铷的资源和应用前景分析

铷的资源和应用前景分析铷在医药、催化剂、电子元件、磁流体发电、特种玻璃甚至火箭离子推进装置中都展现了其广泛的应用。由于铷元素在高科技领域有无可替代的作用，需求量与日剧增，其能源储量日益趋于紧张，如何高效的使用铷以及如何改进铷的提取技术，在今后铷的应用前景里将会是很重要的一个课题。标签：铷应用领域应用前景0前言铷是德国科学家RobertBunsen、GustavRobertKirchhopp在1861年通过光谱分析法利用分光镜通过锂云母矿物时发现的。铷是一种银白色蜡状金属，质地轻而柔软，比重仅为1.532g/cm3，在（102.7F=39.2℃）温度环境下可熔解为液态，至686℃沸腾。铷属于碱性金属，原子序数37，化学性质较钾活泼，在光的作用下易放出电子，是第二个最具正电性且稳定的碱金属元素。遇水起剧烈作用，生成氢气和氢氧化铷。易与氧作用生成氧化物。由于遇水反应放出大量热，所以可使氢气立即燃烧。因其在室温条件下会发生自燃，纯金属铷通常存储于密封的玻璃安瓿瓶中。在我国，铷资源的分布较为广泛，但多存在于其他矿物之中，目前在自然界中未发现有独立的铷矿物，因此铷的采集主要通过从其他矿产中提取为主，如从光卤石、锂云母、海水中及部分地层水，盐湖卤水中提取。其中又以光卤石中铷的总储量为最大。铷共有45个同位素（铷-71～铷-102），其中有1个同位素是稳定的。在自然界出现的铷-87，带有弱放射性。由于铷元素特有的化学及物理性质，使其在诸多领域中发挥了重要的作用。1铷的矿物特征和矿物类形及铷资源分布情况铷元素在地壳中分布广泛，丰度值为16甚至比铜还高，其含量约为0.0279%，因此可算是资源量较为丰富的一种元素。但地球上的铷没有单独富集形成独立矿物，而是分散在其他造岩矿物中。目前发现铷主要赋存在白榴石、艳榴石、锂云母、光卤石、海水及盐湖卤水等自然矿物中。锂云母里含有1.5%的铷，是提供铷工业产品的重要来源，其次是钾矿物及一些钾的氯化物。在这些矿物里，铷主要是以钾的类质同象形式赋存在钾矿矿物中。铷在全球范围内，以南非、美国加拿大、赞比亚，纳米比亚等国的储量最为丰富，数据显示仅加拿大地区Baenic湖沉积物中就含有超过2000吨的铷资源。据有关资料显示，全球已探明铷的总储量約为1077万吨（不包括海水中的铷，海水中铷的浓度大约为0.12mg/L）其中90%以上存在于盐湖卤水中。下表为国内外重要盐湖卤水中铷的浓度值：在中国铷资源也非常丰富，主要赋存于锂云母等矿石和盐湖卤水中，且锂云母中铷含量占到全国铷资源储量的55%。从赋存形式及分布地域上看：以矿石形式存在的铷资源主要分布在新疆、江西、西藏等地；以江西宜春资源量最为丰富，是目前我国铷产品的主要来源；以卤水形式存在的铷广泛分布在四川、青海、西藏等地的盐湖、地热水中；四川海相沉积深部富钾卤水中铷含量达32.55mg/L，属世界罕见。我国盐湖累计面积有37927km2，经估算，仅察尔汗盐湖（5856km2）至少有62155万吨Rb2O。截止2013年，我国已确定的氧化铷总量已达到13.17万吨，可采的部分占比例达到37%。目前我们在梅州地区也发现一个新的铷矿床，且资源量巨大，这些铷矿化就发生在中细粒黑云母花岗岩与上覆围岩间的内外接触蚀变带内。经检测发现铷就赋存在花岗岩里的钾长石中及上部变质砂页岩里的云母矿物里，估计是同期矿化的产物。目前仅对上部的变质砂页岩进行工作，经钻探工程实际控制的Rb2O量已达2.73万吨。这种花岗岩、变质岩内同时出现矿化的现象是不多见的铷的矿化类型。2铷提取技术的研究现状由于铷是分散元素，常与其它碱金属元素钾、钠、锂、铯共生，且它们无论是物理，还是化学性质都十分相似，这为铷的分离、提纯和产品深加工带来了很大困难，增加了铷提取、提纯工艺的复杂性。