Zirkonyum Silikat

Kimyasal olarak ZrSiO₄ şeklinde gösterilen zirkonyum(IV) silikat, dünya genelindeki ağır mineral kumu yataklarında birincil zirkonyum kaynağı olarak görev yapan ve dayanıklı bir mineral olan zirkon olarak bulunan inorganik bir bileşiktir. Olağanüstü kararlılığına katkıda bulunan ZrO₈ dodekahedronlarına bağlı izole SiO₄ dörtyüzlülerini içeren I4₁/amd uzay grubunda tetragonal bir kristal yapı sergiler.^[1]

Bu bileşik; 2550 °C’lik yüksek erime noktası, düşük termal genleşme, 7,5’lik Mohs sertliği ve 4,56 g/cm³’lük yoğunluk gibi refrakter özellikleriyle tanınır ve bu özellikler onu suda, asitlerde, alkalilerde ve kral suyunda çözünmez kılar.^[2]^[3] Kimyasal olarak inert ve korozyona dayanıklı olan zirkonyum(IV) silikat, oda sıcaklığında yaklaşık 5,1 W/m·K termal iletkenlik ile yüksek sıcaklıklarda yapısal bütünlüğünü korur.^[4]

Zirkonyum(IV) silikat; özellikle karolar, vitrifiye ürünler ve sofra takımları için seramik sırlarındaki bir opaklaştırıcı (tipik olarak %10-20 ilave ile) olarak, ayrıca refrakterlerde, hassas döküm için dökümhane kumlarında ve aşındırıcılarda olmak üzere kapsamlı endüstriyel uygulamalara sahiptir.^[3]^[5] Ayrıca gelişmiş seramikler, nükleer uygulamalar ve kübik zirkonya gibi sentetik değerli taşlar için zirkonya (ZrO₂) elde etmek üzere işlenirken, titanyum minerallerinin bir yan ürünü olarak madenciliği küresel zirkonyum tedarik zincirlerini destekler.^[6]

Özellikler

Fiziksel özellikler

Zirkonyum(IV) silikat, ZrSiO₄ kimyasal formülüne ve 183,30 g/mol molar kütleye sahiptir.^[7] Saf formunda renksiz tetragonal kristaller olarak görünürken, zirkon unu olarak bilinen ince öğütülmüş toz beyaz bir malzeme olarak sunulur.^[8]^[2]

Bileşik, 4,56 g/cm³ yoğunluk sergiler.^[2] Gerçek bir erime noktasına ulaşmadan yaklaşık 1.540 °C’de bozunarak zirkonyum oksit ve silikon dioksit açığa çıkarır.^[9] Zirkonyum(IV) silikat, Mohs ölçeğinde 7,5’lik bir sertliğe sahiptir; bu da onun hem endüstriyel bir aşındırıcı hem de dayanıklı bir değerli taş malzemesi olarak direncini destekler.^[8]

Gemolojik uygulamalarıyla ilgili olarak, zirkonyum(IV) silikat; 1,92 ila 1,98 arasında değişen bir kırılma indisi (yüksek tipli çeşitler için), elmas benzeri (adamantin) ila camsı bir parıltı ve 0,039’luk yüksek bir dispersiyon değeri sergiler.^[10] Bu optik özellikler, kesilmiş taşların belirgin bir “ateş” veya spektral renk parlamaları sergilemesini sağlayarak mücevherlerdeki çekiciliğini artırır.^[8]

Kimyasal özellikler

Zirkonyum(IV) silikat (ZrSiO₄), standart koşullar altında suda, seyreltik asitlerde, alkalilerde ve hatta kral suyunda çözünmez kalarak yüksek kimyasal inertliği ile tanınır. Bu kararlılık, yapısındaki güçlü kovalent ve iyonik bağlardan kaynaklanmakta olup, ortam sıcaklıklarında ve basınçlarında çoğu yaygın kimyasal reaktife karşı dirençli olmasını sağlar. Bu inertlik, nötr sulu sistemlerde tipik olarak saptanabilir sınırların altındaki çözünürlüğü ile onu korozif ortamlarda dayanıklı bir malzeme olarak konumlandırır.^[11]^[12]

