用好这些珍贵的矿产资源

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“锂”从山中来,仗剑走天涯 邓伟 李成秀 冀成庆 徐莺 周雄 1.“锂”的家族群 1)锂锂的克拉克值为30ppm,是较分散而又广泛分布的元素,主要在岩浆结晶作用的晚期阶段富集在伟晶岩中;花岗岩中含量最高,其次是碱性岩。矿床中经常与铍、铷、铯、钽等有益元素共生。目前,已知含锂的矿物有150多种,呈独立矿物形式的有30多种,主要工业锂矿物有锂辉石、锂云母、透锂长石、磷锂铝石、铁锂云母等。川西稀有金属矿集区中的锂资源基本以锂辉石形式产出。锂辉石,化学成分LiAl[Si2O6]。一般Li2O含量7%左右;晶体呈柱状、板状、针状,颜色可呈无色、灰白、淡紫、淡绿、淡黄、宝石绿色;条痕白色;摩式硬度6.5-7;比重3.03-3.22。 含锂矿物特征2)铍铍的克拉克值为6ppm,为显著的亲石元素。在花岗岩及霞石正长岩中的含量较高,在岩浆分异过程中富集于岩浆残液中,经常固结集中在岩石圈最上部,在地壳深部含量减少。世界上已发现的铍矿物和含铍矿物有60多种,常见的矿物约有40多种,主要的工业矿物有绿柱石、硅铍石、羟硅铍石、金绿宝石和日光榴石。绿柱石,化学成分Be3Al2[Si6O18],一般BeO含量13%左右;晶体一般呈柱状,呈绿色、黄色、浅蓝色、红色;条痕白色;玻璃光泽或树脂光泽;性脆;硬度7.5-8;比重2.65-2.91。含铍矿物3)铌和钽铌和钽的原子构造类似,因此,两者在物理化学性质、地球化学性质及矿物学性质方面都很相近。铌、钽经常共生,在岩石和绝大多数矿物中铌和钽的含量此消彼长。在成因上与碱性岩有关的矿物中铌相对富集,与花岗岩有关的矿物中钽相对富集。铌在地壳中的丰度为3.2ppm,钽的丰度为2.4ppm。由于铌、钽的地球化学迁移行为不同,铌开始早、收敛晚,钽主要富集于晚期。所以铌矿物种类多,分布广;而钽的变种少,分布不广。目前,已知的铌、钽矿物和含铌、钽矿物有130多种,常见的有30多种。如铌铁矿-钽铁矿、钽铁矿、铋铁矿、褐钇铌矿、易解石、铌易解石、铌铁金红石、烧绿石、锰钽矿、重钽铁矿、黄钇钽矿、细晶石等。铌钽矿物基本呈黑-棕红色,半金属光泽、油脂光泽,少数为金刚光泽;比重大,因此可用重选方式得以富集;化学成分极为复杂。含铌钽矿物4)铷和铯铷在地壳中的丰度为90ppm。目前没有发现铷的独立矿物,呈分散状态,常以类质同象混入物出现在含钾矿物中。工业来源主要从富含铷的锂、铍、钾的矿物中提取。如锂云母中含Rb2O3%、微斜长石中含Rb2O0.3%、铯榴石中含微量铷等。铯在地壳中的含量为20ppm。含铯的矿物有10多种,但铯的主要来源还是稀有金属伟晶岩中的铯榴石和锂云母。除此之外,铯还分散在其他矿物中,如绿柱石、黑云母、天河石和堇青石等。含铷铯矿物铯榴石,化学式Cs[AlSi2O6] nH2O。一般含Cs2O30%左右,晶体往往呈立方体、粒状及致密块状,无解理;颜色为无色、白色,有时带灰、粉红、浅紫等色颜色;性脆,硬度6.5-7;比重2.67-3.03。 2.“锂”从哪里来 1)传统矿山在您印象中矿山是什么样的?答案也许是偏远、荒凉、破旧的厂房,艰苦的条件,又或许是漫天尘土、泥浆满地、污水四溢,像这样又或许是那样……2)绿色矿山随着时代的发展和绿色矿山建设的推进,如今的矿山早已不再是从前的样子。先进的设备、一流的技术、现代化的厂房,一座座“花园式”的矿山正拔地而起。