从最初的分步结晶法开始，逐步开发出了沉淀法、离子交换法、溶剂萃取法等多种提铷加工工艺，并不断在研究探索中。目前我国主要采用的提取方法有传统的沉淀法及较为新兴的溶液萃取法和离子交换法。由于沉淀法在卤水中提取铷元素的研究中很少用到，本文着重介绍溶液萃取法和离子交换法。2.1溶液萃取法采用溶剂萃取法分离提取铷是近年来研究较多、应用潜力较大的技术，它是一种分离回收的技术，易实现连续自动化操作。既可用于卤水中铷的提取，也可用于矿物中铷的提取。其重点研究内容在于萃取剂的改进。目前主要是利用冠醚、酚醇试剂、二苦胺及其衍生物来作为萃取剂。其中二苦胺及其衍生物由于有许多自身因素，近年来已很少应用。酚醇类试剂应用最多的是4-叔丁基2（α-甲苄基）酚（t-BAMBP），它是一种弱酸性取代苯酚萃取剂，有稳定性好、水溶性小、不易挥发、选择性强、反应迅速、易于反萃、毒性小、价格较便宜等优点，是铷特效萃取剂。采用t-BAMBP萃取铷时，要重视稀释剂效应，宜选择介电常数小的惰性溶剂作为稀释剂，由于这些溶剂能防止t-BAMBP在稀释剂中以氢键形成的聚合作用，可获得较高的分配比。安莲英[5]利用t-BAMBP萃取分离提取四川平落高钾卤水中的铷，考察了稀释剂种类、萃取剂浓度、萃取相比、碱度、萃取时间、水洗相比、反萃剂酸度、反萃时间等相关因素对分离的影响，获得纯度97.5%的RbCl，铷总萃取率达92.7%。2.2离子交换法离子交换法是从盐水及制盐卤水中提取铷的主要方法，该方法相对工艺较为简单，但回收率高且选择性好。由于离子交换的选择，主要取决于交换剂，因此对于该方法的研究，集中于研究选择性更为良好的交换剂。目前已研究开发出一些具有良好选择吸附性能的新型离子交换剂，其中又分无机交换剂和有机交换剂两种。2.2.1无机交换剂无机交换剂主要有人造沸石和杂多酸盐两大类。沸石是晶状铝硅酸盐，资源丰富，价格低廉。其矿物结构有较大的比表面积和孔体积，具有良好的吸附、离子交换性能，可以从大量稀溶液中分离富集Rb+，且不需消耗大量能源，这一特性已受到人们的重视。但Rb+在洗脱溶液中的富集及产品的纯度等问题还有待進一步研究解决。研究表明，无机离子交换剂可大大提升离子交换的选择性质量，对于从卤水中提取铷的分离效率极高，提取率超过90%，并且交换剂可以重复使用。杂多酸盐类交换剂主要有磷钼酸盐（磷钼酸铵、磷钼酸锆）、磷钨酸盐（磷钨酸铵、磷钨酸锆）、砷钼酸盐和硅钼酸盐等，其中对磷钼酸铵的研究比较广泛。但磷钼酸铵是细粉末微晶状结构，水力学性能较差，不能进行柱式操作。此外，对其它杂多酸盐的交换性能也有报道，但因其低分离因数都不具备实际应用价值。2.2.2有机交换剂有机离子交换剂的代表为螯合树脂，它们对铷的交换容量较大，可用于铷的提取和分离，但由于其对高价离子的交换势大，高价离子共存时交换干扰严重，而且耐热性、抗辐射性差等缺陷，此类交换剂仍处于实验研究阶段，离实际应用及生产还有一定的过程。3铷的使用状况及应用前景目前世界上对铷的需求量还十分少，每年大约仅几千吨而已。这是由于铷元素具有十分活泼的化学性质（主要指室温条件下可自然），因此需要严格的管理，储存及运输等各环节的安全保障手段。这种高标准的要求在某些方面制约了铷的使用和开发。另一方面，目前从矿物中提取铷的方法有限，效率不高，产量过低、生产成本高昂，且在某些领域作为铷的替代品铯的获取更为方便，供应更为稳定。这些因素总体制约了铷作为一般工业产品的稳定性和经济效益。从而影响当前铷的使用。但就铷及其化合物的独特性质，使得铷在诸如电子/电力/，催化济，特殊玻璃，生物化学及医药等传统领域有着重要作用外，在一些高科技领域中如磁流体发电，热离子转换发电，离子推进火箭，激光转换电能装置方面都显示出了越来越重要的作用，以下列举的是铷在传统及新兴领域的使用现状。