鈧性質(zhì)、用途與生產(chǎn)工藝
鈧(Sc, Scandium)在元素周期表中第四周期第Ⅲ副族,原子序數(shù)為21,原子量為44.956。鈧的原子半徑較小(1.6641× 10-10 m),沒有4 f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,這個差別幾乎不能使鈧進入稀土家族,但由于它在自然界與稀土元素伴生并且有些性質(zhì)相似,因此,習(xí)慣上將鈧列入稀土元素。因為鈧首次發(fā)現(xiàn)于斯堪的納維亞(Scandinavia)半島的礦物中,所以取名為鈧(Scandium)。鈧共有28種同位素，范圍從鈧 36到to 57。鈧45是唯一穩(wěn)定的同位素，其含量約占地殼中天然資源的100％。 剩余的同位素具有放射性，其半衰期從納秒到幾分鐘到幾小時到幾天不等，因此，它們自然不在地殼中發(fā)現(xiàn)。 通過核反應(yīng)堆中會產(chǎn)生鈧的放射性同位素。
純金屬鈧為銀白而微帶黃色,具有金屬光澤,相當(dāng)柔軟可不經(jīng)退火而軋成薄片,金屬鈧是一種很活潑的金屬,很容易與酸作用,易與空氣中的氧、二氧化碳和水等化合,很快失去像鉛一樣的光澤,但與水侵蝕較慢。氧化鈧(Sc2O3)是最常見的鈧的化合物,外觀為白色粉末,經(jīng)高溫灼燒的氧化鈧不易溶于稀酸,但溶于沸的濃硝酸中,氟化鈧(ScF3)為白色粉末,不溶于水,是制備金屬鈧的重要化合物。
根據(jù)元素周期表系統(tǒng)，門捷列夫預(yù)測葉卡波龍的存在，其原子量介于鈣40和鈦48之間。1878年尼爾森（Nilson）在蘇木和輝長巖礦物中發(fā)現(xiàn)了鈧，除了在斯堪的納維亞半島以外，其他地方都未發(fā)現(xiàn)。通過處理10千克的蘇木和其他稀土礦物殘留物，尼爾森能夠制備約2克的高純度氧化鈧?？死蚝髞碇赋觯釥柹拟偱c門捷列夫的葉卡賓龍是相同的。
鈧顯然在太陽和某些恒星上的資源比地球上更豐富的元素。它是太陽中第23最豐富的元素，而在地球上第50最豐富的元素。它廣泛分布在地球上，極少量地存在于800多種礦物質(zhì)中。綠柱石（海藍寶石品種）的藍色據(jù)說是由于鈧引起的。它是在斯堪的那維亞和馬達加斯加發(fā)現(xiàn)的稀有礦物蘇鐵礦中的主要成分。從辛瓦爾德黑鎢礦中提取鎢后殘留的殘留物中以及wiikite和bazzite中也發(fā)現(xiàn)了鈧。目前大多數(shù)鈧是從蘇鐵礦中回收的，或者是從鈾廠尾礦中提取的副產(chǎn)品。鈧是典型的稀散親石元素,在地殼中的平均豐度為36 ppm，已知含鈧的礦物多達800多種。目前在我國江西稀土礦中發(fā)現(xiàn)了規(guī)模較大的富鈧礦床。鈧廣泛分布于其它礦物中,例如: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。全世界鈧的儲量23約為200萬t,擁有鈧資源較多的國家依次為中國、美國、俄羅斯。鈧主要以類質(zhì)同象的形式，存在于其他礦物中。
鈧主要用于陶瓷，激光，磷光體和晶體。氧化鈧因其高折射率值，透明性和層硬度而適用于UV，AR和帶通涂料的高折射率組分，因此已報道將氧化硅與氟化硅或氟化鎂組合用于AR中具有較高的破壞閾值。 鈧金屬被應(yīng)用于各種超合金中，它們具有輕質(zhì)的金屬性能。按重量計鈧的主要應(yīng)用是用于航空航天小型零件的鈧鋁合金。它們被用于俄羅斯軍用飛機，特別是MiG-21和MiG-29。某些運動器材依靠高性能材料制成，是用鈧鋁合金制成的。
八十年代,隨著世界市場鈧價格的狂漲,國內(nèi)掀起了分離鈧的研究熱潮,提取主要集中于含鈦原料—生產(chǎn)鈦白粉的硫酸廢液、鈦生產(chǎn)過程中的氯化煙塵以及選鈦尾礦。從鈦白水解母液中提取鈧的原則流程如圖1所示。
圖1為鈦白水解母液中提取鈧的流程。
從赤泥中回收鈧的方法有: ①還原熔煉法處理赤泥。②硫酸化焙燒處理赤泥。③廢酸洗液浸出處理赤泥。④用碳酸鈉溶液浸取。⑤直接用濃度50%的硫酸浸出。⑥用濃鹽酸浸取。從赤泥中回收鈧的原則流程如圖2所示。
