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話說鈧金屬：分散但不稀缺
劉繼順
2011-04-14
一、鈧元素性質(zhì)：光明之神
一盞加鈧的鈉鹵素?zé)簦饷⑺纳?，穿云破霧，且省電長壽命。這使得鈧有了“光明之神”的美譽(yù)！
1879年，瑞典的化學(xué)教授L.F.Nilson和P.T.Cleve，差不多同時(shí)在稀有礦物硅鈹釔礦和黑稀金礦，發(fā)現(xiàn)了一種新元素。Nilson用他的故鄉(xiāng)斯堪的納維亞半島給鈧命名為Scandium（縮寫為Sc，鈧）。鈧就是門捷列夫當(dāng)初所預(yù)言的“類硼”元素。
鈧在元素周期表中，排行21，位于第四周期第三副族。在自然界中，鈧只有一種穩(wěn)定同位素Sc45，且恒為3+價(jià)。原子量為44.956,原子半徑(1.6641A) ,沒有4f 電子, 其鑭系收縮未能使原子尺寸減小到相應(yīng)尺寸,從而導(dǎo)致了鈧與稀土元素性質(zhì)有著顯著的差別,這個(gè)差別幾乎不能使鈧進(jìn)入稀土家族。 但由于鈧在自然界與鑭系稀土元素伴生并且有些性質(zhì)相似,故習(xí)慣上將鈧列入稀土元素。
鈧是一種柔軟、銀白色的過渡性金屬，質(zhì)軟。密度2.9890克/厘米3。熔點(diǎn)1541℃。沸點(diǎn)2831℃。常見化合價(jià)+3。第一電離能為6.54電子伏特。金屬鈧的化學(xué)性質(zhì)活潑能夠與氧、氫、氟、碘和酸堿發(fā)生反應(yīng)，分別生成Sc2O3，ScH3，ScF3，ScI3，ScCl3，Sc（OH）3，Sc2（SO4）3 和Sc2（C2O4）3等化合物。易溶于水，可與熱水作用放出氫氣。鈧在空氣中容易形成一個(gè)暗黃色或灰色的氧化層，從而失去閃亮的光澤而變暗。
二、金屬鈧的用途--味精元素
因?yàn)榻饘兮傠y以制得，在其發(fā)現(xiàn)以后的100年里，鈧的用途一直沒有表現(xiàn)出來。隨著稀土元素分離方法的日益改進(jìn)，如今用于提純鈧的化合物，已經(jīng)有了相當(dāng)成熟的工藝流程。獲得了純凈的鈧的化合物之后，將其轉(zhuǎn)化為ScCl3，與KCl、LiCl共熔，用熔融的鋅作為陰極進(jìn)行電解，使鈧就會(huì)在鋅極上析出，然后將鋅蒸去可以得到金屬鈧。
近30 年來，金屬鈧在國內(nèi)外取得了較多的應(yīng)用實(shí)踐，并取得了極好的效果。
目前，金屬鈧已在激光(Gd3Sc2Ga3O12激光材料，GSGG，新型激光器），電光源（鈧鈉鹵素?zé)簦?，合金（Al-Sc合金，Ga-Sc合金用于航空航天、導(dǎo)彈、汽車和船舶等的結(jié)構(gòu)部件；加鈧中子過濾器）和民用（Ga-Sc合金金屬陶瓷粘結(jié)劑和高級涂層材料；ScB2材料用于輕型耐溫合金和電子槍陰極部件，加鈧電池）等領(lǐng)域有較好的應(yīng)用。
三、鈧的自然產(chǎn)出狀態(tài)：分散但不稀缺
鈧是典型的分散親石元素，但并不稀有。它在地殼中的平均豐度為22-30ppm（即22-30克/噸，換算為三氧化二鈧35-48克/噸），高于Ag，Au，Pb，Sb，Mo，Hg、W和Bi許多，而與B，Br，Sn，Ge和As的豐度相當(dāng)。
在自然界中，鈧不受氧化還原影響，很難還原為金屬，很少能形成顯著富集體(礦床），而是廣泛地分散于各種造巖礦物中（特別是鎂和鐵的硅酸鹽）和含鈧礦物中。
自然界中含鈧的礦物多達(dá)800種以上，但三氧化二鈧含量>0.05%的礦物很少。目前已知的鈧獨(dú)立礦物僅有鈧釔礦((Sc,Y)2Si2O7,Sc2O3 含量為33.8%-42.3%)、水磷鈧礦(ScPO4.2H2O, Sc2O3含量為39.22%)、鈹硅鈧礦(Be3(Sc,Al)2Si6O18,Sc2O3 含量為14.6% )、鋯鈧釔礦（（Sc,Zr)2Si2O7) 和鈦硅酸稀金礦(Sc(Nb,Ti,Si)2O5, Sc2O3 含量為18.0%-20.0% ) 等少數(shù)幾種, 且礦源很少,在自然界中較為罕見。
鈧主要以類質(zhì)同象的形式存在于如鈦鐵礦、鋯鐵礦、鋯英石、鋁土礦、稀土礦、鈦輝石、釩鈦磁鐵礦、鎢礦、錫礦、鈾礦和煤等礦物中。Goldschmidt等在1930年代 認(rèn)為，Sc3+的富集于與巖石礦物中，與類質(zhì)同象置換極為有關(guān), 尤其是Sc3+ 與Fe3+、Mg2+、Al3+的類質(zhì)同晶置換。后來，Ringwood 又補(bǔ)充認(rèn)為，是生成含氧或羥基配合物,特別是在結(jié)晶巖和云英巖中富集鈧更是如此。鈧與其所共生元素的離子半徑和配位數(shù)以及電負(fù)性等性質(zhì)的綜合相似性,決定了它可與許多其它離子進(jìn)行類質(zhì)同象置換。