清洁生产,循环用水,大家再也不用担心环境污染了!3)“石头”变“电池”石头是如何变为电池的呢?锂辉石矿经过采矿进入选矿厂,选矿厂采用物理方法分选出含锂矿物,含锂矿物经过冶金处理成为碳酸锂产品,再由产业部门深加工,最终脱胎换骨成为电池。 3.崭新“锂”程 1) 锂之应用——走入寻常百姓家,健康美好新生活随着科技的快速迭代升级,锂在日常生活中的应用越来越常见。含丁基锂的橡胶轮胎更加耐用,寿命比原来提高了4倍以上,让驾车出行更加安心;锂动力电池驱动的新能源汽车逐渐进入普通家庭,成为城市代步、环保出行的首选之一;锂电池和其他锂产品在娱乐设备上也得到广泛应用,为我们的休闲娱乐生活开启了无限可能性;锂的应用在家中随处可见,它为我们提供了便捷舒适的智能生活。厨房里,添加了锂的电磁炉面板等玻璃制品,可以使其变得更轻、更结实、更耐溶。锂盐可为蔬果进行“健康护理”,防止西红柿腐烂和小麦锈穗病,让人们吃得放心、吃得安心。锂在医学保健方面也有新的应用,不仅可以强身健体,还能防治疾病,是人体健康的“守护者”。国外研究发现,锂与阿尔茨海默病存在关联,一款为中老年市场打造的天然矿泉水“锂水”就此诞生。而锂的用途还在不断拓展中,从交通工具到健康护理,锂的应用遍布我们生活的每个角落,改写了每一个人的生活方式。新世纪崭新的“锂”程指日可待。2) 铍之应用——让医疗成像、诊断和激光医学走到科技前端的金属材料铍,是仅次于锂的轻金属,主要是以铍铜合金和铍金属的形式广泛应用于航空、医学等领域,是新兴产业发展必需的战略性矿产资源。目前,世界上只有美国、中国、俄罗斯等国具有工业规模的从铍矿石开采、提取冶金,到铍金属及合金加工的完整铍工业体系。①提高X射线成像效果因为铍金属既可以稳定地处理高温阻抗,又可以实现对X射线的高度透明,铍箔在医疗和科研X射线设备当中已经使用了很长时间。铍箔作为窗口来穿透聚焦的X射线,同时可以保持X射线发生管那一侧的真空环境。②使低辐射成为可能铍箔仍是CT扫描和乳腺X射线成像等高分辨率医学成像设备中必不可少的材料。在新一代乳腺癌X射线成像设备中使用低辐射扫描可以得到更精细的肿瘤分辨率,使许多早期可治疗阶段的乳腺癌被及时发现,治愈乳腺癌成为可能。③改善X射线光管强度和稳定性作为成像技术的前端科技,铍持续为满足X射线光管高强度、稳定性、抗高温、X射线穿透率等性能要求。④光学激光器的小型化使用氧化铍的医学激光器可以帮助眼科医生为数百万患者恢复或改善视力。具有高导热、高强度、介电性能的氧化铍是唯一能控制微小高功率气体激光器的材料。⑤简化外科手术铜铍连接器将精确的电信号传送到精密手术器械和最新的非侵入性外科技术的监测装置当中。这种技术减少了对病人的创伤和感染风险,同时加快了愈合和恢复的过程。⑥分析血液铍还用于分析HIV和其他疾病的血液分析设备部件当中,给医生和病人提供所需的精确性和可靠性数据。3) 铌之新应用——冉冉升起的电子材料之星铌行业全球市场集中度非常高,目前全球最大的铌矿企业是巴西矿冶公司(CBMN),占据全球市场80%-85%的产量,主要从事铌产品的开发、工业化和商业化运营,是世界上唯一一家可以生产全系列铌产品(包括标准铌铁、特殊牌号铌铁、真空铌铁、真空镍铌、铌金属和五氧化二铌)的企业,对铌价格的走势具有较强的影响力,控制着全球铌产品扩产计划的进度。具有超导性能的元素不少,铌是其中临界温度最高的一种。而用铌制造的合金,临界温度高达绝对温度十八点五到二十一度,是目前最重要的超导材料之一。2019年,材料领域国际顶级期刊《自然材料》发表了复旦大学修发贤团队的最新研究论文《外尔半金属砷化铌纳米带中的超高电导率》。