淺談煤中元素的研究方向及意義

【摘要】煤是一種復(fù)雜的化合物，由于成煤物質(zhì)和成煤環(huán)境的不同，組成煤的元素的種類和含量則不盡相同。在煤炭資源開發(fā)利用過程中潛在有害元素釋放對環(huán)境和人體健康造成危害；富集在煤中的潛在有益元素可以回收利用。深入研究煤中元素的種類、性質(zhì)和含量，對于防治環(huán)境污染和人體危害、資源的高效潔凈利用具有重要的意義。

【關(guān)鍵詞】煤；有害元素；有益元素

1、前言

自然界所有的物質(zhì)幾乎都是由不同的元素組成的，煤當(dāng)然也不例外。煤是一種固體可燃有機巖，主要是由古代植物遺體埋藏在地下經(jīng)歷復(fù)雜的生物化學(xué)和物理化學(xué)變化而形成的。由于自然界形成煤的植物組成和環(huán)境的多樣性，導(dǎo)致煤的元素組成及其復(fù)雜。中國是目前世界上最大的煤炭消費者和生產(chǎn)者，近年來，煤炭約占中國的一次能源消費總量的74%，截至2011年，中國煤炭產(chǎn)量32.4億噸，占世界比例高達(dá)48.3%。煤炭在中國的高使用量使得人們對于煤炭的元素組成越來越關(guān)注，一方面煤炭燃燒釋放的有害元素不僅對環(huán)境造成了較嚴(yán)重的環(huán)境污染，而且經(jīng)過長期積累和運移對人體造成危害；另一方面，國家現(xiàn)在十分重視循環(huán)經(jīng)濟(jì)和有序地利用資源，由于煤炭是一種不可再生資源，因此對于煤炭的高效利用（如從煤的燃燒產(chǎn)物中提取有益元素）可將煤炭的資源利用最大化。

2、煤中元素概述

地殼中有質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計的元素共88種[1]，用現(xiàn)代分析手段已經(jīng)從煤的樣品和從煤中解吸出來的氣體樣品中檢測到86種元素，至今只有錒（Ac）和鏷（Pa）這兩種壽命短的放射性元素還未從煤中檢測到[2]（圖1），值得注意的是，對于任意一個煤樣品，運用不同的分析手段，有可能檢測到各種元素，可謂一粒煤包含整個地殼。

按元素在大多數(shù)煤中的平均含量0.1%為界，一般將煤中含量超過0.1%的元素（C、H、O、N、S、Na、Mg、Al、Si、K、Ca和Fe）稱為常量元素；其他元素在大多數(shù)煤中含量低于0.1%，稱為微量元素[2-4]。煤是由有機質(zhì)和無機質(zhì)組成的復(fù)雜的化合物，其中有機質(zhì)的含量大多超過50%。C、H、O、N是煤中有機質(zhì)的主要組成部分，Na、Mg、Al、Si、K、Ca和Fe 是煤中無機組成的重要部分，S既存在于有機質(zhì)中，又存在于無機質(zhì)中[3]。煤中微量元素個數(shù)很多，根據(jù)其性質(zhì)、用途以及目前的研究熱點來看主要分為有害元素和有益元素。煤中有害元素現(xiàn)已查明的主要有P、F、Cl、As、Be、Pb、B、Cd、Hg、Se、Cr等10多種[5-7]；煤中的有益元素是指某些在煤中含量很高并且已經(jīng)具備開采價值的元素，如Ge、U、Ga和稀土元素等等[8-10]。

3、煤中有害元素

煤中含有許多潛在有害微量元素，這些元素在煤中含量看似微不足道，但是由于煤炭開采量和利用量很大，在煤炭的燃燒或者加工利用的過程中這些含量很低的元素就會從煤中釋放出來，經(jīng)過長期積累和運移，從而對環(huán)境和人類身體健康造成危害（圖2）[2，11]。對于煤中微量元素污染空氣、水和土壤的報道在國內(nèi)外屢見不鮮，例如煤中S、As、F、Hg等元素在燃煤過程中進(jìn)入大氣，構(gòu)成大氣污染物；煤以及燃燒產(chǎn)生的固體殘渣中有害元素通過淋濾作用進(jìn)入周圍水體和土壤中；但是直接影響人類健康的實例是較少的，而我國是煤中微量元素傷害人體健康的最嚴(yán)重的國家，特別是煤中As、F、Se三種元素對人體造成的傷害，現(xiàn)在醫(yī)學(xué)界已經(jīng)把其定義為“煤煙型砷中毒”、“煤煙型氟中毒”和“煤煙型硒中毒”[12-16]，并且已經(jīng)引起了國內(nèi)外廣大學(xué)者的共同關(guān)注。