Bileşik, zirkonya (ZrO₂) ve silika (SiO₂) veren bir katı hal reaksiyonu yoluyla yalnızca 1.540 °C civarındaki yüksek sıcaklıklarda bozunarak olağanüstü termal kararlılık sergiler. Bu bozunma eşiği, numune saflığına ve safsızlıklara bağlı olarak biraz değişir ve rapor edilen çalışmalarda yaklaşık 1.285 °C ile 1.700 °C arasında değişir, ancak saf sentetik formlar faz değişimleri olmadan yüksek ısıya uzun süre maruz kalmaya tutarlı bir şekilde dayanır. Ek olarak, doğal zirkonyum(IV) silikat, kristal kafesinde Zr(IV) yerine geçen her biri 150–300 ppm konsantrasyonlarda uranyum ve toryum gibi eser elementleri sıklıkla içerir; bu aktinitler, alfa bozunma süreçleri yoluyla uranyumdan 3.700–7.400 Bq/kg ve toryumdan 1.200–2.500 Bq/kg spesifik aktiviteler üreterek mineralin radyoaktivitesine katkıda bulunur.^[13]^[14]^[15]

Zr(IV) katyonunun d⁰ elektronik konfigürasyonu, zirkonyum(IV) silikata diyamanyetik özellikler kazandırır; bu da eşleşmemiş elektronların bulunmaması ve dolayısıyla saf numuneler için görünür spektrumda içsel bir paramanyetizma veya renk emilimi olmaması anlamına gelir. Bu elektronik yapı aynı zamanda geniş pH kararlılığını ve hidrolize karşı direncini de destekler; çünkü malzeme, nötrden hafif asidik veya bazik koşullara kadar yapısal bütünlüğünü korur ve minimal çözünme gösterir (örneğin, pH 3–5 ve 600 °C’de ~1 ppm Zr). Çözünürlük ve potansiyel hidroliz, yalnızca OH⁻ veya F⁻ gibi ligandlarca zengin aşırı asidik veya alkali sıvılarda belirgin şekilde artar, ancak tipik jeolojik veya endüstriyel pH aralıklarında bozulmaya karşı oldukça dirençli kalır.^[16]^[12]

Yapı ve bağlar

Kristal yapı

Zirkonyum(IV) silikat (ZrSiO₄), I41/amd (No. 141) uzay grubunda tetragonal kristal sisteminde kristalleşir.^[17] Birim hücre dört formül birimi (Z = 4) içerir ve a = 6,607(1) Å ve c = 5,982(1) Å kafes parametrelerine sahiptir.^[17]

Bu yapıda, Zr⁴⁺ katyonları sekizli koordinasyona sahip bölgeleri işgal ederek bozulmuş üçgen dodekahedronlar (ZrO₈ çokyüzlüleri) oluşturur. Si⁴⁺ katyonları, izole SiO₄⁴⁻ birimleri içinde dörtyüzlü koordinasyondadır. Bu çokyüzlüler, üç boyutlu bir iskelet oluşturmak üzere bağlanır: Kenar paylaşımlı SiO₄ dörtyüzlüleri ve ZrO₈ dodekahedronlarından oluşan zincirler c-eksenine paralel uzanır ve bitişik zincirler köşe paylaşımı yoluyla bağlanarak yoğun, çapraz bağlı bir silikat ağı oluşturur.^[18]

Zirkonyum(IV) silikat, ortam koşulları altında kararlı birincil form olan zirkon fazı ile polimorfizm sergiler.^[19] Yaklaşık 20 GPa’nın üzerindeki yüksek basınçlarda, yine SiO₄ dörtyüzlüleri ve ZrO₈ çokyüzlüleri içeren ancak daha kompakt bir düzenlemeye sahip şelit (scheelite) tipi yapıdaki daha yoğun bir polimorf olan reidite dönüşür. Reidit yüzey koşullarında yarı kararlıdır (metastable) ve doğal şok metamorfizmasına uğramış numunelerde gözlemlenmiştir.

Bağ özellikleri

Zirkonyum(IV) silikat (ZrSiO₄), yapısal sertliğine katkıda bulunan kovalent ve iyonik etkileşimleri birleştiren hibrit bir bağ şemasına sahiptir. SiO₄ dörtyüzlüleri, yoğunluk fonksiyonel teorisi hesaplamalarıyla belirlendiği üzere, oldukça kovalent bir ortamdaki silikon (yaklaşık +1,93 efektif yük) ile ağırlıklı olarak kovalent bağ sergiler. Buna karşılık, Zr-O etkileşimleri önemli bir iyonik karakter gösterir; zirkonyum, yükün oksijenden daha elektropoztif Zr⁴⁺ katyonuna transferinin bu iyonik doğayı artırdığı ZrO₂’ye kıyasla daha yüksek bir iyonisite (yaklaşık +2,85 efektif yük) sergiler.

