蛇纹岩开发与综合利用

宋丽英，胡庆福，刘宝树，胡晓湘

（1.白求恩军医学院，河北石家庄 050081；2.河北科技大学）

蛇纹岩开发与综合利用

宋丽英1，胡庆福2，刘宝树2，胡晓湘2

（1.白求恩军医学院，河北石家庄 050081；2.河北科技大学）

蛇纹岩（除蛇纹玉外）应用时主要加工方法有物理加工、热法（焙烧法）、湿法（酸解法）3种。中国从20世纪90年代开始开发研究蛇纹岩各种应用，不完全统计有关论文575篇，发明专利27项。蛇纹岩的研究领域在拓宽，应用范围在扩大，从农业到医药，耐火材料、建材到化工材料，金属镁和镁化合物、单晶硅到硅化合物系列产品，环保产品到玉石产品，均在快速发展。蛇纹岩将具有更好的开发前景和更高的利用价值。

蛇纹岩；镁及镁化合物；硅化合物

1 蛇纹岩矿物资源分布及用途

蛇纹岩是一种由蛇纹石组成的变质岩。蛇纹岩的矿物成分主要为蛇纹石，次要矿物有磁铁矿、钛铁矿、水镁石等。蛇纹岩石一般呈黄绿至黑绿色。蛇纹石是一种高镁矿物，其化学式为Mg6［Si4O10］（OH）8，其中w（MgO）=43.6%，w（SiO2）=43.3%，w（H2O）= 13.1%，有时混入少量的FeO、Fe2O3、NiO等成分。矿物学中把蛇纹石作为蛇纹石族矿物的总称，这族矿物包括利蛇纹石、叶蛇纹石、纤蛇纹石（即蛇纹石石棉）等［1］。块状蛇纹石具有贝壳状或参差状断口，硬度为2.5～3.5，密度为2.5～2.62 g/cm3［2-3］。

中国蛇纹岩矿产资源丰富、分布广泛，据2005年国土资源部《全国矿产资源储量通报》数据显示，现已探明储量超过130亿t。蛇纹岩矿产分布在北京昌平，河北涞源、易县、鹿泉、赤城，内蒙古呼和浩特、武川、固阳，辽宁大连、朝阳、宽甸、凤城、岫岩、本溪、辽阳、海城、营口，吉林集安，山东日照、胶县、即墨，江苏东海，江西弋阳，河南信阳、内乡、卢氐，湖北郧县，广西清西，四川彭县、石棉、越西，云南武定，青海祁连、乐都，陕西略阳，新疆托里、和硕、若羌等地［4］。

目前中国蛇纹岩开采量约为200万～300万t/a［5］，主要用作钙镁磷肥的原料、耐火材料、建筑装饰材料等。具体用途有：用作制造硫酸镁的原料；采用碳还原法从含镁较高的蛇纹岩中提炼金属镁，从含钴、镍较高的蛇纹岩中提炼钴和镍；当生产铸石或岩棉配料时，若镁组分不足，可采用蛇纹石作为辅料，以提高镁组分含量，相对地降低铝、钙组分含量；鲜艳透明、半透明、质地致密坚硬的蛇纹岩可作为玉石工艺品原料。蛇纹岩矿产应用中的一般工业要求（不包括蛇纹玉）见表1。蛇纹岩主要是由硅、镁氧化物组成的岩石，具有耐热、抗腐蚀、耐磨、隔热、隔声等特性，因而应用前景广阔。

表1 蛇纹岩矿产应用中的一般工业要求

2 蛇纹石综合利用开发现状

蛇纹石是一种水合硅酸矿物，其晶体结构是由氢氧镁石的八面体层与硅氧四面体的六方网层按1∶1结合构成结构单元层［5］。目前蛇纹石（蛇纹玉除外）应用时加工处理原矿的主要方法有3种：物理加工、热法（焙烧法）、湿法（酸解法）。

