云中子的小白
硅单晶原子纳米扫描隧道显微镜影象单个细菌用肉眼是根本看不到的，用显微镜测直径大约是五微米。举个例子来说，假设一根头发的直径是毫米，把它径向平均剖成5万根，每根的厚度大约就是一纳米。也就是说，一纳米大约就是毫米.纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米技术的发展带动了与纳米相关的很多新兴学科。有纳米医学、纳米化学、纳米电子学、纳米材料学、纳米生物学等。全世界的科学家都知道纳米技术对科技发展的重要性，所以世界各国都不惜重金发展纳米技术，力图抢占纳米科技领域的战略高地。我国于1991年召开纳米科技发展战略研讨会，制定了发展战略对策。十多年来，我国纳米材料和纳米结构研究取得了引人注目的成就。目前，我国在纳米材料学领域取得的成就高过世界上任何一个国家，充分证明了我国在纳米技术领域占有举足轻重的地位。纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。 对于固体粉末或纤维，当其有一维尺寸小于100nm，即达到纳米尺寸，即可称为所谓纳米材料，对于理想球状颗粒，当比表面积大于60m2/g时，其直径将小于100nm，即达到纳米尺寸。[编辑本段]纳米技术的含义 所谓纳米技术，是指在纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。 纳米 纳米技术与微电子技术的主要区别是：纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，是利用电子的波动性来工作的；而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其功能，是利用电子的粒子性来工作的。人们研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对整个微观世界的有效控制。 纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米加工学和纳米计量学等6个分支学科。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。 纳米技术（纳米科技nanotechnology） 纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术。 从迄今为止的研究状况看，关于纳米技术分为三种概念。第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术未取得重大进展。 第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即便发展下去，从理论上讲终将会达到限度。这是因为，如果把电路的线幅变小，将使构成电路的绝缘膜的为得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。 第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。 所谓纳米技术，是指在纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。 纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。 纳米科技现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等学科。从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技，人类正越来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平提高到前所未有的高度。我国著名科学家钱学森也曾指出，纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将引起21世纪又一次产业革命。 虽然距离应用阶段还有较长的距离要走，但是由于纳米科技所孕育的极为广阔的应用前景，美国、日本、英国等发达国家都对纳米科技给予高度重视，纷纷制定研究计划，进行相关研究。[编辑本段]纳米电子器件的特点. 以纳米技术制造的电子器件，其性能大大优于传统的电子器件： . 工作速度快，纳米电子器件的工作速度是硅器件的1000倍，因而可使产品性能大幅度提高。功耗低，纳米电子器件的功耗仅为硅器件的1/1000。信息存储量大，在一张不足巴掌大的5英寸光盘上，至少可以存储30个北京图书馆的全部藏书。体积小、重量轻，可使各类电子产品体积和重量大为减小。纳米材料“脾气怪” 纳米金属颗粒易燃易爆 几个纳米技术纳米的金属铜颗粒或金属铝颗粒，一遇到空气就会产生激烈的燃烧，发生爆炸。因此，纳米金属颗粒的粉体可用来做成烈性炸药，做成火箭的固体燃料可产生更大的推力。用纳米金属颗粒粉体做催化剂，可以加快化学反应速率，大大提高化工合成的产出率。 