钐的性质及用途

背景及概述^[1]

钐是一种有银白色金属光泽的稀土金属，有类似锌的硬度和密度，是镱和铕之外第三容易挥发的镧系元素。钐在空气中容易氧化。它属于典型的镧系元素，氧化态通常为+3。最常见的钐(II)的化合物有SmO（氧化钐(II)），SmS，SmSe 和 SmTe。SmTe在化学合成中是一种常见的还原剂。钐没有显著的生物学作用，只有轻微毒性。在空气中，钐慢慢地在室温下氧化和在150°C下自发性点燃，即使储存于矿物油中，钐也会逐渐氧化和在表面形成具有灰黄色粉末的氢氧化物混合物。金属外观可以被完整保存在密封的惰性气体中（如氩气）。

性质^[1]

钐原子的电子构型为[Xe]4f66S2，主要呈现+3价和+2价。在环境条件下，钐通常假定一个三角结构（α-型）。当加热至731℃，其成六方紧密堆积（hcp结构），但是转变温度的金属的纯度取决于晶体的对称性变化。进一步加热到922℃下将金属成的体心立方（bcc结构）相。加热到300°C并压缩至40k bar会形成一个双六方紧密堆积结构（DHCP）。

在干燥空气中相当稳定，在潮湿空气中表面生成氧化物膜。可与冷水缓慢地或与热水迅速地反应形成氢氧化钐，易溶于稀硫酸形成含有黄色至浅绿色的Sm（III）离子，以[Sm(OH₂)₉]³⁺复合物的形式存在。Sm(II)离子溶液为血红色。

资源^[1]

钐虽然归类为稀土元素，但在地壳中是第40最丰富的元素，比锡等金属还要常见。钐在多种矿物质中组成比例高达2.8%，包括硅藻土，硅铍钇矿，铌钇矿，独居石和氟碳铈矿，其中独居石和氟碳铈矿是最常见的商业元素来源。稀土元素在独居石砂里的质量分数通常为50%，其中钐占2.8%。此外，钐亦存在于氟碳铈矿中。这些矿物质主要分布在中国，美国，巴西，印度，斯里兰卡，澳大利亚，中国钐开采及生产是目前世界领先的。

钐钴合金的处理^[2]

钐钴合金属于稀土材料中的一种，广泛应用于电子工业、医药、国防等领域。钐钴合金除含有钐和钴外，还可能含有少量镍、铜等有价金属。由于钐和钴在我国的储量较少，属于稀缺型战略资源，因此进行钐钴合金中钐、钴等的分离和回收具有重要的实际意义。传统处理方法是将磨细的钐钴合金进行氧化焙烧后浸出或者采用酸性体系直接浸出。所采用的酸性体系通常是高浓度的硫酸或盐酸溶液，从而保证该合金中的钐能够以较高的浸出率进入浸出液中。进入溶液中的钐、钴等后续分离和回收一般是选择采用化学沉淀法或萃取法进行。将磨细后的钐钴合金在一定浓度的酸体系下进行浸出，钴和少量钐进入溶液，实现钻与大部分钐的分离：进入溶液中的这部分钐经调节pH沉淀，然后与保留在浸岀渣中的大部分钐混合，经碳酸钠转化后，再经盐酸溶解、草酸沉淀后直接焙烧制备氧化钐产品；沉钐后液则经进一步净化后，可送去制备硫酸钴。

钐钴磁性废料的处理^[3]

首先对磁性废料中各元素进行粗分，再对有价元素逐一提纯，并去除其中杂质，使能达到相应的产品标准。具体步骤是：a.钐钴废料用稀盐酸浸出，反应完全后过滤以除去酸不溶物；b.浸出液调节p=2~4，用草酸沉淀溶液中的稀土元素，生成灰白色草酸盐沉淀，过滤干燥、经灼烧后得到固体氧化钐；c.沉淀钐后的滤液用氧化剂将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，调节pH=2~4，使溶液中的铁元素先于钴元素生成沉淀，过滤，达到溶液除铁的目的；d.除铁后的滤液，调节p2~4，加入草酸得到草酸钴沉淀，过滤、干燥、灼烧后得到氧化钴。

用途^[1][4]

1.钐主要的商业应用为钐钴磁铁,其具有仅次于钕磁铁的永久磁化。在诸多高新技术领域，永磁材料都是非常重要的功能器件，有着不可替代的作用。与钕铁硼、铝镍钴等其它种类的永磁材料相比，作为第二代稀土永磁材料的2:17型钐钴永磁材料，凭其高温稳定性、强的耐蚀性和高能量供给等优异的综合性能被广泛的应用于汽车、交通运输、计算机技术、雷达、卫星通信和航空航天技术中。钐钴永磁材料中含有大量的稀土元素钐（Sm）和重要的战略元素钴（Co）。科研工作者通过添加合金元素的方法，制备了以钐、钴、铁（Fe）、铜（Cu）、锆（Zr）为主要成分的钐（钴、铁、铜、锆）z永磁材料，商业上应用的钐钴永磁材料的分子式为：Sm（CobalFe0.1-0.2Cu0.08-0.1Zr0.01-0.04）6.8-7.5，其磁性能为：（BH）max=25~29MG0e,Br=10~11kGs,Hcj>20k0e。商业钐钴磁体的矫顽力较高，一般都在2k0e以上，而对于一些特殊应用的磁体，如耐高温钐钴磁体和低温度系数钐钴磁体的矫顽力更高，通常在30k0e以上。

2.钐化合物可以承受700℃以上的显著高温，而不会失去其磁性，钐153放射性的同位素药物的重要组成成分为钐-153lexidronam（Quadramet），可以杀死癌细胞，例如肺癌，前列腺癌，乳腺癌，骨肉瘤。另一种同位素钐-149，是一种强的中子吸收剂，可添加到核反应堆的控制棒。在反应器操作过程中它也形成一个衰变产物，是反应器的设计和操作中的一个重要的考虑因素。

3. 制备氧化钐催化剂：以硝酸钐（Sm（NO₃）₃·6H₂O）或氯化钐（SmCl₃·6H₂O）为原料，溶于去离子水，滴加到沉淀剂氨水的水溶液中，经过陈化、洗涤、干燥和焙烧制得Sm₂O₃-B、Sm₂O₃-C、Sm₂O₃-D、Sm₂O₃-B*、Sm₂O₃-D*或Sm₂O₃-E*的氧化钐催化剂。并用于以一氧化碳和氢气的混和气作为原料的异构合成反应，在氧化钐催化剂存在下、在固定床反应装置中加温加压下进行，获得异构C₄烃产物；其一氧化碳的转化率为3-8%，异构C₄烃的混合气选择性为42~69%，C₄烃占异构C₄烃的混合气的比例为35~77%，异丁烯和异丁烷占异构C烃的比例为44~100%。

主要参考资料

[1] 钐，维基百科

[2] 张杜超，王安，张新望，一种处理钐钴合金的方法，CN 201510393215，申请日2015-07-07

[3] 王晶晶，许涛，马莹，一种钐钴磁性废料的回收利用方法，CN 201310475027，申请日2013-10-12

[4] 贺德华，董国利，师磊，一种氧化钐催化剂的制备及应用，CN 200410062736，申请日2004-07-08