2.1 物理加工法产品应用现状

1）用于处理工业及生活废水

蛇纹石的断裂结构上存在不饱和的Si—O—Si、O—Si—O、含镁键、OH—等，构成了蛇纹石的活性基团，使蛇纹石具有很高的化学活性。因此，用蛇纹石粉矿可以制取具有高吸附性能的吸附剂，用于处理工业和生活废水。

郭继香等［6］在研究蛇纹石吸附处理污水中重金属离子时，用蛇纹石作吸附剂，在70℃、6 h条件下，可有效去除中性水中的Cd2+、Cu2+、Fe3+、Pb2+、Ni2+，用蛇纹石固定式吸附柱，对重金属离子也有很好的去除效果，对合成水样的重金属离子去除非常理想。A. Drizo等［7］研究了蛇纹石的除磷作用，结果表明，0.6～3.2 mm蛇纹石对于较低的磷含量（0.21 mg/g）的除磷效率大于95%，但随着磷含量的逐渐增加，蛇纹石的除磷效率呈线性下降。蛇纹石主要依靠表面吸附作用除磷，因此除磷效率与其比表面积密切相关。

2）制备润滑自修复剂

蛇纹石硬度小，耐550～700℃高温，性质稳定，吸附性强，耐磨性好，摩擦系数低，热膨胀系数与黑色金属相近。将其加至润滑油或润滑脂中不会与油品发生化学反应，不改变油的黏度和性质，安全无毒。机械运行过程中摩擦形成的修复膜不易脱落，有利于提高抗磨减摩性能，因此蛇纹石可用于制备润滑自修复剂。

曹娟等［8］的研究表明，添加0.3%（质量分数）超细蛇纹石粉的润滑油摩擦因数减小26.2%，磨斑直径降低19.8%；并且由于形成超细蛇纹石粉修复镀层，使润滑油在高载荷下具有很好的减摩性能。陈文刚等［9］的研究表明，将热处理后的蛇纹石粉体加入到润滑油中，在摩擦磨损过程中，蛇纹石颗粒能在磨损表面发生反应形成自修复膜层，起保护修复作用。

3）直接作肥料和陶瓷工业原料

蛇纹石矿物中Mg、Si及其他的一些微量元素能被植物吸收，有助于促进植物生长，还对土壤有一定的改良作用。蛇纹石矿物用于农业肥料，在国内外已得到广泛的应用。一般将蛇纹石矿生产成钙镁磷肥［10］，直接施用或和其他肥料配合施用。

蛇纹石矿物还可用于陶瓷工业原料，经高温烧制的陶瓷制品硬度大、耐热性好。杨赞中等［11］利用石棉尾矿中的蛇纹石作为生产日用陶瓷的原料，不仅烧成产品品质优良、性能检测可与滑石瓷媲美，而且还可降低烧成温度。

2.2 热法（焙烧法）加工法产品应用现状

1）制备水溶性磷肥工艺

用磷矿、焦炭和蛇纹石为主要原料，可以制备水溶性钙镁磷肥，蛇纹石主要用作助熔剂促进磷矿在高温下熔融。工艺流程详见图1。此法生产的粒状水溶性磷肥是以氧化镁、氧化钙、二氧化硅和磷酸盐为主要组分的玻璃体物质，一般认为钙镁磷肥的有效成分是α-Ca3（PO4）2和MgO。

图1 蛇纹石制备水溶性磷肥的工艺流程

2）热法制备胶凝材料和耐火材料

纤蛇纹石的抗张强度大、热稳定性能好、热导率低、隔热效果好、电阻率高、绝缘性强，并且蒸压处理后胶凝性好，因此，纤蛇纹石可作为多功能性原材料，用于制备石棉摩擦材料和石棉水泥复合建材。目前，工业上用蛇纹石制成的主要耐火材料产品焦炉砖，具有很好的碱性耐火作用。王林［12］以蛇纹石、白云石为原料，加入一定的稳定剂，在1 200～1 300℃煅烧，制得镁钙质耐火材料，其耐火度达到1 680℃以上。此外，还可利用蛇纹石与烧结镁砂烧制成耐火度高于1 820℃的镁橄榄石耐火材料。

