钪的资源

2010-11-17

钪的资源

北京大学化学院稀土中心博士后 徐刚

1.1  钪的矿石

    钪是典型的稀散亲石元素,在地壳中的平均丰度为36ppm,比Ag、Au、Pb、Sb、Mo、Hg和Bi更丰富,而与Be、B、Sr、Sn、Ge、As、Se和W的丰度相当。已知含钪的矿物多达800多种,但作为钪的独立矿物只有钪钇矿、水磷钪矿、硅钪矿和钛硅酸稀金矿等少数几种,且矿源较小,在自然界中罕见。而最近在我国江西稀土矿中发现了规模较大的富钪矿床,改变了长期以来没有独立钪矿床的看法。

    Goldschmidt等在本世纪30年代提出了关于钪在地球上赋存的一些理论,认为Sc3+的富集与岩石矿物形成的类质同晶置换极为有关,尤其是Sc3+与Fe3+、Mg2+的类质同晶置换。随后Ringwood又补充了此理论,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。钪与其所共存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晶置换。

    以钪为主要成分的矿物只有少数几种,他们的性质见表1-1:

表1-1    钪的矿物

矿物名称

化学式

Sc2O3

(%)

相对

密度

莫氏

硬度

晶系

颜色

主要产地

钪钇石

(Sc,Y)2Si2O7

33.8~42.3

3.68

6~7

单斜

灰绿到近黑

挪威,马达加斯加,日本,前苏联

水磷钪石

ScPO42H2O

39.22

2.35

4

单斜

深兰到

铅灰色

美国,德国

铁硅钪矿

Be3(Sc,Al)2Si6O18

14.6

2.77

6.5~7

-

蓝色

意大利,瑞典,

前苏联

硅钪钡

镁石

KBa(Al,Sc)Fe2+MgSF2

Si6O20

2.1

3.41

5

-

无色或带

粉红色,紫色

中亚西亚

钪-锰

钽矿

(Ta,Nb,Sn,Mn,Fe,Sc...

I2O4)

5~6.1

5.6

-

斜方

暗灰黑色

莫桑比克,

马达加斯加

钪-铁硅钇铈矿

(Ce,La,Ca)4(Fe2+,Sc)

(Ti,Fe3+)2Ti2(O4/Si2O7)2

4.3

4.25

-

-

黑色或黑带

红色

哈萨克斯坦

 

    钪广泛分散于其它矿物,例如铝土矿、钛铁矿、锆铁矿、锆英石、钒钛磁铁矿、钨矿、铀矿和煤等矿物中。部分含钪矿物中钪的含量见表1-2。当处理这些矿石时,钪主要富集于冶炼渣和处理液中,可进一步湿法处理回收。某些地区如库兹巴斯阿拉利切夫的煤中也含有钪,燃烧后钪留在灰渣中。此外,某些选钛选铁的尾矿中也都含有钪。

 

表1-2    部分含钪矿物中钪含量

矿物类型

矿物名称

化学式

钪含量(%)

氧化物矿物

锡石

SnO2

0.0~0.30

斜锆石

β- ZrO2

0.0~0.07

方钍石

ThO2

0.0~0.46

铌钇石

(Y,U,Th)(Nb,T)2O 2

0.0~0.75

黑钨矿

WO3

0.0~0.2

钛铈铁矿

AO2(A:Fe,Ti,U,Ce,Pb)

0.0~0.05

钇铀烧绿石

(Y,Na,Ca,U)12(Nb,Ta,Ti)2O6(OH)F

0.0~0.15

含氧酸盐矿物

钨锰铁矿

(Fe,Mn)WO4

0.0~0.30

钨酸锰矿

MnWO2

0.0~0.07

钨酸铁矿

FeWO2

0.0~0.46

钛铁矿

FeTiO3

0.0~0.20

钛铁金红石

(Ti,Fe)O2

0.0~0.05

钇铀烧绿石

(Y,Na,Ca,U)12(Nb,Ta,Ti)2O6(OH)F

0.0~0.15

硅酸盐矿物

铌钛硅酸稀金矿

Sc,(Nb,Ti,Si)2O5.