3.1电力及电子铷的主要应用领域就在于电力及电子行业。利用铷元素易于离子化的特性，其在磁流体发电等发面发挥了重要的作用。该技术与其他发电技术的最大区别就在于将铷材料用作了发电材料，由于铷元素的独特化学及物理性质，大大提高了热转换的效率。据统计，采用铷材料后的磁流体发电机可使原核电站的总热效率提升100%。同样由于其易离子化的特性，一般光源就可使其释放出自由电子。铷元素因此而具有十分良好的光电特性、导电导热性能及光化学活性。这使得其在电子领域中受到了极大的重视。它是红外技术必须使用的常备材料，同时在光电池、光电倍增管和原子钟等原件中也是重要的组成材料。3.2特种玻璃铷资源的另一大市场是生产特种玻璃。研究人员合成了碳酸铷，并将之添加到玻璃中，发现碳酸铷的添加大大降低了玻璃的导电性能，提高了使用的稳定性和安全性。这种玻璃被广泛应用于夜视设备和通讯光纤中。3.3医疗及其他行业医学上，氯化铷和其他几种铷盐用于DNA和RNA超速离心分离过程中的密度梯度介质；放射性铷可用于血流放射性示踪；碘化铷有时取代碘化钾用于治疗甲状腺肿大；一些铷盐可作为镇静剂、使用含砷药物后的抗休克制剂和癫痫病治疗等。其他方面：铷及其化合物除上述应用领域外，还具有下列一些典型应用：铷及其与钾、钠、铯形成的合金可作为真空电子管中痕量气体的吸气剂和除去高真空系统中残余气体的除气剂。铷作为化学示踪剂，示踪不同种类的生产物品。87Rb衰变成86Sr已广泛应用于鉴别岩石和矿物年代（铷-锶法）。使用前景展望在电解铝发明之前，因铝的产量低而成本高昂，铝曾经也是一种非常昂贵的金属，以至于当年拿破仑晏请其部下时，给他的将军们配的是银碗，而他自已却用铝碗以示高贵。同样的今天，随着科学技术的不断发展与精化，铷的应用需求领域也将会不断扩大，铷及其化合物的一些独特特性已显示出极大的应用前景和重要的科学与商业价值，比如在航天航空、国防工业等领域的应用需求有不断增加之态势，加之世界能源的日趋紧缺，铷在能源方面的需求也将会不断提高。而随着制约铷资源应用的因素得以逐个解决，（比如铷的提炼技术在不断完善与成熟，目前离子交换法与萃取法具有非常高的工业应用前景）提高了铷的产量也降低了提取成本，从而使得铷在商业应用上提高了其经济适用性和工业产品的稳定性。在使用便利性方面，目前已研究探索出了各种方法如：利用惰性气体，采用液体石蜡，采用真空条件等方式来管理及储存铷，因此铷的使用、管理变得越来越方便。可以预见，今后铷在各个领域的应用前景将会越来越广，尤其在高科技上，铷发挥的作用将越来越大，展示出了十分广阔的应用前景；例如在军用通信领域，气泡铷原子频标是目前应用最为广泛的原子频标，由于铷资源在价格、稳定性、准确度等方面的优势，近年来世界各国的卫星均采用铷原子取代了传统的铯原子作为星载的频标。同样的情况，也发生在GPS（全球定位系统）中。所以，我们有理由推定，随着铷矿开发的不断深入，选冶技术的不断完善使之提取成本越来越低，加之科技发展所推动的需求，今后铷的社会商品供应程度也将大幅提高，社会需求也会越来越大。4结束语由于铷资源在高科技领域不可替代的许多作用，可以预见在未来的十几年乃至几十年中，其应用前景及用量都会不断扩大，而不断扩大的需求量要求铷的提取技术也必须随之有较大的改进。如今，溶液萃取法，离子交换法等新兴技术方法已日趋成熟，生产出的铷质量及提取率也有了大的提升，如何在现有的方式方法上，再次提升提取率、创新提取方法并持续拓宽铷的应用领域将是今后研究的重点方向。参考文献[1]王斌等.盐湖铷铯资源提取分离的研究进展[J].南京工