鉍元素的發(fā)展及應(yīng)用

*郭祖滔

(西安市鐵一中學(xué) 陜西 710000)

鉍元素的發(fā)展及應(yīng)用

*郭祖滔

(西安市鐵一中學(xué) 陜西 710000)

目前世界各國對環(huán)境保護(hù)愈加重視,鉍元素作為一種quot;綠色元素quot;,對其的科學(xué)研究日益加深,深加工產(chǎn)品的使用量日益加大.本文就鉍元素在鉍化學(xué)品方面,鉍合金方面以及鉍系納米材料方面展開論述,研究鉍元素在各行各業(yè)的應(yīng)用以及發(fā)展前景,對我國的鉍產(chǎn)業(yè)的優(yōu)劣勢作出分析,推進(jìn)我國鉍產(chǎn)業(yè)工業(yè)化進(jìn)程.

鉍元素;鉍化學(xué)品;鉍合金;鉍系納米材料

鉍(Bi)是一種脆而硬,具有桃紅色閃光的銀白色金屬,熔點較低(271℃)且凝固時體積膨脹.因為鉍金屬無毒,所以又稱作quot;綠色金屬quot;,鉍金屬廣泛用于醫(yī)藥,化妝品,顏料,催化劑,阻燃劑,電鍍等化學(xué)品行業(yè),也作為鉍合金用于半導(dǎo)體,核反應(yīng)等,在納米材料的研究中,鉍化合物也作為物理、化學(xué)等學(xué)科的研究熱點.

本文的目的及意義在于,我國鉍元素的儲量居世界第一位,這為我國成為鉍元素大國創(chuàng)造了基本條件,但我國鉍深加工產(chǎn)品相對落后,應(yīng)用范圍也較為局限,因此,了解并研究鉍元素以及鉍深加工產(chǎn)品對推進(jìn)我國鉍產(chǎn)業(yè)工業(yè)化具有借鑒價值,同時對提高我國鉍行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益將具有十分重要的意義.

1.鉍在傳統(tǒng)工業(yè)方面的應(yīng)用與發(fā)展前景

鉍在傳統(tǒng)工業(yè)中的應(yīng)用很廣泛,主要分為:鉍藥,鉍化妝品,鉍催化劑,電鍍鉍層,鉍類半導(dǎo)體,在核反應(yīng)中的應(yīng)用以及鉍系易熔合金幾大類.

(1)鉍藥

在200多年以前,鉍藥已經(jīng)在民間作為醫(yī)藥用品開始使用,當(dāng)時的作用是用于治療消化不良.在1899年,梅毒的治療初期用的就是鉍藥,后在1940年的時候被青霉素取代.之后,膠態(tài)次枸櫞酸鉍(CBS)問世,其粒度為1-4um,被廣泛用于治療消化性潰瘍疾病,并且具有顯著的療效,在臨床治療上,CBS治療率極高并且副作用也相對較小.

另外,在放射性治療上也需要鉍元素,鉍是一種很典型的α粒子放射物,其半衰期為一小時,可作為癌癥的放射性治療手段,最新的研究結(jié)果表明,鉍元素在一定程度上可以抑制癌細(xì)胞生長與繁殖.

雖然鉍元素在醫(yī)藥上的應(yīng)用已經(jīng)有200多年了,但是其藥理作用,生物化學(xué)作用以及藥物化學(xué)作用在近些年才開始受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注,因此,進(jìn)一步的研究鉍元素的藥理機(jī)制以及生物化學(xué)機(jī)制才能夠研發(fā)出新型的、功效好的治療消化性潰瘍疾病以及癌癥的藥物.

(2)化妝品

氯氧化鉍是一種具有平滑效果和珠光效果的新型的高檔的環(huán)保珠光材料,其主要特點是低油脂吸附、無毒性、珠光效果和皮膚附著力強(qiáng),目前主要用來配制一些高檔化妝品,例如眼影膏、唇膏、撲面粉等.但由于鉍系列的化妝品所面臨的市場競爭相對激烈,在化妝品中所占的比例也相對較小,同時,一些化妝品正朝著采用天然動植物原料為配方,講究保青春,抗衰老,因此鉍系列化妝品在市場上的競爭十分激烈,只有優(yōu)化工藝及研究其他的鉍化合物,才能有突破性的進(jìn)展.