ZrSiO₄’teki oksijen atomları, her biri iki Zr atomuna ve bir Si atomuna (OZr₂Si) koordine olan üçlü köprü ligandları olarak görev yapar ve kenar paylaşımlı SiO₄ dörtyüzlüleri ile ZrO₈ çokyüzlülerinden oluşan oldukça bağlantılı bir çerçeve oluşturur. Bu köprüleme konfigürasyonu, çokyüzlüler arasındaki paylaşılan kenarların esnekliği en aza indirdiği ve genel kararlılığı artırdığı rijit bir üç boyutlu ağı teşvik eder.

ZrSiO₄’teki Zr⁴⁺ katyonu, d elektronlarına sahip olmayan bir d⁰ iyonudur; bu durum, birçok geçiş metali bileşiğinde renkten sorumlu olan kristal alan yarılmasının ve d-d elektronik geçişlerinin yokluğuyla sonuçlanır. Sonuç olarak saf ZrSiO₄ renksizdir; doğal numunelerde gözlenen herhangi bir renk tonu, içsel bağ özelliklerinden ziyade safsızlıklardan veya kusurlardan kaynaklanır.^[20]

Tipik bağ uzunlukları bu bağ ikiliğini yansıtır: Si-O bağları ortalama yaklaşık 1,62 Å olup güçlü kovalent örtüşmeye işaret ederken, Zr-O bağları 2,12 ila 2,28 Å arasında değişerek daha uzun iyonik mesafelerle uyumludur.^[1]

Nominal olarak susuz bir mineral olan ZrSiO₄, yapısında hidroksil grupları veya su molekülleri barındırmaz; bu da aksi takdirde yapısal değişkenlik yaratabilecek hidrojen bağı veya diğer zayıf moleküller arası etkileşimleri önler.^[21]

Bulunuş

Jeolojik oluşum

Yaygın olarak zirkon (ZrSiO₄) olarak bilinen zirkonyum(IV) silikat, temel olarak granitler ve pegmatitler gibi felsik magmatik kayaçlardaki silika bakımından zengin magmaların kristalleşmesi sırasında bir aksesuar mineral olarak oluşur.^[22] Bu ortamlarda zirkon, soğuma sürecinin erken evrelerinde zirkonyum ve silika bakımından zenginleşmiş eriyiklerden kristalleşir ve genellikle kayaç matrisi içine gömülü küçük, prizmatik kristaller olarak görünür.^[23] Bu birincil magmatik oluşum, zirkonyumun manto ve kabuk kaynaklarından türetilen yaygın bir iz element olduğu kıtasal kabuk ortamlarında yaygındır.^[24]

Zirkonun ikincil oluşumu, protolit magmatik zirkonların yüksek sıcaklık ve basınç koşulları altında değişime uğradığı yeniden kristalleşme gibi süreçler yoluyla metamorfik kayaçlarda meydana gelir.^[25] Metamorfizma sırasında zirkon, özellikle granülit fasiyesi arazilerinde, çevreleyen kayaç sıvılarından elementleri bünyesine katarak mevcut tanelerin etrafında yeni çeperler veya aşırı büyümeler oluşturabilir.^[26] Bu yeniden kristalleşme, metamorfik olayları kaydederken orijinal kristal yapının çoğunu korur ve zirkonun sağlam bir jeolojik kayıtçı olarak rolüne katkıda bulunur.

Birincil ana kayaçların ayrışması ve erozyonunu takiben, zirkon taneleri detritik (kırıntılı) bileşenler olarak serbest kalır ve ilmenit, rutil ve monazit gibi diğer ağır minerallerin yanı sıra kuvars ve feldispat gibi daha hafif fazlarla ilişkilendiği plaser kumları da dahil olmak üzere tortul yataklara dahil olur.^[27]^[28] Bu detritik zirkonlar, yüksek yoğunlukları ve bozulmaya karşı dirençleri nedeniyle genellikle plaj, nehir veya kumul ortamlarında yoğunlaşır.^[29]

Zirkonun yüksek sertliğinden (Mohs ölçeğinde 7–7,5) ve kimyasal kararlılığından kaynaklanan olağanüstü dayanıklılığı, uzun süreli erozyona, mekanik taşınmaya ve çoklu tortul döngülere önemli bir bozulma olmaksızın dayanmasını sağlar.^[29] Bu direnç, kristalleşme sırasında bünyesine katılan uranyum izotoplarının bozunması yoluyla jeolojik olayların hassas yaş tayinlerini sağlayarak, zirkonun U-Pb jeokronolojisi için kilit bir mineral olarak hizmet etmesine olanak tanır.^[30]