文章显示制备出二维体系中具有目前已知最高导电率的外尔半金属材料——砷化铌纳米带,电导率是铜薄膜的100倍,石墨烯的1000倍。此次制备出的材料砷化铌纳米带的电导率是铜薄膜的100倍,石墨烯的1000倍。业内表示,导电材料是电子工业的基础,现在最主要的材料是铜,已经大规模运用于晶体管的互连导线。4)钽之新应用——人体“亲金属”的神奇医学材料钽作为一种金属材料,具有优异的力学性能和抗疲劳特性,因此被广泛应用于医学领域,尤其是在骨科领域。它可以替代人体骨组织,起到承重作用,目前已在临床取得显著疗效。钽金属材料在与人体组织结合时,具有强度、生物相容性和稳定性等优点。因此,它比传统金属材料的人工置入物更具有优势,在医学领域的发展前景十分广泛。研究和临床应用表明,多孔钽金属具有比金属钛和钛合金更好的骨融合和骨传导性能,运用钽金属材料制作的仿生骨骨组织长入良好,骨性生物固定优良。未来,利用3D打印高致密度和高力学性能钽金属核心技术,将为我国在高端骨科植入物、医疗器械和难熔金属工业部件发展领域做出积极的贡献。不仅如此,将钽金属与其他金属材料结合应用在临床医学中也取得了十分重要的突破。很多金属材料因其独特的性能可用于医学领域,但是由于缺乏生物相容性,不能将其优点很好地应用在临床。为此,科研人员想到将耐腐蚀性强且稳定的钽金属涂覆在这些金属材料的表面,使那些有独特性能但原先忌于低生物相容性而不能用于临床的金属材料重新用于临床,并取得显著疗效。5)铷之应用——超视距精确授时,极佳光电传感器件制造全球独立铷矿床非常少,下游应用供应链受限,已成为全球对该元素发展的约束要素。铷是自然界一种最大光电效应的稀有分散元素,其合成材料在智能制造中逐渐开始发力。铷因其极佳的光电效应,在光电管、红外辐射仪表、太阳能光电池等器件制造方面均实现了重大革命性变革。据外媒报道,太阳能电池在通往最高效率的道路上正在不断改进中。德国国家可再生能源实验室研究人员开发了一种新的太阳能电池,为了改善用于吸收可见光的钙钛矿与用于吸收红外线的铜、铟、镓和硒的混合物两层之间的接触,研究小组在它们之间添加了一层铷原子,团队让电池的峰值效率达到24.16%。铷基设备材料精准计时功能助力集群医用设备同步获取精确时间信号。近年来,基于星载铷钟开发的网络同步时间服务器在国内卫生部门得到良好的推广,为医院提供标准的网络时间统计信息服务,也为局部辐射区域近万台网络客户端提供精度小于5毫秒的时间同步服务器,较大程度地改善了全区医疗机构网络系统,包括:医护人员的办公PC及医疗设备、走廊、大堂子钟系统等授时操作的统一性,充分实现了大数量集群精确医疗设备同步作业中时间的精准性保障。铷基量子传感器有望用于诊断房颤。心房颤动是一种导致心率异常的疾病,发作时心脏中传导的电生理信号易出现紊乱行为。目前,常规用于检测房颤的心电图受到灵敏度、时间等诸多限制。据一项发表于《应用物理学快报》的研究,科学家利用原子磁强计,通过基于铷的量子传感器接受信号,成功对导电率与生物组织相近的溶液进行电磁感应成像,可测出高导电性的区域。这项技术实现了非屏蔽环境下的小体积成像,且灵敏度较传统技术提高了50倍,为房颤的快速临床诊断带来了希望。 固体废弃物如何变身宝藏? 邓杰 邓善芝 几个世纪以来,人类社会的快速发展基于对自然资源的使用与消耗。尤其是第三次工业革命以后,生物科技与产业革命的迅速发展,使人们对能源和矿石的需求量激增。同时,为满足迅速增长的社会需求,各行各业纷纷扩能扩产。2012年,国际民间组织“全球足迹网络”及英国智库“新经济基金会”提出“地球生态超载日”的概念。