3）碱熔法制硅酸钠产品

将蛇纹石矿粉与碱性熔剂（如碳酸钠），按一定比例混合，在900℃左右高温熔融，使蛇纹石分解成碳酸镁和硅酸钠，再加无机酸生产镁盐及硅酸，经沉淀，分离制取硅产品、镁产品、稀有金属海绵钯产品等。

4）采用真空碳热还原制备金属镁的工艺

苑占永等［13］以蛇纹石矿粉为原料，添加碳质还原剂、催化剂，混合后压制成球状或块状的球团；将干燥后的球团料装入真空炉中，先脱去结晶水使物料焦结；再升温还原硅酸镁及金属铁、镍的氧化物；还原出的镁蒸汽冷凝为结晶镁，炉渣中的金属铁和镍通过磁选回收，经过磁选的炉渣再脱碳提纯后成为工业碳化硅。采用真空碳热还原制备金属镁工艺流程见图2。

图2 采用真空碳热还原制备金属镁工艺流程

2.3 湿法（酸解法）加工法产品应用现状

采用无机酸（硫酸、盐酸、硝酸等）对一定粒度蛇纹石粉进行酸解，将蛇纹石中镁组分与酸发生反应，生产可溶性镁盐［如MgSO4、MgCl2、Mg（NO3）2等］，从而将不溶于酸液的硅分离出来，可分别制取镁化合物及硅化合物，此法称湿法或酸解法。此法综合工艺流程详见图3。图3中有关助剂说明：1）活化剂，活化剂的使用是为了提高蛇纹石中镁的浸出率，不同研究者使用的活化剂略有不同。杨保俊等［14］加入复合型活化剂FS-1，有的加入分散剂、氧化剂等。2）沉镁剂，沉镁剂主要有氨与硫酸铵；氨与碳酸氢铵；石灰乳与含一定浓度CO2的混合气体；氨；烧碱等。采用不同酸解剂及沉镁剂，副产物不同，有硫酸铵、氯化铵、硝酸铵、氯化钙、碳酸钙、氯化钠等。

图3 以蛇纹石为原料湿法生产镁、硅系列产品示意图

除了湿法提取镁化合物及硅化合物，还可根据蛇纹石矿物组成含有Al、Fe、Mn、Cr、Pd、Ni、Pt等成分多少，同时提取不同稀有金属，是回收利用Pd、Pt等贵金属的有效途径。

戴元宁［15］提出以蛇纹石为原料，全湿法制取气相白炭黑、透明碳酸镁、活性氧化镁、硫酸镍，并回收铁、铬的化工冶金技术。用硫酸为浸取剂，以卤化物为活化剂，使蛇纹石中的硅制成气相白炭黑产品；将含镁、铁、镍、铬的硫酸盐浸取液进行处理，先用碱沉淀除铬、除铁后，再硫化沉镍反应生成硫酸镍，最后碳化使镁转化成透明碳酸镁及活性氧化镁。用烧碱吸收酸解硫化沉镍反应放出的硫化氢气体生成硫化钠，再返回沉镍循环使用；碳化反应母液中的硫酸铵浓缩结晶成副产品工业硫酸铵。此发明综合开发蛇纹石，回收利用率高，避免了“三废”污染。

刘湘霖等［16］提出将蛇纹石粉经过强磁场磁选，酸浸过滤，得到含二氧化硅90%（质量分数）以上的无定形硅粉；在高温下用烧碱将其溶开，制作中高模数的水玻璃，或作为制白炭黑的原料；然后，用硫酸、盐酸、硝酸或三酸混合，以及酸浸助剂对磁选加工过的矿粉进行复式交替循环酸浸，过滤出含杂质的硫酸镁溶液，调节pH、分级沉淀、过滤除杂，得到氧化铁黄、氢氧化铁和氢氧化铝为主的无机工业染料；再将镍富集起来，用于镍的提取；最后将精制除杂的硫酸镁液体，用碳酸氢铵和氨水或硫化钠沉淀后，得到高纯氧化镁；蒸发滤液得到含镁和钙的硫酸铵或硫酸钠。

