銣的資源和應(yīng)用前景分析

銣的資源和應(yīng)用前景分析銣在醫(yī)藥、催化劑、電子元件、磁流體發(fā)電、特種玻璃甚至火箭離子推進(jìn)裝置中都展現(xiàn)了其廣泛的應(yīng)用。由于銣元素在高科技領(lǐng)域有無(wú)可替代的作用，需求量與日劇增，其能源儲(chǔ)量日益趨于緊張，如何高效的使用銣以及如何改進(jìn)銣的提取技術(shù)，在今后銣的應(yīng)用前景里將會(huì)是很重要的一個(gè)課題。標(biāo)簽：銣應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用前景0前言銣?zhǔn)堑聡?guó)科學(xué)家RobertBunsen、GustavRobertKirchhopp在1861年通過(guò)光譜分析法利用分光鏡通過(guò)鋰云母礦物時(shí)發(fā)現(xiàn)的。銣?zhǔn)且环N銀白色蠟狀金屬，質(zhì)地輕而柔軟，比重僅為1.532g/cm3，在（102.7F=39.2℃）溫度環(huán)境下可熔解為液態(tài)，至686℃沸騰。銣屬于堿性金屬，原子序數(shù)37，化學(xué)性質(zhì)較鉀活潑，在光的作用下易放出電子，是第二個(gè)最具正電性且穩(wěn)定的堿金屬元素。遇水起劇烈作用，生成氫氣和氫氧化銣。易與氧作用生成氧化物。由于遇水反應(yīng)放出大量熱，所以可使氫氣立即燃燒。因其在室溫條件下會(huì)發(fā)生自燃，純金屬銣通常存儲(chǔ)于密封的玻璃安瓿瓶中。在我國(guó)，銣資源的分布較為廣泛，但多存在于其他礦物之中，目前在自然界中未發(fā)現(xiàn)有獨(dú)立的銣礦物，因此銣的采集主要通過(guò)從其他礦產(chǎn)中提取為主，如從光鹵石、鋰云母、海水中及部分地層水，鹽湖鹵水中提取。其中又以光鹵石中銣的總儲(chǔ)量為最大。銣共有45個(gè)同位素（銣-71～銣-102），其中有1個(gè)同位素是穩(wěn)定的。在自然界出現(xiàn)的銣-87，帶有弱放射性。由于銣元素特有的化學(xué)及物理性質(zhì)，使其在諸多領(lǐng)域中發(fā)揮了重要的作用。1銣的礦物特征和礦物類(lèi)形及銣資源分布情況銣元素在地殼中分布廣泛，豐度值為16甚至比銅還高，其含量約為0.0279%，因此可算是資源量較為豐富的一種元素。但地球上的銣沒(méi)有單獨(dú)富集形成獨(dú)立礦物，而是分散在其他造巖礦物中。目前發(fā)現(xiàn)銣主要賦存在白榴石、艷榴石、鋰云母、光鹵石、海水及鹽湖鹵水等自然礦物中。鋰云母里含有1.5%的銣，是提供銣工業(yè)產(chǎn)品的重要來(lái)源，其次是鉀礦物及一些鉀的氯化物。在這些礦物里，銣主要是以鉀的類(lèi)質(zhì)同象形式賦存在鉀礦礦物中。銣在全球范圍內(nèi)，以南非、美國(guó)加拿大、贊比亞，納米比亞等國(guó)的儲(chǔ)量最為豐富，數(shù)據(jù)顯示僅加拿大地區(qū)Baenic湖沉積物中就含有超過(guò)2000噸的銣資源。據(jù)有關(guān)資料顯示，全球已探明銣的總儲(chǔ)量約為1077萬(wàn)噸（不包括海水中的銣，海水中銣的濃度大約為0.12mg/L）其中90%以上存在于鹽湖鹵水中。下表為國(guó)內(nèi)外重要鹽湖鹵水中銣的濃度值：在中國(guó)銣資源也非常豐富，主要賦存于鋰云母等礦石和鹽湖鹵水中，且鋰云母中銣含量占到全國(guó)銣資源儲(chǔ)量的55%。從賦存形式及分布地域上看：以礦石形式存在的銣資源主要分布在新疆、江西、西藏等地；以江西宜春資源量最為豐富，是目前我國(guó)銣產(chǎn)品的主要來(lái)源；以鹵水形式存在的銣廣泛分布在四川、青海、西藏等地的鹽湖、地?zé)崴?；四川海相沉積深部富鉀鹵水中銣含量達(dá)32.55mg/L，屬世界罕見(jiàn)。我國(guó)鹽湖累計(jì)面積有37927km2，經(jīng)估算，僅察爾汗鹽湖（5856km2）至少有62155萬(wàn)噸Rb2O。截止2013年，我國(guó)已確定的氧化銣總量已達(dá)到13.17萬(wàn)噸，可采的部分占比例達(dá)到37%。