“地球生态超载日”是指地球当天进入了本年度生态赤字状态,已用完了地球本年度可再生的自然资源总量。据测算,约从1970年起,人类对自然的索取开始超越地球生态的临界点。从过去数十年来看,几乎每隔10年这一天的到来就会提前1个月。资源过度开采和废弃物的无节制排放,造成越来越严重的生态环境问题。人类用碧海蓝天换来了现代社会的方便快捷和科技的快速发展。随着人们经济水平的提高以及对自身健康的重视,环境的重要性被越来越多的人认识。如何在保障人类需求的前提下,尽可能保护和改善环境,寻求资源环境和谐发展的解决方案,成为时下人们关注的重点。为节约资源、提高现有资源的利用率,资源综合利用的概念逐渐被人们所熟知。在资源开发利用及使用消费过程中,不可避免会产生伴生矿石、围岩及选矿尾矿等,比如钨矿中伴生的铜、铅、锌等含有稀有分散元素的矿物,氧化矿中的碳酸盐和硅酸盐类脉石、有机物生产中产生的废水、生活中的废旧金属和电池等,这些生产和生活废弃物中含有大量的有价金属、有机及无机盐类矿物质资源,将其直接排放到环境中,不仅会造成大量的宝贵资源白白流失,还会影响耕地质量、污染空气和水源,破坏生态环境。在资源开发利用和消费过程中,针对这些伴生矿物资源和生产生活中的废弃物开展回收利用,使其重新资源化,从而最大限度地实现现有资源的高效利用,可以称之为资源的综合利用。如何实现资源的综合利用?现阶段,资源的综合利用主要从三方面开展:一、在矿产资源开采过程中对共生、伴生矿进行综合开发与合理利用。煤炭被人们誉为“黑色的金子”“工业的粮食”,它是18世纪以来人类世界使用的主要能源之一。煤矸石是与煤伴生的一种含煤高岭土,过去采煤过程中产生的大量煤矸石一直被作为大宗固体废弃物堆放在煤矿周围。正如犹太经典《塔木德》中所说:“世上没有废物,只是放错了地方。”煤的伴生矿——煤矸石也是如此。煤矸石综合利用的途径很多,除了传统的利用途径,如回填煤矿采空区、铺路、土壤改良、做建筑材料和发电等。最新研究表明,煤矸石还可以作为下游精细加工业的原料。如,煤矸石经处理后可以作为橡胶填料,获得与炭黑相当的补强效果;还可以制备聚硅酸铝铁,用于处理造纸综合废水等;此外,煤矸石可以用于陶瓷、耐火材料、橡胶工业、涂料、塑料、4A分子筛、铝硅铁合金等十多个行业。二、对生产过程中产生的废渣、废水、废气、余热余压等进行回收和合理利用。除矿石中的伴生资源外,矿石资源生产加工过程中还会产生大量的废弃物资源。以铜矿尾矿为例,研究表明,铜尾矿中除了可以回收有价金属元素铜之外,还可以回收非金属组分石榴子石、硅灰石等,并将剩余部分作为植物培养基等原料进行利用,实现铜尾矿的减量化和资源化。部分有色金属尾矿的主要成分为SiO2,且包含大量钙、镁等元素的氧化物,和市场上普遍运用的建筑材料的化学组成非常相似。尾矿用作建筑材料时加工方式比较简洁,能够有效解决成本和能耗问题。三、对社会生产和消费过程中产生的各种废物进行回收和再生利用。除开展矿山资源的综合利用之外,再生资源回收利用也是开展资源综合利用的重要方面。发展再生资源回收行业可以节省采矿、冶炼、电解等工艺环节,大量减少污染排放和能源消耗,也是降低资源对外依存度、推动我国生态文明建设的必由之路。中国是全球公认的制造业大国,然而近些年随着人口红利日益消失,以及环保成本的不断抬升,我国资源的对外依存度逐渐走高。在此背景下,大力发展再生资源回收利用产业,具有积极重要的战略性意义。现阶段,资源环境和谐发展之路仍然崎岖且漫长,人类需要开展更多的探索与实践。