Yaklaşık 4,4 milyar yıl öncesine tarihlenen bilinen en eski zirkon kristalleri, Batı Avustralya’daki Jack Hills bölgesindeki metasedimanter kayaçlarda detritik taneler olarak bulunmuş olup, oluşumundan kısa bir süre sonra Dünya’da erken bir farklılaşmış kıtasal kabuğun varlığına dair kanıt sunmaktadır.^[31]

Başlıca yataklar

Yaygın olarak zirkon olarak bilinen zirkonyum(IV) silikat, temel olarak yüksek yoğunluğu nedeniyle yoğunlaştığı plaj ve nehir plaser yataklarındaki ağır mineral kumlarında bulunur. Bu plaser yatakları, Avustralya ve Güney Afrika gibi önde gelen üreticilerin yanı sıra Çin, Ukrayna ve Sierra Leone gibi diğer önemli üreticilerle birlikte ekonomik olarak işletilebilir kaynakların büyük kısmını oluşturur. Avustralya’da; Victoria, Yeni Güney Galler ve Güney Avustralya’daki Murray Havzası, Iluka Resources tarafından işletilen ve önemli zirkon çıktısı sağlayan operasyonlar da dahil olmak üzere önemli alüvyal ağır mineral kumlarına ev sahipliği yapar. Güney Afrika’nın KwaZulu-Natal bölgesindeki Richards Bay Minerals işletmesi, kıyı kumullarından ağır mineral kumlarını işleyerek küresel üretime büyük katkı sağlar. Sierra Leone’de, Sierra Rutile Limited, Güney Eyaleti’nde, özellikle Gbangbama yatağında rutil madenciliğinin bir yan ürünü olarak zirkon çıkarmaktadır.^[32]^[33]^[34]^[35]

Plaser yataklarının ötesinde, zirkon, alkali granitler ve karbonatitler gibi magmatik ve metamorfik kayaçlarda da bulunur. Norveç’te, Oslo Rifti içindeki Larvik Plütonik Kompleksi, peralkalin granitlerle ilişkili alkali pegmatitlerde zirkon içerir. Brezilya’nın Goiás eyaletindeki Catalão I karbonatit kompleksi, karbonatit kayaçlarında bir aksesuar mineral olarak zirkon barındırır.^[36]^[37]

Dünya zirkonyum rezervleri ZrO₂ eşdeğeri olarak 70 milyon tonu aşmakta olup, zirkon mineral konsantrelerinin dünya üretimi 2024 yılında tahmini 1,5 milyon tondur (2023’teki 1,44 milyon tondan %4 artış).^[35] Doğal zirkon, yaygın bir safsızlık olarak tipik şekilde %0,5–2 HfO₂ ile birlikte, hafif radyoaktivitesine katkıda bulunan eser miktarda uranyum (1–20.000 ppm) ve toryum (0,5–5.000 ppm) içerir.^[38]^[39]^[40]

Berraklığı ve renk çeşitliliği ile değer verilen mücevher kalitesindeki zirkon, nehir çakıllarının takı için uygun malzeme sağladığı Sri Lanka ve Kamboçya’daki plaser yataklarından elde edilir. Tarihsel olarak zirkon taşları, Doğu Afrika ve Hindistan’daki eski yataklardan temin edilmiş olup, ticaret ve süslemede kullanımına dair kanıtlar binlerce yıl öncesine dayanmaktadır.^[10]^[29]^[41]

Üretim

Doğal çıkarım

Yaygın olarak zirkon olarak bilinen zirkonyum(IV) silikat, başlangıçta değerli taş ve refrakter kullanımları için Avustralya ve Güney Afrika gibi bölgelerdeki plaj kumlarına odaklanan ve 20. yüzyılın başlarında başlayan endüstriyel madencilik operasyonları yoluyla, temel olarak ağır mineral kumlarındaki plaser yataklarından çıkarılır.^[41]^[42]

Zirkon için madencilik yöntemleri tipik olarak plaser kumları için açık ocak kazısını veya taramayı (dredging) içerir; kıyı ve alüvyal yataklar için yoğunlaşmış ağır minerallere erişmek amacıyla sulu tarama yaygındır.^[43]^[44] Cevher, çıkarılmasının ardından, zirkonun yüksek yoğunluğundan yararlanarak %95’i aşan saflıklara ulaşan spiral konsantratörler ve sallantılı masalar gibi gravite ayırma teknikleri yoluyla ilk konsantrasyona tabi tutulur.^[45]^[46]