目前我們?cè)诿分莸貐^(qū)也發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的銣礦床，且資源量巨大，這些銣礦化就發(fā)生在中細(xì)粒黑云母花崗巖與上覆圍巖間的內(nèi)外接觸蝕變帶內(nèi)。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)銣就賦存在花崗巖里的鉀長(zhǎng)石中及上部變質(zhì)砂頁(yè)巖里的云母礦物里，估計(jì)是同期礦化的產(chǎn)物。目前僅對(duì)上部的變質(zhì)砂頁(yè)巖進(jìn)行工作，經(jīng)鉆探工程實(shí)際控制的Rb2O量已達(dá)2.73萬(wàn)噸。這種花崗巖、變質(zhì)巖內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)礦化的現(xiàn)象是不多見(jiàn)的銣的礦化類(lèi)型。2銣提取技術(shù)的研究現(xiàn)狀由于銣?zhǔn)欠稚⒃?，常與其它堿金屬元素鉀、鈉、鋰、銫共生，且它們無(wú)論是物理，還是化學(xué)性質(zhì)都十分相似，這為銣的分離、提純和產(chǎn)品深加工帶來(lái)了很大困難，增加了銣提取、提純工藝的復(fù)雜性。從最初的分步結(jié)晶法開(kāi)始，逐步開(kāi)發(fā)出了沉淀法、離子交換法、溶劑萃取法等多種提銣加工工藝，并不斷在研究探索中。目前我國(guó)主要采用的提取方法有傳統(tǒng)的沉淀法及較為新興的溶液萃取法和離子交換法。由于沉淀法在鹵水中提取銣元素的研究中很少用到，本文著重介紹溶液萃取法和離子交換法。2.1溶液萃取法采用溶劑萃取法分離提取銣?zhǔn)墙陙?lái)研究較多、應(yīng)用潛力較大的技術(shù)，它是一種分離回收的技術(shù)，易實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)化操作。既可用于鹵水中銣的提取，也可用于礦物中銣的提取。其重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容在于萃取劑的改進(jìn)。目前主要是利用冠醚、酚醇試劑、二苦胺及其衍生物來(lái)作為萃取劑。其中二苦胺及其衍生物由于有許多自身因素，近年來(lái)已很少應(yīng)用。酚醇類(lèi)試劑應(yīng)用最多的是4-叔丁基2（α-甲芐基）酚（t-BAMBP），它是一種弱酸性取代苯酚萃取劑，有穩(wěn)定性好、水溶性小、不易揮發(fā)、選擇性強(qiáng)、反應(yīng)迅速、易于反萃、毒性小、價(jià)格較便宜等優(yōu)點(diǎn)，是銣特效萃取劑。采用t-BAMBP萃取銣時(shí)，要重視稀釋劑效應(yīng)，宜選擇介電常數(shù)小的惰性溶劑作為稀釋劑，由于這些溶劑能防止t-BAMBP在稀釋劑中以氫鍵形成的聚合作用，可獲得較高的分配比。安蓮英[5]利用t-BAMBP萃取分離提取四川平落高鉀鹵水中的銣，考察了稀釋劑種類(lèi)、萃取劑濃度、萃取相比、堿度、萃取時(shí)間、水洗相比、反萃劑酸度、反萃時(shí)間等相關(guān)因素對(duì)分離的影響，獲得純度97.5%的RbCl，銣總萃取率達(dá)92.7%。2.2離子交換法離子交換法是從鹽水及制鹽鹵水中提取銣的主要方法，該方法相對(duì)工藝較為簡(jiǎn)單，但回收率高且選擇性好。由于離子交換的選擇，主要取決于交換劑，因此對(duì)于該方法的研究，集中于研究選擇性更為良好的交換劑。目前已研究開(kāi)發(fā)出一些具有良好選擇吸附性能的新型離子交換劑，其中又分無(wú)機(jī)交換劑和有機(jī)交換劑兩種。2.2.1無(wú)機(jī)交換劑無(wú)機(jī)交換劑主要有人造沸石和雜多酸鹽兩大類(lèi)。沸石是晶狀鋁硅酸鹽，資源豐富，價(jià)格低廉。其礦物結(jié)構(gòu)有較大的比表面積和孔體積，具有良好的吸附、離子交換性能，可以從大量稀溶液中分離富集Rb+，且不需消耗大量能源，這一特性已受到人們的重視。但Rb+在洗脫溶液中的富集及產(chǎn)品的純度等問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究解決。