铋元素的发展及应用

*郭祖滔

(西安市铁一中学 陕西 710000)

铋元素的发展及应用

*郭祖滔

(西安市铁一中学 陕西 710000)

目前世界各国对环境保护愈加重视,铋元素作为一种quot;绿色元素quot;,对其的科学研究日益加深,深加工产品的使用量日益加大.本文就铋元素在铋化学品方面,铋合金方面以及铋系纳米材料方面展开论述,研究铋元素在各行各业的应用以及发展前景,对我国的铋产业的优劣势作出分析,推进我国铋产业工业化进程.

铋元素;铋化学品;铋合金;铋系纳米材料

铋(Bi)是一种脆而硬,具有桃红色闪光的银白色金属,熔点较低(271℃)且凝固时体积膨胀.因为铋金属无毒,所以又称作quot;绿色金属quot;,铋金属广泛用于医药,化妆品,颜料,催化剂,阻燃剂,电镀等化学品行业,也作为铋合金用于半导体,核反应等,在纳米材料的研究中,铋化合物也作为物理、化学等学科的研究热点.

本文的目的及意义在于,我国铋元素的储量居世界第一位,这为我国成为铋元素大国创造了基本条件,但我国铋深加工产品相对落后,应用范围也较为局限,因此,了解并研究铋元素以及铋深加工产品对推进我国铋产业工业化具有借鉴价值,同时对提高我国铋行业的经济效益将具有十分重要的意义.

1.铋在传统工业方面的应用与发展前景

铋在传统工业中的应用很广泛,主要分为:铋药,铋化妆品,铋催化剂,电镀铋层,铋类半导体,在核反应中的应用以及铋系易熔合金几大类.

(1)铋药

在200多年以前,铋药已经在民间作为医药用品开始使用,当时的作用是用于治疗消化不良.在1899年,梅毒的治疗初期用的就是铋药,后在1940年的时候被青霉素取代.之后,胶态次枸橼酸铋(CBS)问世,其粒度为1-4um,被广泛用于治疗消化性溃疡疾病,并且具有显著的疗效,在临床治疗上,CBS治疗率极高并且副作用也相对较小.

另外,在放射性治疗上也需要铋元素,铋是一种很典型的α粒子放射物,其半衰期为一小时,可作为癌症的放射性治疗手段,最新的研究结果表明,铋元素在一定程度上可以抑制癌细胞生长与繁殖.

虽然铋元素在医药上的应用已经有200多年了,但是其药理作用,生物化学作用以及药物化学作用在近些年才开始受到学者们的广泛关注,因此,进一步的研究铋元素的药理机制以及生物化学机制才能够研发出新型的、功效好的治疗消化性溃疡疾病以及癌症的药物.

(2)化妆品

氯氧化铋是一种具有平滑效果和珠光效果的新型的高档的环保珠光材料,其主要特点是低油脂吸附、无毒性、珠光效果和皮肤附着力强,目前主要用来配制一些高档化妆品,例如眼影膏、唇膏、扑面粉等.但由于铋系列的化妆品所面临的市场竞争相对激烈,在化妆品中所占的比例也相对较小,同时,一些化妆品正朝着采用天然动植物原料为配方,讲究保青春,抗衰老,因此铋系列化妆品在市场上的竞争十分激烈,只有优化工艺及研究其他的铋化合物,才能有突破性的进展.

(3)催化剂

三氧化二铋作为催化剂在实际应用方面,主要有以下三类:①钼铋催化剂,该催化剂用于氧化还原反应中,效果良好且成本低.如将丙烯氧化为丙烯醛以及丁烯氧化脱氢后制备丁二烯等过程.②钇铋催化剂,这是一种掺杂了氧化钇的氧化铋材料,具有非常大的应用前景.目前,该种催化剂的主要应用是通过氧化耦合反应将甲烷转化为乙烷或者乙烯,例如BY25,就是在氧化铋中掺杂了25%的氧化钇,在甲烷氧化耦合反应中,它的催化效率是目前最好的催化剂(氧化镁,氧化锂)的15倍,可以多次循环使用,平均次数为18次.③燃速催化剂,氧化铅曾是固体推进剂中重要的催化剂,但是氧化铅具有毒性,将会直接或者间接对研究工作者或者环境造成危害,而且氧化铅会在发动机排气中产生大量烟雾,这样会对制导造成副作用.而氧化铋则不会具有上述的缺点,氧化铋的毒性较低,产生烟雾相对较少,是一种生态安全材料,科学家正在研制纳米氧化铋材料,有望在提高推进剂的燃速,降低压强等方面取得突破性的进展.

(4)电镀铋层

铋金属相当稳定,在干燥或者湿润的情况下都不易氧化,具有很强的抗氧化性,而且,在无氧的情况下,铋不溶于盐酸,同时不受硫化氢气体和冷的稀硫酸的腐蚀作用,因此,电镀铋层具有很好的保护性能和防护性能,可作为耐蚀涂层和装饰性涂层使用,具有较广泛的应用.例如在晶体管的焊接时,铜导线的表面就需要含铋合金的镀层.

(5)半导体

硒化铋、碲化铋这两种材料,是皮尔梯耳效应制冷中最为优良的两种热电材料.皮尔梯耳效应指的是,当有电流通过热电偶时,热电偶的一端温度会升高,另一端温度则会降低.因此优良的皮尔梯耳效应热电偶材料,应该具有以下几个特点,分别是:热电性能优秀,导热性能低,电阻小.而硒化铋、碲化铋这两种材料都是半导体化合物,拥有以上几个特点.有相关研究表明,用硒化铋、碲化铋这两种材料制造冰箱,可将压缩机部分省去,使得冰箱的有效容积增大至少百分之三十,在同样的制冷效果下,这两种材料制造的冰箱没有噪音,同时节约用电,由此可见,铋系半导体化合物在制冷方面具有乐观的前景,将会有很大的市场和经济价值.

