铼是一种地壳中极其少见的稀散元素,在自然界中无法以独立矿床存在,而是以杂质状态分散存在于其它元素的矿物中。铼是元素周期表中第75号元素(Rhenium),属于第六周期锰族,有+1到+7多种价态,以+4价化合物最稳定。
铼具有银白色外观,高纯质地柔软,相对原子质量为186.207,密度为21.04克/立方厘米,熔点为3186摄氏度,沸点为5596摄氏度,其熔点在所有元素中排第三,沸点居首位,密度则排在第四位。铼具有优异的耐腐蚀性,能够在空气中稳定存在,在高温下与硫蒸汽化合成二硫化铼,与氟、氯、溴形成卤化物,铼不溶于盐酸,但溶于硝酸和热的浓硫酸。
铼从何处来
1871年,俄国化学家德米特里·门捷列夫在发布元素周期表时就曾预测,在自然界中存在一个尚未发现原子量为190的“类锰”元素。1914年,英国物理学家亨利·莫塞莱推算了有关该元素的一些数据。1925年,德国化学家沃尔特·诺达克、伊达·诺达克、奥托·伯格用X射线在铂矿和铌铁矿中探测到了这种元素,并根据莱茵河的名字Rhein将该元素命名为Rhenium。后来,他们也在硅铍钇矿和辉钼矿内发现了铼。1928年,他们在660千克辉钼矿中提取出了1克铼元素。
1908年,日本化学家小川正孝宣布发现了第43号元素,并根据“日本”(Nippon)一词将其命名为Nipponium (Np)。但是2004年,日本有学者用X-射线重新检验了小川正孝家族保留下来的方钍石样品,结果表明该样品中所含的并不是43号元素,而是75号元素“铼”,因此小川正孝可能是发现铼的第一人。
我国在20世纪60年代开始从钼精矿焙烧烟尘中提取铼。
99.99%铼戒指
铼的应用
铼被誉为工业的心脏,这主要得益于它在多个高端工业领域的应用。
首先,在石化工业中,铼作为一种催化剂,能够提高汽油、芳烃和氢气等的产率;能够促进化学反应,使得烃基分离,提高产品的产量和质量。此外,铼还能用于高聚合物的分解,如将废旧塑料转化为燃油,这对于资源循环利用具有重要意义。
其次,铼因其耐高温的特性,在高温合金领域占据重要地位。在镍基高温合金中添加金属铼可提高合金的蠕变性能,这对于单晶高温合金耐温能力的提高至关重要,铼-镍基高温合金具有较高的高温强度、塑性,良好的抗氧化、抗热腐蚀性能,良好的热疲劳性能和组织稳定性等综合性能,被广泛地应用在航空发动机及燃气轮机等设备中的热端部件上。铼是最有效改善钼基合金性能的元素,它的加入显著改善钼的低温脆性,进而提高其加工性能,增加强度的同时仍保持良好的塑性,广泛应用于空间核反应堆的热离子交换器。
未来,铼大有可为,前途无量。铼资源匮乏,价格昂贵,长期以来的研究较少,因其在物理和化学特性上的独特性,使其在众多高科技领域中占据不可替代的位置,在航天航空、军工、卫星、电子、医疗、新能源领域的应用越来越广泛。同时,铼产品也逐渐走入公众视野,比如99.99%铼戒指、铼锭、铼坩埚等。
未“铼”可期
近年来,全球铼的回收产业在快速发展,美国和德国是铼资源回收的主要国家。2020年,全球大约回收20吨~25吨的铼,其中美国占1/3。
铼的回收利用技术难度非常大,成本也高,针对不同形式的铼废料,有着不同的回收处理方法。目前,从高温合金废料中回收铼的工艺主要有氧化升华法、电化学处理法、高温碱熔法、电解溶解法等方法,几种方法各有利弊,国内金属所采用“电化学溶解法”,多步分离提取高温合金废料中的铼,探索了高温合金废料电化学溶解、沉淀分离、萃取分离、离子交换分离、金属化合物重结晶提纯、金属化合物气体还原等环节的关键科学与技术问题,初步实现了从高温合金废料中分离回收铼元素的目标。
面对快速增长的应用需求和有限的探明储量,技术创新是破解资源综合利用的首要方式,不断完善铼开发、应用以及回收再利用技术,实现铼资源的闭环再生,节约利用。在参考欧美铼资源利用先进模式的基础上,加大铼资源的回收利用技术研发,提升铼资源保障能力,相信在不久的将来,铼的应用将会为人类生活科技化和生命健康贡献更大的力量。(中国地质调查局呼和浩特自然资源综合调查中心/贾雷 李俊东)