鈧在各類巖石中的含量，巖漿巖以輝石巖（含三氧化二鈧200-300克/噸)和輝長巖最高（76克/噸）。交代蝕變巖以花崗偉晶巖、含鎢錫的云英巖、鈉長石化巖、云母化巖最為富集，鋁土礦和煤含鈧也相當(dāng)高。特別是煤灰，含三氧化二鈧可達(dá)40-600克/噸。
原礦石含鈧量（三氧化二鈧，克/噸）如下：鋁土礦石40-150；磷礦石10-25；鎢礦石78-337；釩鈦磁鐵礦石13-40；鐵鈮稀土礦石50；貧錳礦石181；離子型稀土礦石20-50；氟碳鈰礦，鉭鈮礦和鈾礦石等也含有鈧(據(jù)林河成，2010）。
精礦物含鈧量（三氧化二鈧，克/噸）分別為：黑鎢礦＞500；鈦鐵礦60；鋁土礦95；選鈦尾礦77；錫石100（據(jù)林河成，2010）。
提鈧原料含鈧量（三氧化二鈧，克/噸）為：煉鎢的鎢渣150-600；煉鋁的赤泥40-150；選鈦的尾礦77；煉鈦白的水解母液25-100；高鈦渣氯化的煙塵736（據(jù)林河成，2010）。
全球鈧的資源極為豐富，工業(yè)儲量約200萬噸（以金屬鈧計(jì)，統(tǒng)計(jì)不完全）。中國的鈧資源也很豐富，工業(yè)儲量約65萬噸（據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)），占世界總工業(yè)儲量的33%。
四、鈧的生產(chǎn)：冶煉副產(chǎn)品
由于含鈧礦物很多，從礦物直接提取鈧制品較復(fù)雜又困難。目前，我國主要以廢渣、廢水、煙塵等為原料先提取三氧化二鈧，再提煉金屬鈧。最主要是從鈦鐵礦生產(chǎn)鈦白的廢液、氯化物煙塵、生產(chǎn)氧化鋁的赤泥中回收鈧。國外，還有從鈾礦石生產(chǎn)加工過程中回收鈧。至今，還未能從精礦（含鈧）直接提取三氧化二鈧。
從長遠(yuǎn)看，今后我國用于提取鈧的原料主要是四川的釩鈦磁鐵礦和煉鋁的赤泥。其主要原因是它們的礦物量很大，鈧的總含量多，適合用于長期的開發(fā)利用，且提取鈧的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，也可以從中國火電廠的巨量粉煤灰中提取。
五、鈧的產(chǎn)銷：市場容量有限
1970-1980年代，我國鈧產(chǎn)量較少，主要出口日本，美國和歐洲。出口量約40公斤，國內(nèi)銷量約20公斤。1990年代初，歐洲及日本急需鈧且需量較大，我國近10個(gè)廠生產(chǎn)鈧，產(chǎn)能猛增至700公斤左右，產(chǎn)量達(dá)150公斤，出口130公斤，國內(nèi)銷量約20公斤。
2000年以來，因俄羅斯大量生產(chǎn)的鈧產(chǎn)品，沖擊市場，造成我國一些生產(chǎn)廠家關(guān)閉或停產(chǎn)。目前全世界鈧的總銷量約450公斤，中國總銷量約占世界總銷量的14%。
近30 多年來，金屬鈧的市場價(jià)格變化很快。1990年初99.99%鈧的市場價(jià)7.5萬美元/公斤。后因俄羅斯低價(jià)拋售鈧，99.99%鈧市場價(jià)狂跌為0.81萬美元/公斤。2002年市價(jià)2.0萬美元/公斤。2007年市價(jià)降為1.25萬美元/公斤。99.99%鈧的長期價(jià)格趨勢將維持在1.3-1.5萬美元/公斤的水平上，主因是世界鈧產(chǎn)量與消費(fèi)量接近平衡。2011年，99.99%的鈧價(jià)格在600-700美元/公斤之間（ScandiumMetal 7440-20-2；Unit Price:US $686.60 / piece； UnitType:piece；Package Weight:1.0kg (2.20lb.)；Package Size:11cm x 11cmx 11cm (4.33in x 4.33in x 4.33in)；Place of Origin:Inner MongoliaChina ；Content(percent):99.999%；Grade:99.999%）。
世界生產(chǎn)鈧的主要國家有中國、俄羅斯、日本、美國、挪威、法國和烏克蘭等。俄羅斯和中國為主要生產(chǎn)國，兩國的產(chǎn)量及銷量之和大于總量的90%。據(jù)估計(jì)，目前世界金屬鈧的銷售量約450-500公斤，我國約為60-70公斤，占世界總銷量的13.4%-14.0%，我國目前鈧產(chǎn)品主要以內(nèi)銷為主，出口量極少。隨著Al-Sc合————金及電光源材料的快速發(fā)展，今后我國乃至世界的鈧銷量將會(huì)快速增長。
綜上所述，鈧金屬的來源與利用問題，根本不在于鈧礦資源儲量多少問題，而在于冶煉渣、塵、液的回收鈧、新材料的研發(fā)及鈧資源回收的環(huán)境污染問題。