İleriki zenginleştirme işlemleri, ilmenit gibi demir içeren safsızlıkları gidermek için manyetik ayırmayı ve ardından zirkonu diğer silikatlardan ve minerallerden izole ederek saflığı artırmak için flotasyon süreçlerini kullanır.^[45]^[47]

Zirkon mineral konsantrelerinin küresel üretimi 2023’te yaklaşık 1,6 milyon tona ve 2024’te 1,5 milyon tona ulaşmış olup, büyük operasyonlar, Iluka Resources gibi şirketlerin dünyanın en büyük zirkon yatağı olan Jacinth-Ambrosia madeni gibi kilit tesisleri işlettiği Avustralya’da yoğunlaşmıştır.^[48]^[35]^[49]

Zirkon, ağır mineral kumu madenciliği sırasında rutil ve ilmenit gibi titanyum minerallerinin yanı sıra sıklıkla bir yan ürün olarak geri kazanılır; atık yönetimi uygulamaları, çevresel riskleri azaltmak için kontrollü bertaraf ve rehabilitasyon yoluyla ilişkili monazitten kaynaklanan radyoaktif atıkları ele alır.^[5]^[15]^[32]

Sentetik yöntemler

Zirkonyum(IV) silikat, silikat fazını oluşturmak için zirkonya (ZrO₂) ve silikanın (SiO₂) bir elektrik ark ocağında 1.700 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarda ısıtılmasını içeren füzyon yöntemiyle üretilebilir.^[50] Bu yüksek sıcaklık işlemi, endüstriyel seramikler için uygun, yoğun ve refrakter sınıfı malzeme sağlar.^[51]

Yaygın bir diğer yaklaşım, zirkonyum oksiklorür (ZrOCl₂) gibi zirkonyum tuzlarının sulu çözeltide sodyum silikat ile reaksiyona sokularak bir çökelti oluşturulduğu, ardından bu çökeltinin filtrelendiği, kurutulduğu ve kristal silikatı elde etmek için yüksek sıcaklıklarda kalsine edildiği çökeltmedir.^[52] Bu yöntem, ayarlanabilir bileşime sahip ince tozların üretimini kolaylaştırır ve genellikle homojen parçacık dağılımı gerektiren uygulamalar için kullanılır.^[53]

Nano ölçekli veya oldukça homojen varyantlar için, hidroliz ve yoğunlaşma sürecinde öncüler olarak zirkonyum n-propoksit ve tetraetil ortosilikat gibi metal alkoksitlerin kullanıldığı, ardından jelleşme, kurutma ve ısıl işlemin takip ettiği sol-jel sentezi tercih edilir.^[54] Bu teknik, mikroyapı üzerinde hassas kontrol sağlar ve kaplamalardaki veya kompozitlerdeki gelişmiş malzemeler için idealdir.^[55]

Sentetik zirkonyum(IV) silikat, genellikle %99,5’i aşan saflıkta avantajlar sunar ve uygun öncüler seçilerek hafniyum ve radyoaktif safsızlıklardan arındırılmış olarak üretilebilir; bu da onu doğal kaynaklara kıyasla nükleer ve yüksek hassasiyetli uygulamalar için tercih edilir kılar.^[56] Bu yöntemler, elektronik ve biyotıp gibi niş sektörlerdeki talepleri karşılayacak şekilde ölçeklendirilen üretimle, temel olarak özel kullanımlar için uygulanır.^[57]

Kullanım alanları

Seramik ve refrakter uygulamaları

Yaygın olarak zirkon olarak bilinen zirkonyum(IV) silikat, yüksek kırılma indisi, kimyasal kararlılığı ve düşük termal genleşmesi nedeniyle seramik ve refrakter malzemelerde çok önemli bir rol oynar. Seramiklerde, sırlar ve emayelerde opaklık ve beyazlık elde etmek için temel olarak bir opaklaştırıcı olarak kullanılırken, refrakterlerde yüksek sıcaklık ortamları için termal şok direncini ve korozyon direncini artırır. Bu uygulamalar, zirkonun ışığı saçma ve aşırı koşullar altında yapısal bütünlüğünü koruma yeteneğinden yararlanarak, onu karo üretimi ve metal işleme gibi endüstrilerde vazgeçilmez kılar.^[58]^[59]