三種由于煤燃燒引起的流行病均發(fā)生在經(jīng)濟(jì)落后的山區(qū)居民家庭里，研究表明病區(qū)均使用的富含砷、氟或硒的燃料，且室內(nèi)排煙塵條件極差。煤煙型砷中毒發(fā)現(xiàn)于貴州省，已經(jīng)造成超過3000多里中毒事件，從1976-2003年間死亡265例[17]。煤煙型硒中毒于1958-1963發(fā)現(xiàn)與我國湖北恩施地區(qū)，是我國煤煙型硒中毒最嚴(yán)重的地區(qū)，截至1987年已經(jīng)發(fā)現(xiàn)477例患者[18]。煤煙型氟中毒地方病流行區(qū)更廣，到2008年我國因生活用煤，造成煤煙型氟中毒流行范圍遍及13?。ㄊ?、自治區(qū)）的199多個縣，受威脅病區(qū)的人口約一千六百多萬[9]。由上可見，燃煤不僅僅是對空氣和環(huán)境造成污染，更加危及我們?nèi)祟惤】?，對于煤中有害元素的去除和排放控制刻不容緩?/p>

4、煤中有益元素

煤中不僅具有潛在的有害微量元素，需要對其進(jìn)行深入研究，而且也含有很多有益元素。煤的形成環(huán)境具有高度的吸附性能，因此在特定的條件下可富集某些金屬元素，我國煤田的形成環(huán)境復(fù)雜，因此富集某種微量元素的可能性也較多，有些煤中微量元素的含量等于甚至高于在許多常規(guī)類型的礦床中它們的含量。目前在煤中發(fā)現(xiàn)的含量較高、達(dá)到或超過工業(yè)品位、可作為工業(yè)礦床開發(fā)利用或綜合利用的元素近20種，如Ge、Ga、U、Nb、Zr和稀土元素（REE）等等，能進(jìn)行工業(yè)性生產(chǎn)的有Ge、Ga、U等。

Ge的用途廣泛，在半導(dǎo)體、航空航天測控、光纖通訊、太陽能電池等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用，是一種重要的戰(zhàn)略資源。Ge是唯一一種已經(jīng)從煤中成功開發(fā)利用的稀有元素（圖3），并且其利用已經(jīng)超過50年了。V.W.戈爾德施米特于1930年首次從煤的燃燒產(chǎn)物的分析中發(fā)現(xiàn)鍺，英國是最早從燃煤產(chǎn)物中提取鍺的國家。中國煤中Ge的研究始于20世紀(jì)50年代末期，中國已報道的富Ge煤田主要有臨滄（云南），烏蘭圖噶（內(nèi)蒙古）和伊敏（內(nèi)蒙古）[19-20]，內(nèi)蒙古伊敏煤田不僅是在中國，而且在世界上最大的含鍺煤礦床，估計的鍺資源量為4千噸。

Ga在國防科學(xué)、高性能計算機的集成電路、光電二極管等方面有著廣泛應(yīng)用，并被稱為“電子工業(yè)的糧食”。位于中國北方鄂爾多斯盆地的準(zhǔn)格爾煤田由于其非常高的含Ga量在其他含鎵煤田中脫穎而出[21]。2011年初神華集團(tuán)在內(nèi)蒙古黑岱溝煤礦建立了第一座從燃煤產(chǎn)物中提取Ga的實驗工廠，預(yù)計年產(chǎn)量達(dá)到150t[10]。

U是重要的核燃料，主要用于原子能發(fā)電和核武器。與煤層相關(guān)的鈾礦，是鈾礦主要來源之一。美國、德國、法國、蘇聯(lián)均找到了此種類型的礦床，中國也不例外。其中，最大的鈾礦床位于中亞地區(qū)[22]，我國的富鈾煤田主要是新疆伊利煤田。

Nb、Zr和REE是十分重要的稀有金屬，廣泛應(yīng)用于冶金、航空航天、電子、光學(xué)、原子能以及超導(dǎo)材料等高技術(shù)領(lǐng)域。REE包括鑭系元素（La、Ce、Pr等）和Y，其中每一個元素都可以形成上億元的產(chǎn)業(yè)，被稱為“21世紀(jì)黃金”。隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對這些稀有金屬的需求日趨層架，常規(guī)稀有金屬元素礦床分布有限，且難于開采，不能滿足日益增加的工業(yè)需求。然而這些金屬元素一定的條件下可富集在煤或煤系地層下，如果含量較為豐富則具有潛在的利用價值[9-10， 23]。Dai etal.報道過中國西南滇東、重慶地區(qū)含煤地層中的大型Nb（Ta）-Zr（Hf）-REE-Ga多稀有金屬礦床[8， 24]，各稀有金屬含量都很高，已經(jīng)達(dá)到開發(fā)利用的要求，儲量豐富，潛在經(jīng)濟(jì)價值不可估量。

實際上，元素周期表中任何一種元素如果高度富集或者缺乏，都會對環(huán)境和人類健康造成危害，煤中元素的有害性和有益性是相對的。例如，湖北恩施地區(qū)的高硒煤是世界罕見的唯一獨立工業(yè)硒礦床；而長期接觸稀土煙霧和塵粒的生產(chǎn)工人，可產(chǎn)生頻繁的頭疼、惡心、咳嗽、過敏熱等，稀土引起的最重要的病理學(xué)和生化效應(yīng)之一是形成脂肪肝。因此，煤中元素所謂“有害”或“有益”，是對其性質(zhì)而言的，有益元素在有效利用的基礎(chǔ)上也要防止其對人體健康造成危害；反之，有害元素如果綜合利用得當(dāng)，也可以變害為利，變廢為寶。