纳米金属块体耐压耐拉 将金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，强度比一般金属高十几倍，又可拉伸几十倍。用来制造飞机、汽车、轮船，重量可减小到原来的十分之一。 纳米陶瓷刚柔并济 用纳米陶瓷颗粒粉末制成的纳米陶瓷具有塑性，为陶瓷业带来了一场革命。将纳米陶瓷应用到发动机上，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。 纳米氧化物材料五颜六色 纳米氧化物颗粒在光的照射下或在电场作用下能迅速改变颜色。用它做士兵防护激光枪的眼镜再好不过了。将纳米氧化物材料做成广告板，在电、光的作用下，会变得更加绚丽多彩。 纳米半导体材料法力无边 纳米半导体材料可以发出各种颜色的光，可以做成小型的激光光源，还可将吸收的太阳光中的光能变成电能。用它制成的太阳能汽车、太阳能住宅有巨大的环保价值。用纳米半导体做成的各种传感器，可以灵敏地检测温度、湿度和大气成分的变化，在监控汽车尾气和保护大气环境上将得到广泛应用。 纳米药物治病救人 把药物与磁性纳米颗粒相结合，服用后，这些纳米药物颗粒可以自由地在血管和人体组织内运动。再在人体外部施加磁场加以导引，使药物集中到患病的组织中，药物治疗的效果会大大提高。还可利用纳米药物颗粒定向阻断毛细血管，“饿”死癌细胞。纳米颗粒还可用于人体的细胞分离，也可以用来携带DNA治疗基因缺陷症。目前已经用磁性纳米颗粒成功地分离了动物的癌细胞和正常细胞，在治疗人的骨髓疾病的临床实验上获得成功，前途不可限量。 纳米卫星将飞向天空 在纳米尺寸的世界中按照人们的意愿，自由地剪裁、构筑材料，这一技术被称为纳米加工技术。纳米加工技术可以使不同材质的材料集成在一起，它既具有芯片的功能，又可探测到电磁波(包括可见光、红外线和紫外线等)信号，同时还能完成电脑的指令，这就是纳米集成器件。将这种集成器件应用在卫星上，可以使卫星的重量、体积大大减小，发射更容易，成本也更便宜。纳米技术走入百姓生活 9月27日，中国科学院化学所的专家宣布研制成功新型纳米材料———超双疏性界面材料。这种材料具有超疏水性及超疏油性，制成纺织品，不用洗涤，不染油污；用于建筑物表面，防雾、防霜，更免去了人工清洗。专家称：纺织、建材、化工、石油、汽车、军事装备、通讯设备等领域，将免不了一场因纳米而引发的“材料革命”。 随着科学家的一次次努力，“纳米”这个几年前对我们还十分生疏的字眼，眼下却频频出现在我们的视线。 纳米是一个长度单位，1纳米等于十亿分之一米，20纳米相当于1根头发丝的三千分之一。90年代起，各国科学家纷纷投入一场“纳米战”：在至100纳米尺度的空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性。 中国当然不甘人后，1993年，中国科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地，并居于国际科技前沿。 1998年，清华大学范守善小组在国际上首次把氮化镓制成一维纳米晶体。同年，我国科学家成功制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为：“稻草变黄金———从四氯化碳制成金刚石。” 1999年，北京大学教授薛增泉领导的研究组在世界上首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面，并组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。 中科院成会明博士领导的研究组合成出高质量的碳纳米材料，被认定为迄今为止“储氢纳米碳管研究”领域最令人信服的结果。 中科院物理所研究员解思深领导的研究组研制出世界上最细的碳纳米管———直径纳米，已十分接近碳纳米管的理论极限值纳米。这个研究小组，还成功地合成出世界上最长的碳纳米管，创造了“3毫米的世界之最”。 在主题为“纳米”的争夺战中，中国人频频露脸，尤其在碳纳米管合成以及高密度信息存储等领域，中国实力不容小觑。 科学界的努力，使“纳米”不再是冷冰冰的科学词语，它走出实验室，渗透到中国百姓的衣、食、住、行中。 居室环境日益讲究环保。传统的涂料耐洗刷性差，时间不长，墙壁就会变得斑驳陆离。现在有了加入纳米技术的新型油漆，不但耐洗刷性提高了十多倍，而且有机挥发物极低，无毒无害无异味，有效解决了建筑物密封性增强所带来的有害气体不能尽快排出的问题。 人体长期受电磁波、紫外线照射，会导致各种发病率增多或影响正常生育。现在，加入纳米技术的高效防辐射服装———高科技电脑工作装和孕妇装问世了。科技人员将纳米大小的抗辐射物质掺入到纤维中，制成了可阻隔95%以上紫外线或电磁波辐射的“纳米服装”，而且不挥发、不溶水，持久保持防辐射能力。 同样，化纤布料制成的衣服因摩擦容易产生静电，在生产时加入少量的金属纳米微粒，就可以摆脱烦人的静电现象。 白色污染也遭遇到“纳米”的有力挑战。科学家将可降解的淀粉和不可降解的塑料通过特殊研制的设备粉碎至“纳米级”后，进行物理结合。用这种新型原料，可生产出100%降解的农用地膜、一次性餐具、各种包装袋等类似产品。农用地膜经4至5年的大田实验表明：70到90天内，淀粉完全降解为水和二氧化碳，塑料则变成对土壤和空气无害的细小颗粒，并在17个月内同样完全降解为水和二氧化碳。