(6)核反应

在吸收X射线的能力上,铋元素与铅元素的能力相近,可以吸收一定量的热中子,因此在核反应堆中,高纯铋常用作载热剂或者冷却剂,在原子裂变装置中也常用做防护材料.

在最近的一项研究中,俄罗斯科学家发现用铋和铅作为主体制成的混合物,在一定条件下可以发生裂变,因此,这种混合物可以作为一种新的核能源来使用,根据报道,该项研究是科学家利用回旋加速器的质子流轰击低熔状态的铋和铅的混合物时发现的.这项发现之后,有关专家进行了研究,并且指出,用铋和铅的混合物作为核反应原料时,它的使用时间受到设备的使用时间的限制,因此,该混合物不会有发生爆炸的可能性,用在核电站上会更加安全.

⑺制备易熔合金

铋的一个主要用途是可与Sb,In,Cd,Pb等金属一起制备易熔合金,并将熔点控制在200℃以下.铋基易熔合金主要有以下几个用途:①可利用熔点低的性质制备某些安全装置,例如易熔片和保险丝等.②铋基易熔合金的熔点不仅较低,而且还可以准确控制,通过利用该特点,可以在原子能反应堆中用作冷却剂或者载热剂.③由于在合金中当铋含量在55%以上时,材料具有冷胀性,因此,含铋量55%以上的合金可用作印刷铸字工业和矫正变形工件等.同时,当铋含量在48%到55%之间时,合金的尺寸不会因为温度的变化而变化,可利用该特点制备合金模具,这种合金模具可通过冷冲压工艺制备汽车的水箱、油箱以及外壳,效率高且重复使用率高.④由于铋是绿色金属,无毒且不致癌,因此在医疗设施上,铋合金可替代铅合金,用作癌症治疗的护板等.

2.铋在先进科技方面的应用与发展前景

铋在纳米方面的应用目前研究较少,少有文章涉及此类创新科技产品.铋的化合物具备独特的材料性能,例如延展性,阻燃性等等,若是制备成纳米材料,不仅可以发挥其特征,同时还能够具备一些其他特殊的性能及用途.

(1)纳米超细氧化铋的研究及应用

由于粒度细小,因此纳米超细氧化铋可使高分子材料具有与众不同的延展性,若在高分子材料中添加纳米超细氧化铋进行阻燃处理,可以使得高分子材料实现自熄性和难燃性,在阻燃的性能上,比同材料的微米级氧化铋强十倍,同时,由于纳米氧化铋的直径很小,甚至小于化纤纤维的直径,因此可在化纤原料中加入纳米氧化铋,这样通过纺丝工艺后,纳米氧化铋就会均匀地分布在化纤纤维中,使得纤维自身得到高效阻燃性.同时,纳米氧化铋的加入不会影响基体材料的机械性能等,因此,用该材料制备的纳米复合材料在着火时既能够控制烟雾的生成,又能够达到阻燃的作用.

(2)纳米磷酸铋的研究及应用

由于纳米磷酸铋具有优异的性能以及特殊的结构,近年来已经成为了物理、化学、材料学等学科的热点研究领域.纳米磷酸铋主要有以下两个研究及应用方面:①纳米磷酸铋是一种新型的光催化剂,可替代高成本的二氧化硅,在紫外光的照射下,纳米磷酸铋可以降解包括酚类、苯类、药物、聚苯乙烯等一系列的有机物.②由于纳米磷酸铋具有比表面积大等特点,因此可作为有机化学反应中的高效催化剂,提高化学反应的速度,例如在丁醇脱氢制备丁醛等过程中,纳米磷酸铋都发挥着巨大的作用.

3.我国铋产业的优劣势分析

笔者认为,我国铋产业的优势主要在于:(1)我国是目前世界上最大的铋原料生产国,年产量可以达到8000吨左右,约占世界铋产量的45%.(2)我国对于铋的发展及应用的重视程度越来越高,也取得了不少可喜的成就,例如前文所提及的铋药剂,铋化妆品,铋催化剂以及铋的易熔合金等等方面.(3)近年来,环保问题受到了全球国家的极大重视,特别是美、日、欧等发达国家,这些国家在此问题上制定了新的法令,限制或者禁止使用含铅类的有毒物质,这样一来,无毒的quot;绿色金属quot;必将大放光彩,而铋作为其中的佼佼者,其应用领域必将扩大,因此能极大的提升我国铋产业的经济效益.而我国铋产业的劣势主要在于:(1)我国虽然铋含量大,但却大多以原料的方式出口,科技含量低,利润空间小.(2)在铋深加工方面,与国外工艺还存在着一定的差距,例如含铋的耐磨齿轮,铋系阻燃剂,加铋的高性能玻璃等等,均达不到国外产品的性能条件.(3)在铋系材料的高尖端领域,例如铋系纳米材料的制备与工业化应用方面,也才刚刚起步,远远达不到实际应用的地步,因此需要投入更多的科研工作者与科研经费.

4.总结与展望

综上所述,中国是铋生产大国,但是有80%的产品仍由初级产品的形式出口,随着环境问题的日益严峻,quot;绿色金属quot;必将取代之前的有毒金属,从而大放异彩.在这种形势下,铋的消费量将日益上涨,因此,抓住这样的机会,利用我国的天然优势,研究铋元素并开发一系列环境友好型铋深加工产品,对于我国铋行业来说,是一个巨大的挑战,同时也是一个千载难逢的机遇.

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[10]汪立果等.铋冶金.冶金工业出版社,1986.

郭祖滔(2001-),男,西安市铁一中学;研究方向:化学.

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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