研究表明，無(wú)機(jī)離子交換劑可大大提升離子交換的選擇性質(zhì)量，對(duì)于從鹵水中提取銣的分離效率極高，提取率超過(guò)90%，并且交換劑可以重復(fù)使用。雜多酸鹽類(lèi)交換劑主要有磷鉬酸鹽（磷鉬酸銨、磷鉬酸鋯）、磷鎢酸鹽（磷鎢酸銨、磷鎢酸鋯）、砷鉬酸鹽和硅鉬酸鹽等，其中對(duì)磷鉬酸銨的研究比較廣泛。但磷鉬酸銨是細(xì)粉末微晶狀結(jié)構(gòu)，水力學(xué)性能較差，不能進(jìn)行柱式操作。此外，對(duì)其它雜多酸鹽的交換性能也有報(bào)道，但因其低分離因數(shù)都不具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。2.2.2有機(jī)交換劑有機(jī)離子交換劑的代表為螯合樹(shù)脂，它們對(duì)銣的交換容量較大，可用于銣的提取和分離，但由于其對(duì)高價(jià)離子的交換勢(shì)大，高價(jià)離子共存時(shí)交換干擾嚴(yán)重，而且耐熱性、抗輻射性差等缺陷，此類(lèi)交換劑仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，離實(shí)際應(yīng)用及生產(chǎn)還有一定的過(guò)程。3銣的使用狀況及應(yīng)用前景目前世界上對(duì)銣的需求量還十分少，每年大約僅幾千噸而已。這是由于銣元素具有十分活潑的化學(xué)性質(zhì)（主要指室溫條件下可自然），因此需要嚴(yán)格的管理，儲(chǔ)存及運(yùn)輸?shù)雀鳝h(huán)節(jié)的安全保障手段。這種高標(biāo)準(zhǔn)的要求在某些方面制約了銣的使用和開(kāi)發(fā)。另一方面，目前從礦物中提取銣的方法有限，效率不高，產(chǎn)量過(guò)低、生產(chǎn)成本高昂，且在某些領(lǐng)域作為銣的替代品銫的獲取更為方便，供應(yīng)更為穩(wěn)定。這些因素總體制約了銣作為一般工業(yè)產(chǎn)品的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益。從而影響當(dāng)前銣的使用。但就銣及其化合物的獨(dú)特性質(zhì)，使得銣在諸如電子/電力/，催化濟(jì)，特殊玻璃，生物化學(xué)及醫(yī)藥等傳統(tǒng)領(lǐng)域有著重要作用外，在一些高科技領(lǐng)域中如磁流體發(fā)電，熱離子轉(zhuǎn)換發(fā)電，離子推進(jìn)火箭，激光轉(zhuǎn)換電能裝置方面都顯示出了越來(lái)越重要的作用，以下列舉的是銣在傳統(tǒng)及新興領(lǐng)域的使用現(xiàn)狀。3.1電力及電子銣的主要應(yīng)用領(lǐng)域就在于電力及電子行業(yè)。利用銣元素易于離子化的特性，其在磁流體發(fā)電等發(fā)面發(fā)揮了重要的作用。該技術(shù)與其他發(fā)電技術(shù)的最大區(qū)別就在于將銣材料用作了發(fā)電材料，由于銣元素的獨(dú)特化學(xué)及物理性質(zhì)，大大提高了熱轉(zhuǎn)換的效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用銣材料后的磁流體發(fā)電機(jī)可使原核電站的總熱效率提升100%。同樣由于其易離子化的特性，一般光源就可使其釋放出自由電子。銣元素因此而具有十分良好的光電特性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能及光化學(xué)活性。這使得其在電子領(lǐng)域中受到了極大的重視。它是紅外技術(shù)必須使用的常備材料，同時(shí)在光電池、光電倍增管和原子鐘等原件中也是重要的組成材料。3.2特種玻璃銣資源的另一大市場(chǎng)是生產(chǎn)特種玻璃。研究人員合成了碳酸銣，并將之添加到玻璃中，發(fā)現(xiàn)碳酸銣的添加大大降低了玻璃的導(dǎo)電性能，提高了使用的穩(wěn)定性和安全性。這種玻璃被廣泛應(yīng)用于夜視設(shè)備和通訊光纖中。