中国蛇纹石储量丰富，分布较广，质量优，目前对蛇纹石的加工处理仍以物理加工方法及热法加工法为主，蛇纹石直接应用或做钙镁磷肥、冶金熔剂等初级应用，经济效益不高。近年来国内大专院校、科研院所、科技公司开展湿法加工研究，新工艺、新方法层出不穷，截止2011年底公开发表论文不完全统计达575篇，申请专利27项。但研究的多，转化生产力的少，到目前仅李通等［17］开发的以蛇纹石为原料制取高纯MgO及强过滤剂技术，在太原建立了150 t/a高纯MgO工业装置，产品MgO质量分数达到99.68%，超过以色列的99.4%，居世界领先水平［16］。段凌波［18］课题组开发的三强酸正反提纯湿法生产人造助滤剂和化学纯镁质材料新工艺，取得新进展，正在积极筹建工业装置［17］。蛇纹石湿法制备化工材料是今后发展的重要途径之一，用一种原料制备镁、硅两大系列产品，且有多种品种及规格，其经济效益和社会效益显著。

3 结束语

蛇纹岩是一种重要的硅酸镁类矿物，主要含有元素镁和硅，还伴生有少量的稀有金属，如Ni、Pd等。中国从20世纪90年代开始对蛇纹岩矿利用进行开发研究（蛇纹石玉矿［19］除外），但产业化进展缓慢，目前仅限于原块矿出售和简单物理加工的粗产品，湿法加工研究论文多，产业化少。目前对蛇纹岩的研究范围在扩大，涉及到Mg、Si、Ni、Fe等元素分离；高纯MgO、多孔活性SiO2、镁盐、氢氧化镁系列产品；水玻璃、气相白炭黑、沉淀白炭黑、偏硅酸钠、硅溶胶、硅纳米线［20］等硅化物系列产品；Ni、Pd等稀有金属回收利用；铁系产品等。其产品应用领域有：镁硫磷肥、微量元素肥料、土壤改良剂；耐火材料、冶金助熔剂、铸石、岩棉和烧结矿的辅助原料；在环保领域制备絮凝剂、过滤介质、分子筛、废气和生活污水的处理剂、除氟剂等；医药上的矿物药［21］；建筑上的装饰材料。总之，中国蛇纹岩矿储量大、分布广、质量优、应用领域广，是具有广阔前景的非金属矿种之一。随着中国经济的发展，蛇纹岩将具有更好的开发前景和更高的利用价值。

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联系方式：huqf06@yahoo.com.cn

Development and comprehensive utilization of serpentine

Song Liying1，Hu Qingfu2，Liu Baoshu2，Hu Xiaoxiang2
（1.Bethune Military Medical College，Shijiazhuang 050018，China；2.Hebei University of Science and Technology）

There are physical processing，thermal process（roasting method），and wet process（acid hydrolysis method）three processing methods of serpentine（except serpentine jade）.China has begun its development and research about various applications of serpentine since 1990 s，and according to incomplete statistics，there are 575 relevant papers and 27 invention patents.Now serpentine′s research field is broadening and its application range is expanding，for example，from agriculture to medicine，from refractory and building materials to chemical materials，such as metal magnesium and magnesium compounds，from monocrystalline silicon to silicide series products，from environmental protection products to jade products，they are all in rapid development.Therefore，serpentine will have a better development prospect and a higher application value.

serpentine；magnesium and magnesium compounds；silicon compounds

TQ132.2

A

1006-4990（2013）07-0005-04

2013-01-17

宋丽英（1968—），女，硕士，副教授，从事化学教学与科研，重点是无机钙镁盐研究，发表论文40余篇。

胡庆福