Sırlar ve emayelerde bir opaklaştırıcı olarak zirkon, ışığı saçmak ve özellikle seramik karolar ve vitrifiye ürünlerde dayanıklı bir beyaz opaklık üretmek için tipik olarak %5 ila %12 arasında değişen konsantrasyonlarda eklenir. Bu ilave, şeffaf sırları yüzeyi matlaştırmadan opak hale dönüştürerek, demir açısından zengin alt tabakalarda kalın uygulamalarda bile alttaki gövde renklerini etkili bir şekilde kapatan “klozet beyazı” bir yüzey sağlar. Zirkonun yüksek kırılma indisi (yaklaşık 1,92), düşük termal genleşme katsayısı sayesinde estetik tutarlılık ve azaltılmış çatlama (crazing) sağlayarak bu ışık saçma etkisine katkıda bulunur.^[3]^[60]

Refrakter uygulamalarında zirkon, hızlı sıcaklık değişimlerinin meydana geldiği çelik dökümhanelerinde kullanımı mümkün kılan mükemmel termal şok direnci nedeniyle tuğlalara ve kalıplara dahil edilir. %15–65 ZrSiO₄ içeren yoğun zirkon tuğlalar, 2,7–3,7 g/cm³ yığın yoğunlukları ve 100 MPa’yı aşan soğuk ezilme mukavemetleri sergileyerek cam fırınları ve çelik potaları için uygun hale gelir. Eritme ve döküm yoluyla üretilen erimiş zirkon, üstün erozyon direnci ve erimiş metallerle ıslanmama özelliği olan potalar oluşturarak demir dışı metal eritme işlemlerinde performansı daha da artırır. Zirkonun düşük termal iletkenliği (yaklaşık 5 W/m·K) ısı kaybını en aza indirirken, refrakter bileşimlere eklenmesi asidik cüruflara karşı genel dayanıklılığı artırır.^[59]^[61]^[62]

Zirkon, döküm süreçlerinde kalıp geçirgenliğini, çekme mukavemetini ve yüzey kalitesini iyileştirdiği dökümhane kumlarında önemli bir katkı maddesi olarak görev yapar. Kum veya un (öğütülmüş zirkon) formlarında kullanıldığında, küresel zirkon üretiminin yaklaşık %14’ünü oluşturur ve düşük termal genleşmesi, yüksek erime noktası (2.100–2.300°C) ve kimyasal inertliği nedeniyle hassas döküm ve kabuk kalıplama için idealdir. Bu özellikler, damarlanma (veining) gibi kusurları azaltır ve verimli soğumayı teşvik ederek daha yüksek döküm verimine ve kumun geri dönüştürülebilirliğine yol açar.^[63]^[64]

Küresel olarak seramik sektörü zirkon üretiminin %50’sinden fazlasını tüketmektedir ve bu hacmin yaklaşık %85’i karo üretimine yönlendirilmektedir; bu oran 2024 itibarıyla yıllık 620.000 metrik tondan fazlasına denk gelmektedir. Tarihsel olarak zirkon, kalay okside uygun maliyetli bir alternatif olarak 1920’lerde sırlarda yaygın olarak benimsenmesiyle, 20. yüzyılın başlarından beri porselen ve geleneksel seramiklerde opaklık artırma amacıyla kullanılmıştır.^[58]^[65]^[3]

Erimiş zirkonyum silikat boncukları gibi zirkon bazlı öğütme ortamları (bilyalar), seramik çamurlarının ve pigmentlerin dispersiyonu sırasında kontaminasyonu en aza indiren 7–7,5 Mohs sertliği ve aşınma direnci sayesinde öğütme uygulamalarında kullanılır. 0,1 mm’den birkaç milimetreye kadar boyutlarda mevcut olan bu boncuklar, mürekkepler ve kaplamalar gibi yüksek viskoziteli malzemelerin işlenmesi için dikey ve yatay değirmenlerde verimli performans sunar.^[66]^[67]

İleri ve tıbbi uygulamalar

Zirkon olarak bilinen zirkonyum(IV) silikat, mikroelektronikte kapasitörler ve kapı dielektrikleri için yarı iletken ince filmlerde high-k (yüksek dielektrik sabiti) dielektrik malzeme olarak görev yapar ve silikon alttaşlarla uyumluluğu korurken silikon dioksitten daha yüksek bir dielektrik sabiti sunar.^[68] Araştırmalar, zirkonyum silikat filmlerin düşük sızıntı akımları ve 900°C’ye kadar termal kararlılık sergilediği atomik katman biriktirme (ALD) yoluyla ölçeklenmiş CMOS cihazlarındaki potansiyelini göstermiştir.^[69]