3.3醫(yī)療及其他行業(yè)醫(yī)學(xué)上，氯化銣和其他幾種銣鹽用于DNA和RNA超速離心分離過(guò)程中的密度梯度介質(zhì)；放射性銣可用于血流放射性示蹤；碘化銣有時(shí)取代碘化鉀用于治療甲狀腺腫大；一些銣鹽可作為鎮(zhèn)靜劑、使用含砷藥物后的抗休克制劑和癲癇病治療等。其他方面：銣及其化合物除上述應(yīng)用領(lǐng)域外，還具有下列一些典型應(yīng)用：銣及其與鉀、鈉、銫形成的合金可作為真空電子管中痕量氣體的吸氣劑和除去高真空系統(tǒng)中殘余氣體的除氣劑。銣作為化學(xué)示蹤劑，示蹤不同種類(lèi)的生產(chǎn)物品。87Rb衰變成86Sr已廣泛應(yīng)用于鑒別巖石和礦物年代（銣-鍶法）。使用前景展望在電解鋁發(fā)明之前，因鋁的產(chǎn)量低而成本高昂，鋁曾經(jīng)也是一種非常昂貴的金屬，以至于當(dāng)年拿破侖晏請(qǐng)其部下時(shí)，給他的將軍們配的是銀碗，而他自已卻用鋁碗以示高貴。同樣的今天，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與精化，銣的應(yīng)用需求領(lǐng)域也將會(huì)不斷擴(kuò)大，銣及其化合物的一些獨(dú)特特性已顯示出極大的應(yīng)用前景和重要的科學(xué)與商業(yè)價(jià)值，比如在航天航空、國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用需求有不斷增加之態(tài)勢(shì)，加之世界能源的日趨緊缺，銣在能源方面的需求也將會(huì)不斷提高。而隨著制約銣資源應(yīng)用的因素得以逐個(gè)解決，（比如銣的提煉技術(shù)在不斷完善與成熟，目前離子交換法與萃取法具有非常高的工業(yè)應(yīng)用前景）提高了銣的產(chǎn)量也降低了提取成本，從而使得銣在商業(yè)應(yīng)用上提高了其經(jīng)濟(jì)適用性和工業(yè)產(chǎn)品的穩(wěn)定性。在使用便利性方面，目前已研究探索出了各種方法如：利用惰性氣體，采用液體石蠟，采用真空條件等方式來(lái)管理及儲(chǔ)存銣，因此銣的使用、管理變得越來(lái)越方便?？梢灶A(yù)見(jiàn)，今后銣在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景將會(huì)越來(lái)越廣，尤其在高科技上，銣發(fā)揮的作用將越來(lái)越大，展示出了十分廣闊的應(yīng)用前景；例如在軍用通信領(lǐng)域，氣泡銣原子頻標(biāo)是目前應(yīng)用最為廣泛的原子頻標(biāo)，由于銣資源在價(jià)格、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度等方面的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)世界各國(guó)的衛(wèi)星均采用銣原子取代了傳統(tǒng)的銫原子作為星載的頻標(biāo)。同樣的情況，也發(fā)生在GPS（全球定位系統(tǒng)）中。所以，我們有理由推定，隨著銣礦開(kāi)發(fā)的不斷深入，選冶技術(shù)的不斷完善使之提取成本越來(lái)越低，加之科技發(fā)展所推動(dòng)的需求，今后銣的社會(huì)商品供應(yīng)程度也將大幅提高，社會(huì)需求也會(huì)越來(lái)越大。4結(jié)束語(yǔ)由于銣資源在高科技領(lǐng)域不可替代的許多作用，可以預(yù)見(jiàn)在未來(lái)的十幾年乃至幾十年中，其應(yīng)用前景及用量都會(huì)不斷擴(kuò)大，而不斷擴(kuò)大的需求量要求銣的提取技術(shù)也必須隨之有較大的改進(jìn)。如今，溶液萃取法，離子交換法等新興技術(shù)方法已日趨成熟，生產(chǎn)出的銣質(zhì)量及提取率也有了大的提升，如何在現(xiàn)有的方式方法上，再次提升提取率、創(chuàng)新提取方法并持續(xù)拓寬銣的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹墙窈笱芯康闹攸c(diǎn)方向。參考文獻(xiàn)[1]王斌等.鹽湖銣銫資源提取分離的研究進(jìn)展[J].南京工