再添 “家底”!我國新發現大型鍶礦牀,這意味着什麼?

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根據江蘇省地質調查研究院的消息,我國的勘探團隊在南京的溧水盆地,新發現了1處大型鍶礦牀。根據預估,這裏的鍶礦(天青石)礦石推斷資源量達545.55千噸,礦物量達265.40千噸。

其實溧水盆地原本就是我國重要的鍶礦資源區域,在此之前已經發現過大中型鍶礦牀4處,這一次的發現,進一步補充了我國鍶礦的儲量。

乍聽上去,鍶(Sr)好像距離我們生活很陌生,那麼這種元素是稀土元素嗎,它又有哪些性質,在我們的生活中又有哪些用途呢?

鍶是稀土元素嗎?

鍶的原子序數爲38,是一種銀白色有光澤的金屬元素。雖然看上去,與稀土元素類似,都是質地較軟有銀白色金屬狀態的元素,但它並非稀土元素。

鍶單質(圖片來源:Wikipedia)

稀土元素是17種金屬元素的統稱,包括了鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)等。由於它們彼此之間具有非常相似的化學性質,總是在礦牀中共生,故難以分離、提取,所以通常統稱爲稀土元素,而鍶並不在其中。

鍶有哪些性質?

鍶元素在自然界,通常會以化合物的形式出現,鍶礦主要以天青石(SrSO₄)和菱鍶礦(SrCO₃)爲主。鍶元素其實在地球上並不少見,是地球上含量第15多的元素。但全球鍶資源的分佈卻極不均衡,主要集中在少數幾個國家和地區。

墨西哥是世界上鍶資源最豐富的國家,天青石儲量超過2000萬噸,佔全球儲量的30%以上。西班牙是另一個重要的鍶資源國,儲量約1000萬噸,主要分佈在南部的礦山中。另外一個鍶儲量多的國家就是我們中國了,目前查明儲量超過2000萬噸。另外美國雖然廣泛分佈着鍶礦牀,但美國自1959年以來一直未被開採鍶礦,而是進口他國的鍶。

礦物天青石 ( SrSO4 )(圖片來源:Wikipedia)

天然鍶有着四種同位素,分別是鍶-84、鍶-86、鍶-87和鍶-88。其中鍶-88含量最多,大約佔天然鍶的83%。此外,人工核裂變過程中,鈾-235會產生一種放射性同位素鍶-90。由於鍶在生物體內吸收方式與鈣元素類似,所以鍶-90很容易被人體吸收,因此是核輻射中最危險的成分之一。不過我們不用擔心,天然的鍶同位素都不含放射性,所以對健康無害。

甜蜜的“中間商”

1808年,英國化學家戴維首次發現了鍶元素。很快,它就迎來了第一次大規模應用,生成蔗糖。

在19世紀,無論是使用甘蔗還是甜菜製糖,轉化率都不高,會產生一種叫“糖蜜”的副產品。一聽名字就知道,其中還含有很多糖分。只是這些糖跟其他雜質混在一起,很難再通過加熱直接結晶提取出來。

其實糖蜜的含糖量非常高,大約在50%左右。儘管糖蜜本身也能用作飼料或者釀酒,但如果能把這些糖再提取出來,就能直接提高原材料的產糖量了。所以當鍶元素被發現後不久,化學家們就嘗試使用氫氧化鍶作爲提取糖類的化學物質。氫氧化鍶的作用就像個“中間人”:把它加到糖蜜溶液裏,它就會和糖結合,生成一種叫“蔗糖酸鍶”的物質。這種物質雖然不溶於水,卻可以溶解在氫氧化鍶溶液中,這樣就能把糖從雜質裏提取出來。

隨後,再往溶液中通入二氧化碳,糖就會重新被釋放出來,變成糖水,同時氫氧化鍶也變回碳酸鍶進行沉澱,還可以回收再使用。這樣一來,糖被成功提取,大部分鍶材料還能循環使用,減少浪費。儘管今天,製糖業還會採取類似的流程,只不過會把鍶元素變成鈣元素,因爲科學家們發現了鍶元素其他的用途。

爲千家萬戶帶去色彩

隨着電子工業的發展,科學家們很快發現了鍶的一個重要特點,就是鍶的化合物碳酸鍶能夠有效吸收X射線。在傳統的“大屁股”彩色電視機中,產生彩色的元件是顯像管,它在工作時會產生一點點X射線。雖然量很少,但爲了確保用戶的安全,還是需要想辦法把X射線屏蔽掉。

用傳統的含鉛玻璃效果不錯,但這種含鉛玻璃如果用在正對着我們的屏幕位置,時間長了會讓屏幕顏色變暗、發黃,影響畫面質量。所以當時的科學家就想到了用碳酸鍶,加入少量碳酸鍶的玻璃能像一塊透明的盾牌,有效地吸收並阻擋X射線,同時它還不會讓屏幕變色,能保證畫面色彩鮮豔、清晰。

在2000年前後,世界上大部分的鍶產量都用於生產陰極射線管(CRT)顯示器(圖片來源:Wikipedia)

雖然在今天,傳統的顯像管已經逐漸被取代。但是鍶元素的在新型顯示材料中仍然發揮着重要作用。鍶的另外一種化合物鈦酸鍶常常用作半導體、光學和壓電應用中的基材,並且由於它具有高介電常數的特性,所以很多電容器也使用了鈦酸鍶。對於我們普通人來說,鍶元素儲量的增加,很可能會讓我們以後買電腦硬盤變得便宜一些,因爲鈦酸鍶也是計算機存儲器的重要原料。今年朗以衝突,導致伊朗的阿巴斯港發生爆炸,就讓全球鈦酸鍶產量發生了短缺,從而讓這幾個月電腦硬盤的價格出現了一次飛漲。

除了這些作用,鍶元素的應用非常廣泛:由於鍶的天然同位素性質穩定,但不同地區的分佈比例不同。所以考古學家就可以通過分析骨骼中的鍶同位素的比值,來判斷古代人類和動物的遷移歷史;鍶元素在醫學上有骨質疏鬆症治療和骨癌疼痛緩解的作用,雷奈酸鍶是臨牀上廣泛使用的抗骨質疏鬆藥物,含鍶的牙膏能夠有效預防齲齒,還可以治療牙齒敏感;在煙花中,也經常會用到鍶元素。它燃燒時會產生深紅色,目前煙花消耗佔全球約5%的鍶產量。另外,鍶元素還能應用在特種陶瓷、磁性合金、新型電池儲能材料等領域。

在煙花中添加鍶鹽可以產生紅色的效果(圖片來源:Wikipedia)

也正因如此,此次在江蘇溧水發現的大型鍶礦牀,是我國重要的戰略性礦產資源。如果合理、高效、具有經濟性地使用鍶礦,會成爲鍶資源開發利用接下來要考慮的問題了!

參考文獻

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