18~20

硅铍钇矿

YeFeBe2(SiO4)2O2

0.0~1.2

褐帘矿

(Ca,Ce)2(AlFe)3Si3O12(O,OH)

0.0~0.1

铁云母

KAl[(Al,Fe)Si3O10]( O,OH)

0.0~0.20

绿柱石

Be3Al2(Si5O18)

0.0~0.02

江西稀土矿

(Y3+,Ce3+,...)[Al4Si4O10].(OH)84H2O

0.0~0.05

 

1.2  国外的钪资源

    目前,全世界的钪储量约200万吨,其中90%~95%赋存于铝土矿、磷块岩及铁钛矿石中,少部分在铀、钍、钨、稀士矿石中。钪主要分布在俄罗斯、塔吉克斯坦、美国、马达加斯加等国家。

    独联体国家的钪资源非常丰富,科拉半岛和俄罗斯地台已成为最大的钪资源分布区。科拉半岛的磷灰石中含钪16ppm,整个矿床钪储量达1.6万吨。其中风化淋滤型稀土(Sc)磷酸盐矿石(Sc-TR-Y-Nb)中,Sc2O3含量高达1300ppm。而俄罗斯地台北部托姆托尔的风化壳淋滤型磷酸盐岩(Sc)矿床中,Sc2O3平均含量为650ppm,最高达1400ppm。最大的沉积型钪矿床——铝土矿(Sc)矿床中的Sc2O3含量达10~100ppm。在北乌拉尔和乌克兰地盾的铁钛矿石和辉石岩中亦含有较高的钪含量。独联体国家曾系统地研究了各种类型伴生钪矿床,认为沉积型铝土矿(Sc)矿床与碱性-超基性岩有关的风化淋滤型稀土磷酸岩(Sc)矿床,以及某些铁钛(Sc)矿床是最重要的矿床类型,是钪的主要来源。

    美国也是钪资源十分丰富的国家。科罗拉多高原的含铀(Sc)砂岩矿床中含Sc2O3 100ppm;新墨西哥州安布罗斯湖区沉积型铀(Sc)矿床,Sc2O3含量为15ppm。犹他州含磷酸盐泥质页岩(Sc)矿床中Sc2O3含量为10~500ppm,Fairfield含磷铝石矿床中Sc2O3含量为300~1500ppm,从中发现了水磷钪石和磷铝锶石,已做为钪矿开采。

    马达加斯加、挪威的钪资源主要集中在富含钪钇石的花岗伟晶岩中。加拿大安大略省铀(Sc)矿床和魁北克奥卡(OKa)碳酸盐型铌(Sc)矿床的岩石中,Sc2O3含量为25~103ppm。南非维特互特斯兰德含铀石英砾岩具有较高的钪含量,钛铀矿中Sc2O3含量为60~100ppm。希腊的帕尔纳斯-基欧纳沉积型铝土矿(Sc)矿床,虽然钪含量仅为19ppm,但矿床规模较大;南澳大利亚镭山(Radfum Hill)热液铀钛磁铁矿(Sc)矿床,其Sc2O3含量达3000ppm,U、Th、Sc可共同回收。捷克、德国等国也拥有一定的钪资源。

1.3  国内的钪资源

    我国也是钪资源非常丰富的国家,与钪有关的矿产储量巨大,如铝土矿和磷块岩矿床、华南斑岩型和石英脉型钨矿床、华南稀土矿、内蒙古白云鄂博稀土铁矿床和四川攀枝花钒钛磁铁矿床等。其中铝土矿(Sc)矿床和磷块岩(Sc)矿床占优势,其次是钨(Sc)矿床、钒钛磁铁矿床、稀土(Sc)矿床和稀土铁(Sc)矿床。

    我国铝土矿和磷块岩矿床十分丰富,据估计其中的钪储量约29万吨,占所有钪矿类型总储量的51%,可能成为我国钪的重要矿床和主要来源。其它类型含钪矿床的钪储量约26万吨,占总储量的49%。华北地台(主要包括山东、河南和山西)和扬子地台西缘(主要包括云南、贵州和四川),是我国铝土矿和磷矿(包括风化淋滤型磷矿床)十分丰富的地区,其中华北铝土矿的含量为110~150ppm;华南铝土矿的Sc2O3含量为66~100ppm;西南地区铝土矿的Sc2O3含量为40~80ppm。黔中小山坝铝土矿的Sc2O3含量为37~68ppm;贵州林夕铝土矿的Sc2O3含量为41~75ppm;广西平果那铝土矿的Sc2O3含量为为75ppm。从上述资料可以看出,我国铝土矿的Sc含量一般高出世界铝土矿钪平均含量(按Sc2O3为38ppm)的1~4倍。磷块岩的钪资料甚少,贵州开阳磷矿、瓮福磷矿、织金新华磷矿磷块岩的Sc2O3含量为10~25ppm。