圖2為赤泥中回收鈧的流程。
利用選礦的方法可以先將原料中的鈧進行富集,提高鈧的品位,然后采用浸出,萃取,草酸沉淀,灼燒提純等濕法冶金的工藝獲得Sc2O3。目前在這方面研究的較多的有昆明理工大學(xué)張宗華教授,較成功的項目有從攀枝花尾礦中提鈧和從長江三峽淤泥中提鈧等。從長江三峽淤砂中提鈧的工藝流程如圖3所示。
圖3為長江三峽淤砂中提鈧的工藝流程。
隨著電子科技的飛速發(fā)展,高性能的電子元件的需求量越來越大,另外高性能的鈧合金的廣泛應(yīng)用等,對鈧的需求會越來越大,因此鈧的市場前景會越來越廣闊。目前鈧的提取技術(shù)存在的問題是成本太高,回收率低,解決成本問題是鈧提取技術(shù)的關(guān)鍵所在,解決成本問題的關(guān)鍵又在于尋找高效、廉價的提取工藝。從目前的濕法冶金工藝中取得突破的關(guān)鍵是在于尋找高效的萃取劑,提高鈧的回收率和純度。我國具有鈧的資源、生產(chǎn)優(yōu)勢,可以預(yù)測,隨著高科技的發(fā)展,鈧的應(yīng)用市場將不斷開拓,需求量將逐步增加,各鈧進口國之間的競爭也勢必加劇。我國稀土界應(yīng)把握有利時機,將鈧的資源轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟優(yōu)勢,創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟效益。
鈧及其化合物具有多種優(yōu)異性能。鈧廣泛應(yīng)用于國防、冶金、化工、玻璃、航天、核技術(shù)、激光、電子、計算機電源、超導(dǎo)以及醫(yī)療科學(xué)等領(lǐng)域。高純氧化鈧可用于電子發(fā)射材料、超導(dǎo)材料、太陽能電池材料等。美日等西方國家多用作體育器械,如棒球棒、壘球棒、自行車橫梁,也用于新型光源鈧鈉燈。俄羅斯對鈧及含鈧合金的研究,始于20世紀60年代。當(dāng)時美蘇兩國進行核軍備競賽,計劃經(jīng)濟體制下的蘇聯(lián),大量生產(chǎn)鈾,并對其副產(chǎn)物鈧也進行了軍事開發(fā)研究,工作一直到現(xiàn)在。就鋁鈧合金而言,俄羅斯一直處于領(lǐng)先位置,
與其他金屬一樣，過渡金屬及其許多化合物是有毒的，不應(yīng)吸入或吸入其粉末或氣態(tài)形式。 此外，鈧的同位素中，除一種同位素外，都是放射性的，應(yīng)由有經(jīng)驗的人員處理。
[1]董方,高利坤,陳龍,王鵬,馬方通. 鈧的資源及回收提取技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 礦產(chǎn)綜合利用,2016,(04):21-26.
[2]楊海瓊,董海剛,趙家春,李博捷,范興祥,吳躍東,吳曉峰,童偉鋒. 鈧的回收技術(shù)研究進展[J]. 有色金屬(冶煉部分),2014,(03):29-33.
[3]張忠寶,張宗華. 鈧的資源與提取技術(shù)[J]. 云南冶金,2006,(05):23-25+42.
用途
鈧很輕，但熔點比鋁高很多?？纱驿X用于制作各種飛行器。制造高熔點合金。光譜分析。
生產(chǎn)方法
1.主要化合物有氧化物(氧化鈧)、鹵化物(氟化鈧、氯化鈧等)、配位化合物[六氟合鈧離子)(ScF
6
3-)、三氯鈧銫(CsScCl
3
]等。主要礦物有鈧釔石。鈧在太陽和其他星體中的豐度遠大于地殼中。以金屬鈣還原氟化鈧可制得金屬鈧。
2.常壓氬氣保護下,將ScCl3和金屬Ca在鉭坩堝中，用高頻電爐加熱，在700～800℃溫度下開始反應(yīng)，在850℃反應(yīng)最激烈，反應(yīng)完畢后，在氬氣保護下冷卻，再用機械分離熔渣CaCl2，然后在10-3～10-4Pa真空中和1500～1600℃升華提純，制得純度約99%的金屬鈧。
鈧
上下游產(chǎn)品信息
上游原料
下游產(chǎn)品