铯标准体系现状

白智辉，莫子璇

（有色金属技术经济研究院，北京 100089）

1 铯的背景

铯，元素符号为Cs，原子序数是55，原子量为132.90543，铯金属是一种软而轻、熔点很低的金属，纯净的金属铯呈金黄色；熔点28.4℃，沸点669.3℃。莫氏硬度只有0.2，是最软的金属[1]。

铯是最活泼的碱金属，甚至与温度低到-116℃的冰均可发生猛烈反应产生氢气、最强的碱——氢氧化铯，还可与卤族元素可以形成稳定的卤化物。铯的电离电位和电子逸出功最低，具有灵敏的光敏性。铯离我们日常生活有一定距离，其用途主要在一些特殊的领域，铯及其化合物具有的物理和化学特性及其用途有如表1所示[2]。

表1 铯的特性及用途

铯的消费市场不大，全球铯供应基本上都是按订单生产，即产即销，因此几乎没有库存，价格没有大的上下波动，较为平稳。全球铯最大年需求量约为200吨/年～250吨/年，而大部分时间需求量维持在50t左右。日本和美国是全球铯消费的主要国家，中国对铯化合物年消费量在5t左右。

2 铯的标准现状

我国正在实施的铯标准可以划分为含铯矿石检测标准、铯化工产品标准、铯制品标准三个方面。

2.1 含铯矿石检测标准

铯具有独立矿物铯榴石，Cs2O含量在5%～32%，或者半生。加拿大的Bernic湖伟晶岩矿是目前发现的最大的铯榴石矿，Cs2O含量达23.3%，拥有120000t铯榴石[3]。全球资源主要在加拿大、津巴布韦和纳米比亚，总量占全球90%以上。我国铯资源主要来源于铯榴石、锂云母、铯硅华。新疆地处古亚洲构造成矿带，矿藏资源十分丰富，品位居全国之首，含量在18%～24%，产量占全国第三位。而我国铯储量最大来自于江西宜春的锂云母中，铯储量占全国的42.5%。其他铯资源包括湖南碱性花岗岩型铌钽伴生铯矿；青海西藏地区的盐湖卤水；西藏的热泉型铯硅华（也称含铯蛋白石，为含铯的二氧化硅胶体）等[3]。

由于我国铯储量主要来自于锂云母，我国在早期就对于锂云母中氧化铯的分析进行了研究，利用焰原子吸收光谱法能够准确的测定氧化铯的含量，并在1983年就已经制定了首个含铯矿分析方法的标准GB/T 3885.2—1983。目前现行的含铯矿石检测标准有GB/T 17413.3—2010《锂矿石、铷矿石、铯矿石化学分析方法第3部分：铯量的测定》，测试范围为氧化铯10μg/g～ 1.0×104μg/g和YS/T 509.2—2008《锂辉石、锂云母精矿化学分析方法氧化铷、氧化铯量的测定火焰原子吸收光谱法》，测试范围分别为氧化铯0.10%～1.2%。两项标准主要针对不同的矿石资源，基本满足目前国内对于含铯矿石的检测需求。

2.2 铯化工产品标准

铯及其化合物的制备技术主要有沉淀法、离子交换法、溶剂萃取法等多种工艺，并仍在研究其他有效提取方法[4]。

我国首个铯化工产品标准是在1992年制定的YS/T 40-1992《高纯碘化铯》，规范的产品分为4N和5N两个级别的产品，主要用于X-射线影像增强器、碘化铯单晶、闪烁计数器材料、红外过滤器材料等。在2011年发布的修订版本中，增加了Zn、Ni、NO3、IO3、氯化物及溴化物（以Cl-计）等杂质含量指标要求，使得高纯碘化锂的产品质量进一步得到保证，其中5N级产品与国际同类产品标准水平相当。

目前市场上流通的铯盐大多是碳酸铯，因为碳酸铯易于保存，并且可以作为其他铯盐生产的原料转型生产其他铯盐，属于中间产品。部分碳酸铯用于生产特种光学玻璃或作为石油催化助剂等。2011年制定了碳酸铯的产品标准，YS/T 756—2011《碳酸铯》将产品分为四个牌号，碳酸铯含量分别不小于99.99%、99.9%、99.5%和99.0%，以满足多样的需求。

随着铯盐在石油化工、特种玻璃、电子器件、生物化学及医药等传统应用领域中近年来有较大的发展，我国在近五年先后制定发布了YS/T 1080—2015《硫酸铯》、YS/T 1081—2015《硝酸铯》、YS/T 1133—2016《甲酸铯》、YS/T 1243—2018《氟化铯》和YS/T 1310—2019《氯化铯》，使得我国铯化工产品标准较为完善。

全球铯盐中能够工业化生产的品种只有甲酸铯，这种产品主要用来做石油完成液，用于深井开采，防止钻头溶解。1999年首次在Shearwater油田的高温/高压井中应用，以密度为1.80g/cm3的甲酸铯盐水作射孔液，在温度高达185℃的井底工作。近十年来，甲酸铯溶液作为打开油层钻井液、完井液、修井液和悬浮液，已在百余口井中成功使用。其表现为以下优点：在高温下可保持添加剂的性能；不需添加重晶石，避免了重晶石的沉降问题；对地层的损害较小；对天然气的溶解度较低，容易发现井涌，能够及时实施井控措施；节流速度快；当量密度较低、降低了液流的阻力，润滑性能好，降低了卡钻的故障率；可被生物降，对环境的影响小。大概一个深井需要用甲酸铯500t，甲酸铯年需求量最多时可达到1000吨/年。YS/T 1133—2016《甲酸铯》规范了国内甲酸铯产品，使其更具市场竞争力。

中国和日本大部分铯盐用于催化剂，日本在催化剂领域的用量达到了90%。而有机合成催化剂是近年来的主要增长点。根据YS/T 1080—2015《硫酸铯》、YS/T 1081—2015《硝酸铯》、YS/T 1243—2018《氟化铯》和YS/T 1310—2019《氯化铯》生产的产品一部分也出口到日本。其中，硫酸铯用于铯钒催化剂，在环氧乙烷的生产中也用硫酸铯作催化剂；硝酸铯用于石油化工助催化剂，用于甲基丙烯树脂的生产中；氟化铯则可用于含氟树脂催化剂、焊接助熔剂；氯化铯可用于医药催化剂，也是制取金属铯的原料。

2.3 铯制品标准

金属铯可在空气中燃烧，并遇水爆炸，因此，提取铯必须始终在矿物油和惰性气体保护下，或在真空中进行操作，提纯难度大。主要方法有电解法、热分解法和金属热还原法。YS/T 1245—2018《铯》的发布实施，表面我国在铯提纯领域更上一个台阶，该标准主要技术指标达到国际先进水平。

铯可用于制作铯光电管、光电倍增管、原子钟。现有精确度最高的时间测量标准是铯的微波原子钟，早在七十年代，准确度就可达到500万年误差仅一秒的水平。在高科技领域，美国重点集中铯在磁流体发电、热离子发电、离子推进技术和离子云通信等领域的应用研究。

3 小结

我国现行有效的铯标准涵盖了含铯矿石检测标准、铯化工产品标准、铯制品标准，标准体系建设正处于起步阶段，与目前国内行业的发展状况相匹配，能满足一部分国内生产、贸易的需求，但目前还缺乏铯化工产品和制品的检测方法标准。

随着行业制备水平的提高，铯提取的成本降低，铯在深部钻井、化工等多个领域的需求将会越来越大。进一步完善铯标准体系，对于新发布的标准及相关技术进步，应加强宣贯推广，将能够对行业起到积极推动作用。