相信在不久的未来,资源综合利用方法和途径会越来越多,资源环境和谐发展之路必将越来越顺利。 带你了解这朵“云”——地质云 戴新宇 “地质云1.0”闪亮登场,魅力初现“地质云”是自然资源部中国地质调查局主持研发的一套综合性地质信息服务系统,集地质调查、管理、共享、服务四大功能于一身,面向社会公众、地质调查技术人员、地学科研机构、政府部门提供丰富的各类地质信息服务。经过“地质云”研究开发团队艰辛付出,2017年11月6日,“地质云1.0”闪亮登场,迈出了“地质云”建设三步走的第一步。“地质云1.0”刚上线运行,就受到地质调查科技工作者的青睐,局系统内外正式用户达4000多人,日均访问量突破6000次,在地质调查管理和应急事件服务上体现出精准、快捷的特点。例如,在2017年11月18日西藏林芝市米林县发生6.9级地震后,“地质云”首次启动了应急服务工作机制,在2小时内线下完成震区地质图数据制作,仅用10小时就为应急救灾在线提供了震区区域地质图、国家地质资料馆藏涉及震区的地质资料,以及林芝地区卫星遥感影像图、震中300公里范围地质钻孔、林芝专题地质文献库等系列地质信息产品。毫无疑问,“地质云1.0”实现了地质调查数据共享破冰,为75个国家核心地质数据库的互联共享和2382个信息产品提供社会化服务。“地质云2.0”华丽转身,飒爽英姿在2018年10月18日召开的中国国际矿业大会上,“地质云2.0”宣布正式上线,完成“地质云1.0”云上数据资源和系统功能的全面升级,完成手机版地质云APP国家地质大数据共享服务平台研发,通过数据资源整合和信息系统集成,全面提升地质调查数据采集、汇聚、处理、分析、共享与服务能力,为新时代地质调查工作转型升级提供核心动力,及时、有效地满足政府部门、行业用户、社会公众等各类用户对地质信息的多元需求,以信息化带动地质调查现代化。“地质云3.0”鲲鹏展翅,大展宏图“地质云”建设三步走设想2020年上线运行“地质云3.0”。为此,地质云研发团队的科研人员做足了功课,全力以赴助推云平台、大数据、智能化“三位一体”建设应用迈上新台阶,为新时代地质调查工作转型升级提供核心动力支撑,建成分布式地质大数据中心,并在以下九个方面提供全方位综合地质服务:一是升级完善“在线化”调查系统、研发升级重要专业应用系统,初步实现在线化调查,构建立体式地质信息感知体系。二是显著扩大中大比例尺实体数据共享资源,精准开发地质信息系列产品,提供地质信息专题服务,提升“地质云”服务门户访问便捷性,加快构建地质信息共建共享云生态,基本实现在线化服务,显著扩大地质信息线上共享服务规模。三是升级地质调查业务管理系统,完善地质调查业务管理大数据辅助决策系统,强化在线化管理,支撑地质调查业务管理高效运行。四是推行地质调查在线化办公,支撑远程办公、便捷办公。五是通过攻关实现智能区调矿调、智能识别、智能管理、智能数据搜索引擎等智能地质调查技术突破,示范构建智能化工作模式。六是建立完善地球科学“一张图”大数据体系,更新维护国家核心地质数据库。七是采取优化地质调查网络、规范化运维“地质云”节点体系、加强网络安全建设等措施,建实地质调查基础设施与网络安全体系,保障安全稳定运行。八是完善地质调查信息化制度标准体系,支撑自然资源信息化建设。九是加强信息化人才队伍建设与国际合作,提升中国地质调查局在国内外的影响力。这就是中国地质调查局功能强大的地质云!神奇的地质云!

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