(3)催化劑

三氧化二鉍作為催化劑在實際應(yīng)用方面,主要有以下三類:①鉬鉍催化劑,該催化劑用于氧化還原反應(yīng)中,效果良好且成本低.如將丙烯氧化為丙烯醛以及丁烯氧化脫氫后制備丁二烯等過程.②釔鉍催化劑,這是一種摻雜了氧化釔的氧化鉍材料,具有非常大的應(yīng)用前景.目前,該種催化劑的主要應(yīng)用是通過氧化耦合反應(yīng)將甲烷轉(zhuǎn)化為乙烷或者乙烯,例如BY25,就是在氧化鉍中摻雜了25%的氧化釔,在甲烷氧化耦合反應(yīng)中,它的催化效率是目前最好的催化劑(氧化鎂,氧化鋰)的15倍,可以多次循環(huán)使用,平均次數(shù)為18次.③燃速催化劑,氧化鉛曾是固體推進(jìn)劑中重要的催化劑,但是氧化鉛具有毒性,將會直接或者間接對研究工作者或者環(huán)境造成危害,而且氧化鉛會在發(fā)動機(jī)排氣中產(chǎn)生大量煙霧,這樣會對制導(dǎo)造成副作用.而氧化鉍則不會具有上述的缺點,氧化鉍的毒性較低,產(chǎn)生煙霧相對較少,是一種生態(tài)安全材料,科學(xué)家正在研制納米氧化鉍材料,有望在提高推進(jìn)劑的燃速,降低壓強(qiáng)等方面取得突破性的進(jìn)展.

(4)電鍍鉍層

鉍金屬相當(dāng)穩(wěn)定,在干燥或者濕潤的情況下都不易氧化,具有很強(qiáng)的抗氧化性,而且,在無氧的情況下,鉍不溶于鹽酸,同時不受硫化氫氣體和冷的稀硫酸的腐蝕作用,因此,電鍍鉍層具有很好的保護(hù)性能和防護(hù)性能,可作為耐蝕涂層和裝飾性涂層使用,具有較廣泛的應(yīng)用.例如在晶體管的焊接時,銅導(dǎo)線的表面就需要含鉍合金的鍍層.

(5)半導(dǎo)體

硒化鉍、碲化鉍這兩種材料,是皮爾梯耳效應(yīng)制冷中最為優(yōu)良的兩種熱電材料.皮爾梯耳效應(yīng)指的是,當(dāng)有電流通過熱電偶時,熱電偶的一端溫度會升高,另一端溫度則會降低.因此優(yōu)良的皮爾梯耳效應(yīng)熱電偶材料,應(yīng)該具有以下幾個特點,分別是:熱電性能優(yōu)秀,導(dǎo)熱性能低,電阻小.而硒化鉍、碲化鉍這兩種材料都是半導(dǎo)體化合物,擁有以上幾個特點.有相關(guān)研究表明,用硒化鉍、碲化鉍這兩種材料制造冰箱,可將壓縮機(jī)部分省去,使得冰箱的有效容積增大至少百分之三十,在同樣的制冷效果下,這兩種材料制造的冰箱沒有噪音,同時節(jié)約用電,由此可見,鉍系半導(dǎo)體化合物在制冷方面具有樂觀的前景,將會有很大的市場和經(jīng)濟(jì)價值.

(6)核反應(yīng)

在吸收X射線的能力上,鉍元素與鉛元素的能力相近,可以吸收一定量的熱中子,因此在核反應(yīng)堆中,高純鉍常用作載熱劑或者冷卻劑,在原子裂變裝置中也常用做防護(hù)材料.

在最近的一項研究中,俄羅斯科學(xué)家發(fā)現(xiàn)用鉍和鉛作為主體制成的混合物,在一定條件下可以發(fā)生裂變,因此,這種混合物可以作為一種新的核能源來使用,根據(jù)報道,該項研究是科學(xué)家利用回旋加速器的質(zhì)子流轟擊低熔狀態(tài)的鉍和鉛的混合物時發(fā)現(xiàn)的.這項發(fā)現(xiàn)之后,有關(guān)專家進(jìn)行了研究,并且指出,用鉍和鉛的混合物作為核反應(yīng)原料時,它的使用時間受到設(shè)備的使用時間的限制,因此,該混合物不會有發(fā)生爆炸的可能性,用在核電站上會更加安全.

⑺制備易熔合金

鉍的一個主要用途是可與Sb,In,Cd,Pb等金屬一起制備易熔合金,并將熔點控制在200℃以下.鉍基易熔合金主要有以下幾個用途:①可利用熔點低的性質(zhì)制備某些安全裝置,例如易熔片和保險絲等.②鉍基易熔合金的熔點不僅較低,而且還可以準(zhǔn)確控制,通過利用該特點,可以在原子能反應(yīng)堆中用作冷卻劑或者載熱劑.③由于在合金中當(dāng)鉍含量在55%以上時,材料具有冷脹性,因此,含鉍量55%以上的合金可用作印刷鑄字工業(yè)和矯正變形工件等.同時,當(dāng)鉍含量在48%到55%之間時,合金的尺寸不會因為溫度的變化而變化,可利用該特點制備合金模具,這種合金模具可通過冷沖壓工藝制備汽車的水箱、油箱以及外殼,效率高且重復(fù)使用率高.④由于鉍是綠色金屬,無毒且不致癌,因此在醫(yī)療設(shè)施上,鉍合金可替代鉛合金,用作癌癥治療的護(hù)板等.

2.鉍在先進(jìn)科技方面的應(yīng)用與發(fā)展前景

鉍在納米方面的應(yīng)用目前研究較少,少有文章涉及此類創(chuàng)新科技產(chǎn)品.鉍的化合物具備獨(dú)特的材料性能,例如延展性,阻燃性等等,若是制備成納米材料,不僅可以發(fā)揮其特征,同時還能夠具備一些其他特殊的性能及用途.

