话说钪金属：分散但不稀缺

  作者：刘继顺
2011-04-14
 
一、钪元素性质：光明之神
 
  一盏加钪的钠卤素灯，它光芒四射，穿云破雾，且省电长寿命。这使得钪有了“光明之神”的美誉！
 
   1879年，瑞典的化学教授L.F.Nilson和P.T.Cleve，差不多同时在稀有矿物硅铍钇矿和黑稀金矿，发现了一种新元素。Nilson用他的故乡斯堪的纳维亚半岛给钪命名为Scandium（缩写为Sc，钪）。钪就是门捷列夫当初所预言的“类硼”元素。
 
   钪在元素周期表中，排行21，位于第四周期第三副族。在自然界中，钪只有一种稳定同位素Sc45，且恒为3+价。原 子量为44.956,原子半径(1.6641A) , 没有4f 电子, 其镧系收缩未能使原子尺寸减小到相应尺寸,从而导致了钪与稀土元素性质有着显著的差别, 这个差别几乎不能使钪进入稀土家族。 但由于钪在自然界与镧系稀土元素伴生并且有些性质相似, 故习惯上将钪列入稀土元素。
 
   钪是一种柔软、银白色的过渡性金属，质软。密度2.9890克/厘米3。熔点 1541℃。沸点2831℃。常见化合价+3。第一电离能为6.54电子伏特。金属钪的化学性质活泼能够与氧、氢、氟、碘和酸碱发生反应，分别生成 Sc2O3，ScH3 ，ScF3，ScI3，ScCl3，Sc（OH）3，Sc2（SO4）3 和Sc2（C2O4）3 等化合物。易溶于水，可与热水作用放出氢气。钪在空气中容易形成一个暗黄色或灰色的氧化层，从而失去闪亮的光泽而变暗。
 
二、金属钪的用途--味精元素
 
   因为金属钪难以制得，在其发现以后的100年里，钪的用途一直没有表现出来。随着 稀土元素分离方法的日益改进，如今用于提纯钪的化合物，已经有了相当成熟的工艺流程。获得了纯净的钪的化合物之后，将其转化为ScCl3，与KCl、 LiCl共熔，用熔融的锌作为阴极进行电解，使钪就会在锌极上析出，然后将锌蒸去可以得到金属钪。
 
    近30 年来，金属钪在国内外取得了较多的应用实践，并取得了极好的效果。
    目前，金属钪已在激光(Gd3Sc2Ga3O12激光材料，GSGG，新型激光 器），电光源（钪钠卤素灯），合金（Al-Sc合金，Ga-Sc合金用于航空航天、导弹、汽车和船舶等的结构部件；加钪中子过滤器）和民用（Ga-Sc合 金金属陶瓷粘结剂和高级涂层材料；ScB2材料用于轻型耐温合金和电子枪阴极部件，加钪电池）等领域有较好的应用。
 
三、钪的自然产出状态：分散但不稀缺
 
    钪是典型的分散亲石元素，但并不稀有。它在地壳中的平均丰度为22-30ppm（即22-30克/吨，换算为三氧化二钪35-48克/吨），高于Ag，Au，Pb，Sb，Mo，Hg、W和Bi许多，而与B，Br，Sn，Ge和As的丰度相当。
 
   在自然界中，钪不受氧化还原影响，很难还原为金属，很少能形成显著富集体(矿床），而是广泛地分散于各种造岩矿物中（特别是镁和铁的硅酸盐）和含钪矿物中。
 
   自然界中含钪的矿物多达800种以上，但三氧化二钪含量>0.05%的矿物 很少。目前已知的钪独立矿物仅有钪钇矿((Sc,Y)2Si2O7, Sc2O3 含量为33.8%-42.3%)、水磷钪矿(ScPO4.2H2O, Sc2O3含量为39.22%)、铍硅钪矿(Be3(Sc, Al)2Si6O18,Sc2O3 含量为14.6% )、锆钪钇矿（（Sc,Zr)2Si2O7) 和钛硅酸稀金矿(Sc( Nb,Ti,Si)2O5, Sc2O3 含量为18.0%-20.0% ) 等少数几种, 且矿源很少, 在自然界中较为罕见。
 
    钪主要以类质同象的形式存在于如钛铁矿、锆铁矿、锆英石、铝土矿、稀土矿、钛辉 石、钒钛磁铁矿、钨矿、锡矿、铀矿和煤等矿物中。Goldschmidt 等在1930年代 认为，Sc3+的富集于与岩石矿物中，与类质同象置换极为有关, 尤其是Sc3+ 与Fe3+、Mg2+、Al3+ 的类质同晶置换。后来，Ringwood 又补充认为，是生成含氧或羟基配合物, 特别是在结晶岩和云英岩中富集钪更是如此。钪与其所共生元素的离子半径和配位数以及电负性等性质的综合相似性, 决定了它可与许多其它离子进行类质同象置换。
 
