銫標準體系現狀

白智輝，莫子璇

（有色金屬技術經濟研究院，北京 100089）

1 銫的背景

銫，元素符號為Cs，原子序數是55，原子量為132.90543，銫金屬是一種軟而輕、熔點很低的金屬，純凈的金屬銫呈金黃色；熔點28.4℃，沸點669.3℃。莫氏硬度只有0.2，是最軟的金屬[1]。

銫是最活潑的堿金屬，甚至與溫度低到-116℃的冰均可發生猛烈反應產生氫氣、最強的堿——氫氧化銫，還可與鹵族元素可以形成穩定的鹵化物。銫的電離電位和電子逸出功最低，具有靈敏的光敏性。銫離我們日常生活有一定距離，其用途主要在一些特殊的領域，銫及其化合物具有的物理和化學特性及其用途有如表1所示[2]。

表1 銫的特性及用途

銫的消費市場不大，全球銫供應基本上都是按訂單生產，即產即銷，因此幾乎沒有庫存，價格沒有大的上下波動，較為平穩。全球銫最大年需求量約為200噸/年～250噸/年，而大部分時間需求量維持在50t左右。日本和美國是全球銫消費的主要國家，中國對銫化合物年消費量在5t左右。

2 銫的標準現狀

我國正在實施的銫標準可以劃分為含銫礦石檢測標準、銫化工產品標準、銫制品標準三個方面。

2.1 含銫礦石檢測標準

銫具有獨立礦物銫榴石，Cs2O含量在5%～32%，或者半生。加拿大的Bernic湖偉晶巖礦是目前發現的最大的銫榴石礦，Cs2O含量達23.3%，擁有120000t銫榴石[3]。全球資源主要在加拿大、津巴布韋和納米比亞，總量占全球90%以上。我國銫資源主要來源于銫榴石、鋰云母、銫硅華。新疆地處古亞洲構造成礦帶，礦藏資源十分豐富，品位居全國之首，含量在18%～24%，產量占全國第三位。而我國銫儲量最大來自于江西宜春的鋰云母中，銫儲量占全國的42.5%。其他銫資源包括湖南堿性花崗巖型鈮鉭伴生銫礦；青海西藏地區的鹽湖鹵水；西藏的熱泉型銫硅華（也稱含銫蛋白石，為含銫的二氧化硅膠體）等[3]。

由于我國銫儲量主要來自于鋰云母，我國在早期就對于鋰云母中氧化銫的分析進行了研究，利用焰原子吸收光譜法能夠準確的測定氧化銫的含量，并在1983年就已經制定了首個含銫礦分析方法的標準GB/T 3885.2—1983。目前現行的含銫礦石檢測標準有GB/T 17413.3—2010《鋰礦石、銣礦石、銫礦石化學分析方法第3部分：銫量的測定》，測試范圍為氧化銫10μg/g～ 1.0×104μg/g和YS/T 509.2—2008《鋰輝石、鋰云母精礦化學分析方法氧化銣、氧化銫量的測定火焰原子吸收光譜法》，測試范圍分別為氧化銫0.10%～1.2%。兩項標準主要針對不同的礦石資源，基本滿足目前國內對于含銫礦石的檢測需求。

2.2 銫化工產品標準

銫及其化合物的制備技術主要有沉淀法、離子交換法、溶劑萃取法等多種工藝，并仍在研究其他有效提取方法[4]。

我國首個銫化工產品標準是在1992年制定的YS/T 40-1992《高純碘化銫》，規范的產品分為4N和5N兩個級別的產品，主要用于X-射線影像增強器、碘化銫單晶、閃爍計數器材料、紅外過濾器材料等。在2011年發布的修訂版本中，增加了Zn、Ni、NO3、IO3、氯化物及溴化物（以Cl-計）等雜質含量指標要求，使得高純碘化鋰的產品質量進一步得到保證，其中5N級產品與國際同類產品標準水平相當。