Nükleer uygulamalarda zirkon, reaktör ortamlarında düşük nötron soğurma ve radyasyon kaynaklı bozunmaya karşı dirençleri nedeniyle değer verilen, yakıt zarflarında kullanılan alaşımların üretimi için birincil zirkonyum kaynağını sağlar.^[70] Zirkon kumu işlenmesinden elde edilen bu alaşımlar, yüksek sıcaklık, korozif koşullar altında koruyucu oksit katmanları oluşturarak hafif su reaktörlerinde daha yüksek yakıt yanma oranlarına ve gelişmiş güvenliğe olanak tanır.^[71]

İlgili bir bileşik olan sodyum zirkonyum siklosilikat (ZS-9, Lokelma olarak pazarlanmaktadır), mikrogözenekli kristal yapısı yoluyla gastrointestinal sistemdeki potasyum iyonlarını seçici olarak hapsederek ve uygulamadan sonraki saatler içinde serum potasyum seviyelerini düşürerek hiperkalemi tıbbi tedavilerinde kullanılır.^[72] ABD Gıda ve İlaç Dairesi (FDA), sodyum veya magnezyum dengesi üzerinde önemli olumsuz etkiler olmaksızın hastaların %90’ından fazlasında normokalemi başarısını gösteren klinik çalışmalara dayanarak, Mayıs 2018’de hiperkalemili yetişkinler için ZS-9’u onaylamıştır.^[73]

Bir değerli taş olarak zirkon, parlak bir ateş üreten yüksek kırılma indisi ve dispersiyonu nedeniyle değer verilerek, antik çağlardan beri bir elmas taklidi olarak kesilmiş ve mücevherlerde kullanılmıştır.^[74] Orta Çağ’da derin uyku getirdiğine, kötü ruhları kovduğuna, bilgelik ve refahı teşvik ettiğine inanılmış, bu da Avrupa ve Asya kültürlerinde tılsımlara ve süs eşyalarına dahil edilmesine yol açmıştır.^[74]

Zirkonyum silikat ayrıca su arıtma filtrelerinde de kullanım alanı bulur; burada boncukları, ağır metalleri ve organik kirleticileri hapsetmek için yoğun, homojen bir ortam olarak hareket ederek arıtma tesislerinde atık su berraklığını artırır.^[75] Kimyasal inertliği ve düşük toksisitesi nedeniyle zirkonyum silikat, ortopedik uygulamalar için seramik kompozitler gibi biyomedikal implantlarda biyouyumluluğa katkıda bulunur ve enflamatuar tepkileri tetiklemeden kemik bütünleşmesini (osseointegrasyon) destekler.^[76]

Toksisite ve güvenlik

Sağlık tehlikeleri

Endüstriyel ortamlarda genellikle ince bir toz olarak karşılaşılan zirkonyum(IV) silikat, kimyasal reaktiviteden ziyade temel olarak mekanik tahriş yoluyla akut toksikolojik etkiler gösterir. Toz maruziyeti, ciltte kızarıklık veya hafif dermatit ve gözlerde rahatsızlık, yaşarma veya geçici bulanık görme şeklinde kendini gösteren aşındırıcı tahrişe neden olabilir. Tozun solunması, solunum yollarını tahriş ederek öksürüğe, hapşırmaya veya nefes darlığına neden olabilir, ancak çözünmezliği ve inert yapısı nedeniyle sistemik emilim ihmal edilebilir düzeydedir.^[77]^[78]

Zirkonyum(IV) silikat tozuna kronik maruziyet, özellikle solunabilir partiküllerin zamanla akciğerlerde birikip pulmoner granülomlara veya fibroze neden olabildiği soluma yoluyla daha büyük riskler oluşturur. Uzun süreli cilt teması, hassas bireylerde kronik dermatite veya granülomatöz reaksiyonlara yol açabilir. Malzeme, bu potansiyel etkiler nedeniyle GHS standartları uyarınca tahriş edici olarak sınıflandırılmıştır.^[79]^[77]^[80]

Zirkonyum(IV) silikatın küçük miktarlarda yutulması genellikle toksik değildir ve düşük akut oral tehlikeye işaret eder. Zirkonyum(IV) silikattaki doğal uranyum ve toryum izleri, toz solunmasından kaynaklanan ve önemli sağlık sorunlarıyla ilişkilendirilen seviyelerin çok altında kalan düşük bir radyasyon riski oluşturur.^[80]