    在白云鄂博稀土铁矿中,岩石中的Sc2O3平均含量为50ppm,各种矿石的Sc2O3含量为40~160ppm,单矿物的Sc2O3含量一般100~450ppm,个别达2000ppm。攀枝花钒钛磁铁矿是我国大型的钒钛铁矿床,其超镁铁岩和镁铁岩的Sc2O3含量为13~40ppm。吕宪俊等对钒钛磁铁矿中钪的赋存状态研究后认为,钛普通辉石、钛铁矿、钛磁铁矿是钪的主要载体矿物。华南斑岩型和石英脉型钨矿具有较高的钪含量,黑钨矿的Sc2O3含量一般为78~377ppm,个别达1000ppm。

    广西贫锰矿中含有相当数量的钪,钪的含量为181ppm左右,是以离子吸附形式赋存于锰矿物中。这是因为在成矿过程中锰胶体具有较大的表面能,因而锰可以通过吸附作用或离子交换作用把钪元素固定下来。

    我国稀土矿产资源十分丰富,不少稀土中伴生有钪。70年代,我国华南地区发现了储量巨大的离子吸附型稀土矿。离子吸附型稀土矿属于风化壳矿床,其中主要矿物为石英、长石、高岭土和云母等,稀土主要以离子形式赋存在高岭土等粘土矿物上。粘土矿物不是吸附简单的阳离子,而是呈水合阳离子或羟基水合阳离子及带正电的胶体粒子吸附于矿物表面上。表1-3给出了某风化壳矿石的化学组成。但长期以来,钪的资源一直被忽略了。最近的研究工作发现,有些风化壳淋积型稀土矿中钪的含量很高,并确定Sc2O3在20~50ppm为伴生钪矿床,Sc2O3〉50ppm为独立钪矿床。钪在风化壳淋积型稀土矿中表现出很强的与铈相似类,在矿体中上层钪含量很高,下层钪含量少,与重稀土在风化壳中的迁移富集正相反。钪主要以胶态氢氧化钪沉积在粘土矿中。李久成曾于1985年提出“就稀土矿找钪矿”的问题,并测定广东河源黄土岭辉长岩风化土中平均含Sc2O364ppm,含RE2O3平均261ppm,以16种稀土元素配分,Sc2O3配分值为19.69%;测定广东平远仁居花岗斑岩风化土中平均含Sc2O312.68ppm,以16种稀土元素作配分计算时,Sc2O3配分值为1.02%。

 

表1-3   风化壳矿石的化学组成

元素(%)

矿1

矿2

SiO2

60.95

65.57

Al2O3

20.43

16.99

CaO

0.24

0.16

MgO

0.62

0.32

FeO

0.60

0.39

Fe2O3

3.97

3.99

TiO2

0.69

1.55

MnO

0.048

0.051

K2O

4.51

4.29

Na2O

0.16

0.08

P2O5

0.32

0.41

F

0.049

0.069

灼减

6.42

5.56

TREO*

0.121

0.103

离子相REO

0.086

0.063

合计

99.13

99.53

                     *:离子相与矿物相稀土之和

 

    据徐龙飞报道,江西某地风化壳淋积型稀土矿中的钪资源与含矿母岩岩性和时代分布有关,石英闪长石风化壳氧化钪含量最高,其它母岩风化壳也含有氧化钪。前者已成为独立的钪矿床,后者也达到伴生矿床的品位(见表1-4)。

表1-4  江西某地钪资源与含矿母岩岩性及时代分布

岩性和地质时代

含矿母岩岩性

含钪母岩地质年代

混合岩

花岗岩

石  英

闪长石

岩浆型

花岗岩

酸  性

火山岩

中基性

火山岩

加里

东期

海西期

燕山期

钪矿床数(个)

2

1

4

2

1

2

1

7

矿石中Sc2O3(ppm)

22.58

50.67

23.81

20.35

20.8

22.97

50.67

22.57

 

    池汝安报道江西GX矿是目前发现最大的含稀土钪矿床,其稀土和钪品位已达到回收要求可综合利用。

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