.
Recycling
Recycling von Zirkonium ist technisch möglich, spielt aber bisher nur eine geringe Rolle. Vor allem Zirkoniumdioxid aus Keramikresten und Schleifabfällen kann zurückgewonnen werden. Da die Verarbeitung energie- und kostenintensiv ist, ist das Recycling stark von der wirtschaftlichen Nachfrage abhängig. Angesichts der steigenden Nutzung in der Membran- und Energietechnik gewinnt dieser Aspekt jedoch an Bedeutung.
Toxizität
Zirkonium gilt in metallischer Form als relativ wenig toxisch und wird im Körper nur schlecht resorbiert. In ionischer Form oder bei nanoskaligen Partikeln sind jedoch mögliche gesundheitliche Risiken nicht ausgeschlossen. Zirkoniumverbindungen wie ZrCl₄ wirken reizend und können bei Haut- oder Augenkontakt Schäden verursachen. Umwelttoxikologische Daten zeigen bislang keine hohe Gefährdung, allerdings besteht Forschungsbedarf hinsichtlich der Langzeitwirkungen von nanoskaligen ZrO₂-Partikeln, die zunehmend in technischen Anwendungen eingesetzt werden.
Kritikalität laut EU-Kommission
Zirkonium selbst steht aktuell nicht auf der Liste der kritischen Rohstoffe der EU (2023). Allerdings gilt Zirkon als ein strategisch wichtiger Rohstoff, da er eng mit der Titanförderung verbunden ist und Lieferketten geopolitischen Risiken unterliegen. In der Filtrations- und Separationstechnik nimmt die Bedeutung von Zirkonium stetig zu, weshalb seine Kritikalität in Zukunft neu bewertet werden könnte. Besonders die Abhängigkeit von wenigen Förderländern könnte zu Engpässen führen, sollte die Nachfrage weiter steigen.
Entdeckung
Zirkonium wurde 1789 von Martin Heinrich Klaproth in Berlin entdeckt, als er das Mineral Zirkon analysierte. Er konnte das neue Element jedoch nur in Form seiner Oxide nachweisen. Die Isolierung von reinem metallischem Zirkonium gelang erst 1824 dem schwedischen Chemiker Jöns Jakob Berzelius, der ZrO₂ mit Kalium reduzierte. Der Name „Zirkonium“ leitet sich vom arabischen Wort „zarqūn“ für Zinnoberrot ab, das sich wiederum auf die Farbe des Minerals Zirkon bezieht.