(1)納米超細(xì)氧化鉍的研究及應(yīng)用

由于粒度細(xì)小,因此納米超細(xì)氧化鉍可使高分子材料具有與眾不同的延展性,若在高分子材料中添加納米超細(xì)氧化鉍進(jìn)行阻燃處理,可以使得高分子材料實現(xiàn)自熄性和難燃性,在阻燃的性能上,比同材料的微米級氧化鉍強(qiáng)十倍,同時,由于納米氧化鉍的直徑很小,甚至小于化纖纖維的直徑,因此可在化纖原料中加入納米氧化鉍,這樣通過紡絲工藝后,納米氧化鉍就會均勻地分布在化纖纖維中,使得纖維自身得到高效阻燃性.同時,納米氧化鉍的加入不會影響基體材料的機(jī)械性能等,因此,用該材料制備的納米復(fù)合材料在著火時既能夠控制煙霧的生成,又能夠達(dá)到阻燃的作用.

(2)納米磷酸鉍的研究及應(yīng)用

由于納米磷酸鉍具有優(yōu)異的性能以及特殊的結(jié)構(gòu),近年來已經(jīng)成為了物理、化學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科的熱點研究領(lǐng)域.納米磷酸鉍主要有以下兩個研究及應(yīng)用方面:①納米磷酸鉍是一種新型的光催化劑,可替代高成本的二氧化硅,在紫外光的照射下,納米磷酸鉍可以降解包括酚類、苯類、藥物、聚苯乙烯等一系列的有機(jī)物.②由于納米磷酸鉍具有比表面積大等特點,因此可作為有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中的高效催化劑,提高化學(xué)反應(yīng)的速度,例如在丁醇脫氫制備丁醛等過程中,納米磷酸鉍都發(fā)揮著巨大的作用.

3.我國鉍產(chǎn)業(yè)的優(yōu)劣勢分析

筆者認(rèn)為,我國鉍產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢主要在于:(1)我國是目前世界上最大的鉍原料生產(chǎn)國,年產(chǎn)量可以達(dá)到8000噸左右,約占世界鉍產(chǎn)量的45%.(2)我國對于鉍的發(fā)展及應(yīng)用的重視程度越來越高,也取得了不少可喜的成就,例如前文所提及的鉍藥劑,鉍化妝品,鉍催化劑以及鉍的易熔合金等等方面.(3)近年來,環(huán)保問題受到了全球國家的極大重視,特別是美、日、歐等發(fā)達(dá)國家,這些國家在此問題上制定了新的法令,限制或者禁止使用含鉛類的有毒物質(zhì),這樣一來,無毒的quot;綠色金屬quot;必將大放光彩,而鉍作為其中的佼佼者,其應(yīng)用領(lǐng)域必將擴(kuò)大,因此能極大的提升我國鉍產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益.而我國鉍產(chǎn)業(yè)的劣勢主要在于:(1)我國雖然鉍含量大,但卻大多以原料的方式出口,科技含量低,利潤空間小.(2)在鉍深加工方面,與國外工藝還存在著一定的差距,例如含鉍的耐磨齒輪,鉍系阻燃劑,加鉍的高性能玻璃等等,均達(dá)不到國外產(chǎn)品的性能條件.(3)在鉍系材料的高尖端領(lǐng)域,例如鉍系納米材料的制備與工業(yè)化應(yīng)用方面,也才剛剛起步,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實際應(yīng)用的地步,因此需要投入更多的科研工作者與科研經(jīng)費(fèi).

4.總結(jié)與展望

綜上所述,中國是鉍生產(chǎn)大國,但是有80%的產(chǎn)品仍由初級產(chǎn)品的形式出口,隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻,quot;綠色金屬quot;必將取代之前的有毒金屬,從而大放異彩.在這種形勢下,鉍的消費(fèi)量將日益上漲,因此,抓住這樣的機(jī)會,利用我國的天然優(yōu)勢,研究鉍元素并開發(fā)一系列環(huán)境友好型鉍深加工產(chǎn)品,對于我國鉍行業(yè)來說,是一個巨大的挑戰(zhàn),同時也是一個千載難逢的機(jī)遇.

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郭祖滔(2001-),男,西安市鐵一中學(xué);研究方向:化學(xué).

Development and Application of Bismuth Element

Guo Zutao
(Tieyi Middle School of Xi'an City, Shanxi, 710000)

At present, the countries of the world pay more attention to environmental protection, as a quot; green element quot;, the scientific research of bismuth is becoming more and more deepen, and the use of deep processing products is increasing. In this paper, bismuth element in bismuth chemistry,bismuth alloy and bismuth system nano materials are discussed, the application and development prospect of bismuth in all walks of life is studied, the advantages and disadvantages of bismuth industry in China are analyzed in order to promote the process of the industrialization of bismuth industry in China.

bismuth element;bismuth chemical;bismuth alloy;bismuth series nano - material

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