多面小能手——锆

　　多面小能手——锆

　　锆的前世今生

　　锆是我国的战略性矿产之一，元素符号Zr，原子序数是40，单质是一种高熔点金属，呈浅灰色，主要以化合物的形式存储于锆石和二氧化锆当中。1789年德国人M.H.Klaproth首次发现了锆，他将锆石与氢氧化钠共同加热，提取了一种新的氧化物，并命名为Zirkonerde。瑞典人贝采利乌斯和德国人莱利先后在锆的提取上进行了努力和实验，直到1914年荷兰一家金属白热电灯制造厂的两位研究人员Lely和Hambruger提取获得了纯金属锆。

　　锆在自然界中的分布

　　全球锆资源丰富且分布集中，2018年全球锆·资源量约11.04亿吨。目前，已知锆的独立矿物有38种，可分为3类：以锆的硅酸盐形式存在的锆石，以氧化物形式存在的斜锆石，以含钛、铌、钽和其他元素的锆硅酸盐形式存在的异性石、钠锆石及锆钽矿等。这些矿物中ZrO？含量变化很大，从4%到99%。

　　锆矿成因类型分为内生矿床和砂矿两种类型，其中内生矿床占储量的27%，砂矿占储量的73%。工业用锆90%源于砂矿型。砂矿类型主要包括滨海砂矿、冲积砂矿以及残积砂矿。锆矿资源主要分布在大洋洲和非洲，澳大利亚、南非、莫桑比克三国，合计占全球锆资源储量的82%。我国锆矿资源匮乏，储量仅有50万吨，主要分布在内蒙古、海南等地区。

　　并不陌生的锆

　　锆具有高熔点（1852℃)、高沸点（4370℃)、耐腐蚀及特殊的核性能等优良特性，可用于制作釉面材料、玻璃添加剂、耐火材料、核燃料包壳等，被广泛应用于陶瓷、原子能工业、精密铸造和医疗等各个产业领域。

　　“我不是钻石”

　　锆具有丰富多彩的色泽，早在几个世纪前，锆石已经被人类用作珠宝。锆石在圣经中也有被提及，称其是以色列大祭司佩戴的12种宝石之一。锆石具有从橙到红的各种美丽的颜色，无颜色的锆石经过切割后会呈现出夺目的光彩。正是这个原因，锆石在很长一段时间内被误认为是一种软质的钻石。70年代中期苏联科学家人工合成立方氧化锆后，可以制出透明度极佳、完全无色的产品。这样，将它磨成宝石后，外观与钻石非常相似。但合成立方氧化锆是一种人工合成宝石，不是天然宝石，是钻石的一种最常见的替代品。

　　“原子时代第一号金属”

　　核级海绵锆是核反应堆中的关键基础材料，被核工业界称为“原子时代第一号金属”。这是因为锆原子的热中子吸收截面小，为0.18靶恩，仅次于铍和镁，用锆合金代替铜铁合金作为核反应堆的结构材料，可以节约一半的铀燃料，这是首选锆合金作为反应堆结果材料的最主要原因。其次，核级海绵锆的加工性能优异，它具有机械性能好、强度高的优点，对高温水和蒸气有足够的抗热性和抗腐蚀性。核反应堆的仪表管、燃料包壳及其端塞、元件盒、导向管、方形水盒和定位格架等结构材料都必须使用锆材。

　　吸气剂

　　锆具有很强的吸附性，在200℃的条件下，100克金属锆能够吸收817升氢气；在700℃时，能吸收50%的氢原子、30%的氧原子和20%的氮原子。锆的这种特性使其在生活中的各方面都发挥了很大作用，比如它的强吸氢性，可作为贮氢材料；氧化锆制成的吸附材料可用于去除水中的有机物、重金属离子和微生物等；可以用于分离和净化高纯度气体，制备H？、CO、CO？等高纯度气体；可在电真空元件表面上涂抹锆粉，制成高度真空的电子管。其它广泛用途锆合金的优良特性，使其在医疗领域和航空航天领域都有广泛的应用。由于其具有良好的生物相容性、耐腐蚀性和高强度特性，锆合金可以作为人工关节材料和医用器械，如人工髋关节、人工膝关节、牙科种植体、心脏支架等，可以有效地提高人工关节的使用寿命和保证医疗器械的安全可靠性。锆合金还可以用作航空发动机部件的材料和航天结构材料，如涡轮盘、涡旋叶片、燃气喷嘴、火箭燃烧室等。其良好高温强度可以提高航空发动机的效率和寿命。同时，轻质高强的特性可以减轻航天器自身重量，提高运载能力。

　　锆的战略意义

　　中国是世界上最大的锆资源消费国，据中国有色金属协会统计，2019年全球锆精矿消费量135万吨，中国锆英砂消费量124.8万吨（占比53%)。但中国锆矿产量只有14万吨，占全球锆矿产量的10%，国内资源供给严重不足。近年来，我国锆矿对外依存度持续攀升，且进口国高度集中。2021年中国锆矿进口量为128万吨，对外依存度高达90%，主要来源于澳大利亚、南非及印度尼西亚，三国锆矿进口之和占总进口量的84%，中国锆资源安全保障能力严重不足。

　　目前，国家正在开展新一轮找矿突破战略行动，锆矿作为战略性矿产之一，应进一步加强以下三方面工作：一是在海南、广东、广西、山东等沿海地区加大综合勘查力度，增加锆资源储量；二是在内蒙古扎鲁特、新疆拜城等地区开展调查评价，寻找锆矿资源远景区，增加资源储备，以提高锆资源保障程度；三是加大内生型锆矿选冶研究，努力突破从硬岩锆矿中分离提取锆英石的技术瓶颈，保障国家资源底线。

　　摘自《地球》2023年6期