目前市場上流通的銫鹽大多是碳酸銫，因為碳酸銫易于保存，并且可以作為其他銫鹽生產的原料轉型生產其他銫鹽，屬于中間產品。部分碳酸銫用于生產特種光學玻璃或作為石油催化助劑等。2011年制定了碳酸銫的產品標準，YS/T 756—2011《碳酸銫》將產品分為四個牌號，碳酸銫含量分別不小于99.99%、99.9%、99.5%和99.0%，以滿足多樣的需求。

隨著銫鹽在石油化工、特種玻璃、電子器件、生物化學及醫藥等傳統應用領域中近年來有較大的發展，我國在近五年先后制定發布了YS/T 1080—2015《硫酸銫》、YS/T 1081—2015《硝酸銫》、YS/T 1133—2016《甲酸銫》、YS/T 1243—2018《氟化銫》和YS/T 1310—2019《氯化銫》，使得我國銫化工產品標準較為完善。

全球銫鹽中能夠工業化生產的品種只有甲酸銫，這種產品主要用來做石油完成液，用于深井開采，防止鉆頭溶解。1999年首次在Shearwater油田的高溫/高壓井中應用，以密度為1.80g/cm3的甲酸銫鹽水作射孔液，在溫度高達185℃的井底工作。近十年來，甲酸銫溶液作為打開油層鉆井液、完井液、修井液和懸浮液，已在百余口井中成功使用。其表現為以下優點：在高溫下可保持添加劑的性能；不需添加重晶石，避免了重晶石的沉降問題；對地層的損害較小；對天然氣的溶解度較低，容易發現井涌，能夠及時實施井控措施；節流速度快；當量密度較低、降低了液流的阻力，潤滑性能好，降低了卡鉆的故障率；可被生物降，對環境的影響小。大概一個深井需要用甲酸銫500t，甲酸銫年需求量最多時可達到1000噸/年。YS/T 1133—2016《甲酸銫》規范了國內甲酸銫產品，使其更具市場競爭力。

中國和日本大部分銫鹽用于催化劑，日本在催化劑領域的用量達到了90%。而有機合成催化劑是近年來的主要增長點。根據YS/T 1080—2015《硫酸銫》、YS/T 1081—2015《硝酸銫》、YS/T 1243—2018《氟化銫》和YS/T 1310—2019《氯化銫》生產的產品一部分也出口到日本。其中，硫酸銫用于銫釩催化劑，在環氧乙烷的生產中也用硫酸銫作催化劑；硝酸銫用于石油化工助催化劑，用于甲基丙烯樹脂的生產中；氟化銫則可用于含氟樹脂催化劑、焊接助熔劑；氯化銫可用于醫藥催化劑，也是制取金屬銫的原料。

2.3 銫制品標準

金屬銫可在空氣中燃燒，并遇水爆炸，因此，提取銫必須始終在礦物油和惰性氣體保護下，或在真空中進行操作，提純難度大。主要方法有電解法、熱分解法和金屬熱還原法。YS/T 1245—2018《銫》的發布實施，表面我國在銫提純領域更上一個臺階，該標準主要技術指標達到國際先進水平。

銫可用于制作銫光電管、光電倍增管、原子鐘。現有精確度最高的時間測量標準是銫的微波原子鐘，早在七十年代，準確度就可達到500萬年誤差僅一秒的水平。在高科技領域，美國重點集中銫在磁流體發電、熱離子發電、離子推進技術和離子云通信等領域的應用研究。

3 小結

我國現行有效的銫標準涵蓋了含銫礦石檢測標準、銫化工產品標準、銫制品標準，標準體系建設正處于起步階段，與目前國內行業的發展狀況相匹配，能滿足一部分國內生產、貿易的需求，但目前還缺乏銫化工產品和制品的檢測方法標準。

隨著行業制備水平的提高，銫提取的成本降低，銫在深部鉆井、化工等多個領域的需求將會越來越大。進一步完善銫標準體系，對于新發布的標準及相關技術進步，應加強宣貫推廣，將能夠對行業起到積極推動作用。