Çevresel ve düzenleyici hususlar

Yaygın olarak zirkon olarak bilinen zirkonyum(IV) silikat, toprakta ve suda çözünmezliği nedeniyle düşük çevresel hareketlilik sergiler ve doğrudan salımdan kaynaklanan ekolojik riskleri en aza indirir.^[6] Kararlı mineral yapısı, topraklarda tipik olarak 300 ppm civarında ve nehir suyunda 0,04 ppb’nin altındaki zirkonyum konsantrasyonlarıyla biyoyararlanımı sınırlar ve su veya kara ekosistemlerinde önemli bir birikimi önler.^[6] Genellikle monazit gibi ilişkili ağır metalleri içeren ağır mineral kumlarından kaynaklanan madencilik atıkları (tailings), potansiyel radyolojik endişeler oluşturur ancak genellikle tehlikesizdir ve iyileştirme ve peyzaj restorasyonunu kolaylaştırmak için maden boşluklarına geri doldurularak yönetilir.^[81]^[82]

AB REACH düzenlemeleri kapsamında, zirkonyum(IV) silikat bir madde olarak tescil edilmiştir (EC 239-019-6) ve çevresel tehlikeler için uyumlaştırılmış bir sınıflandırması yoktur, ancak safsızlıklar belirli değerlendirmeleri etkileyebilir.^[83] Amerika Birleşik Devletleri’nde OSHA, zirkonyum bileşikleri (Zr olarak) için 8 saatlik zaman ağırlıklı ortalama olarak 5 mg/m³’lük bir izin verilen maruziyet sınırı belirlemiştir; bu sınır, elleçleme sırasında soluma risklerini azaltmak için solunabilir tozlar için geçerlidir.^[84] Malzeme genel olarak tehlikesiz olarak sınıflandırılır ancak toz maruziyeti durumunda cilt, gözler ve solunum yolları için potansiyel bir tahriş edici olarak kabul edilir.^[85]

Zirkonyum(IV) silikat için sürdürülebilirlik çabaları, yan ürünlerin hammadde talebini azaltmak ve alümina bazlı karolar gibi alternatiflere kıyasla genel çevresel etkileri düşürmek için yeniden kullanıldığı seramik üretim atıklarından geri dönüşümü içerir.^[86]^[87] Düşük eko-toksisitesi, kimyasal çözünmezliğinden kaynaklanmakta olup, bertaraftan kaynaklanan kirliliği en aza indirirken inşaat malzemelerinde güvenli yeniden kullanıma olanak tanır.^[6]^[88]

Küresel standartlar, zirkondaki doğal olarak oluşan radyoaktif malzemeleri (NORM) ele almaktadır; IAEA kılavuzları, IAEA BSS uyarınca yıllık 10 μSv’nin altındaki kamu dozlarıyla sonuçlanan malzemeler için muafiyet gibi aktivite düzeylerine dayalı dereceli yönetimi önermektedir; bu yönetim, toz kontrolüne, gama radyasyonunun izlenmesine (stok sahalarında tipik olarak 1,0–1,4 μSv/saat) ve dozların yıllık 250 μSv’nin altında kaldığı durumlarda (2025 itibarıyla değişmeyen 2007 IAEA kılavuzuna göre) düzenli depolama bertarafına vurgu yapar.^[89] ABD’de EPA, yükselmiş uranyum ve toryum içeren kalıntıların güvenli bir şekilde elleçlenmesini ve bertaraf edilmesini sağlamak için eyalet ortaklıkları aracılığıyla ağır mineral kumları da dahil olmak üzere madencilik faaliyetlerinden kaynaklanan TENORM’u denetler.^[90]^[91]

Zirkonyum(IV) silikatı içeren tarihsel çevresel olaylar minimaldir ve temel olarak madencilik ve işlemeden kaynaklanan lokalize toz emisyonları ile sınırlıdır; bu durum, 1970’te OSHA’nın kurulmasını ve ardından 1970’lerde maruziyet sınırlarında yapılan güncellemeleri takiben havadaki partikül kontrolüne yönelik düzenleyici odağı artırmıştır. 2025 itibarıyla, 2020’den bu yana zirkon madenciliği ile ilgili hiçbir büyük çevresel olay rapor edilmemiş olup, son yaşam döngüsü değerlendirmeleri alternatiflere kıyasla düşük ekolojik ayak izini doğrulamaktadır.^[92]^[81]^[93]