    钪在各类岩石中的含量，岩浆岩以辉石岩（含三氧化二钪200-300克/吨)和辉长岩最高（76克/吨）。交代蚀变岩以花岗伟晶岩、含钨锡的云英岩、钠长石化岩、云母化岩最为富集，铝土矿和煤含钪也相当高。特别是煤灰，含三氧化二钪可达40-600克/吨。
 
   原矿石含钪量（三氧化二钪，克/吨）如下：铝土矿石40-150；磷矿石10-25；钨矿石78-337；钒钛磁铁矿石13-40；铁铌稀土矿石50；贫锰矿石181；离子型稀土矿石20-50；氟碳铈矿，钽铌矿和铀矿石等也含有钪(据林河成，2010）。
    精矿物含钪量（三氧化二钪，克/吨）分别为：黑钨矿＞500；钛铁矿60；铝土矿95；选钛尾矿77；锡石100（据林河成，2010）。
提钪原料含钪量（三氧化二钪，克/吨）为：炼钨的钨渣150-600；炼铝的赤泥40-150；选钛的尾矿77；炼钛白的水解母液25-100；高钛渣氯化的烟尘 736（据林河成，2010）。
   全球钪的资源极为丰富，工业储量约200万吨（以金属钪计，统计不完全）。中国的钪资源也很丰富，工业储量约65万吨（据不完全统计），占世界总工业储量的33%。
 
四、钪的生产：冶炼副产品
   由于含钪矿物很多，从矿物直接提取钪制品较复杂又困难。目前，我国主要以废渣、废 水、烟尘等为原料先提取三氧化二钪，再提炼金属钪。最主要是从钛铁矿生产钛白的废液、氯化物烟尘、生产氧化铝的赤泥中回收钪。国外，还有从铀矿石生产加工 过程中回收钪。至今，还未能从精矿（含钪）直接提取三氧化二钪。
 
   从长远看，今后我国用于提取钪的原料主要是四川的钒钛磁铁矿和炼铝的赤泥。其主要原因是它们的矿物量很大，钪的总含量多，适合用于长期的开发利用，且提取钪的技术可以实现。当然，也可以从中国火电厂的巨量粉煤灰中提取。
 
五、钪的产销：市场容量有限
 
   1970-1980 年代，我国钪产量较少，主要出口日本，美国和欧洲。出口量约40公斤，国内销量约20公斤。1990年代初，欧洲及日本急需钪且需量较大，我国近10个厂生产钪，产能猛增至700公斤左右，产量达150公斤，出口130公斤，国内销量约20公斤。
2000 年以来，因俄罗斯大量生产的钪产品，冲击市场，造成我国一些生产厂家关闭或停产。目前全世界钪的总销量约450公斤，中国总销量约占世界总销量的14%。
 
     近30 多年来，金属钪的市场价格变化很快。1990 年初99.99%钪的市场价7.5万美元/公斤。后因俄罗斯低价抛售钪，99.99%钪市场价狂跌为0.81万美元/公斤。2002年市价2.0万美元 /公斤。2007年市价降为1.25万美元/公斤。99.99%钪的长期价格趋势将维持在1.3-1.5万美元/公斤的水平上，主因是世界钪产量与消费量 接近平衡。2011年，99.99%的钪价格在6000-7000美元/公斤之间*（编者注：此处原文为600美元每公斤，根据实际情况改为6000美元）（Scandium Metal 7440-20-2；Unit Price:US $686.60 / piece； Unit Type:piece；Package Weight:1.0kg (2.20lb.)；Package Size:11cm x 11cm x 11cm (4.33in x 4.33in x 4.33in)；Place of Origin:Inner Mongolia China ；Content(percent):99.999%；Grade:99.999%）。
 （
    世界生产钪的主要国家有中国、俄罗斯、日本、美国、挪威、法国和乌克兰等。俄罗斯和中国为主要生产国，两国的产量及销量之和大于总量的90%。据估计，目前世界金属钪的销售量约450-500公斤，我国约为60-70 公斤，占世界总销量的13.4%-14.0%，我国目前钪产品主要以内销为主，出口量极少。随着Al-Sc合金及电光源材料的快速发展，今后我国乃至世界的钪销量将会快速增长。
 
   综上所述，钪金属的来源与利用问题，根本不在于钪矿资源储量多少问题，而在于冶炼渣、尘、液的回收钪、新材料的研发及钪资源回收的环境污染问题。