专家评价说，这是彻底解决白色污染的实质性突破。 从电视广播、书刊报章、互联网络，我们一点点认识了“纳米”，“纳米”也悄悄改变着我们。纳米精确新闻 1959年 理论物理学家理查·费伊曼在加州理工学院发表演讲，提出，组装原子或分子是可能的。 1981年 科学家发明研究纳米的重要工具———扫描隧道显微镜，原子、分子世界从此可见。 1990年 首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办，纳米技术形式诞生。 1991年 碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是铁的10倍，成为纳米技术研究的热点。 1993年 继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、1999年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“中国”二字。 1997年 美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，这种技术可用于研制速度和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。同年，美国纽约大学科学发现，DNA可用于建造纳米层次上的机械装置。 1999年 巴西和美国科学家在进行碳纳米管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的“秤”，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。同年，美国科学家在单个分子上实现有机开关，证实在分子水平上可以发展电子和计算装置。 纳米花边新闻 倾听细菌游弋 美国加利福尼亚州Pasadena市的喷气飞机推进器实验室目前正在研制一种被称为“纳米麦克风”的微型扩音器，据《商业周刊》报道，这种微型传感器可以使科学家倾听到正在游弋的单个细菌的声音，以及细胞体液流动的声音。这种人造纳米麦克风由细微的碳管制成，正是因为构成物体积细小和灵敏度极高，这种麦克风才能够在受到非常小的压力作用下作出反应，使得对其进行监测的研究人员获得相关的声音信息。 利用这种新产品，科学家将可以对其他星球上是否存在生命进行探测，可以探测到生物体内单个细胞的生长发育。这一仪器研制项目已获得美国航空航天局（NASA）的批准，而且NASA还向上述实验室提供了必要的技术支持。[编辑本段]“纳米水”防强暴. 据《人民日报》报道，最近，广州一家公司宣称生产出一种用麦饭石和纳米特殊材料制作而成的“纳米珠”，只要把它放在水里，多脏的水也能喝。长期饮用“纳米水”，可抗疲劳，耐缺氧，甚至“增强女士防匪徒强暴的能力”。据了解，每盒纳米珠要300元，买齐整套设备（一台饮水机、一桶水和十盒纳米珠）则需3800元。76岁的何姓老人在推销员的百般说服下，不但相信纳米水的神奇疗效，还看中了纳米水的销售方式。老人背着家里人一共拿出22万元，买下75套纳米水机套装产品，然后等着每月2万元钱的分红。 广州市工商局东山分局经济检察中队在4月3日查处了该公司，其准备创造科技神话的纳米水根本没有科技鉴定说明，该公司的纳米水套装产品既无生产许可证，也没有产品合格证。光也能“吹动”物体 纳米世界，光也能“吹动”物体。当光照射在物体上，也会对物体产生作用力，就像风吹动帆一样。从儒勒·凡尔纳到阿瑟·C·克拉克，科幻作家们不止一次幻想过运用太阳光的作用力来推动“太阳帆”，驱动飞船在星际中航行。然而，在地球上，太阳光的作用力实在微乎其微，没有人能用阳光来移动一个物体。但是，在11月27日的《自然》杂志上，在美国耶鲁大学从事研究的中国学者发表文章，首次证实在纳米世界里，光真的可以驱动“机器”——由半导体做成的纳米机械。 这项研究，结合了相关图书两个最前沿的纳米科学领域，即纳米光子学和纳米力学。“在宏观尺度上，光的力实在太微弱，没有人能感觉到。但是在纳米尺度上，我们发现光具有相当可观的力，足以用来驱动像集成电路上的三极管一样大小的半导体机械装置。”领导此项研究的耶鲁大学电子工程系教授唐红星这样介绍。其实，此前光的力已经被物理学家和生物学家应用于一种叫做“光镊”的技术中，用来操控原子和微小的颗粒。“我们的研究则是把光集成在一块小小的芯片上，使它的强度增加数百万倍，从而用来操控纳米半导体器件。”这篇论文的第一作者、博士后研究员李墨进一步阐释说。 在耶鲁大学的实验室里，两位科学家和来自北京大学的研究生熊驰及合作者们一起，使用最先进的半导体制造技术，在硅芯片上铺设出一条条光的线路，称之为“光导”。当激光器发出的光被接入这样的芯片后，光就可以像电流在导线里一样，沿着铺好的光导线路“流”动。理论预测，在这样的结构中，光会对引导它的导线产生作用力。为了证实这样的预测，他们把一小段只有10微米长的光导悬空，让它可以像吉他弦般产生振动。如果光确实产生力并作用在它上面，那么当光的强度被调制到和光导的振动一致的频率时，共振就会产生。这样的共振就会在透射的光中产生同样频率的一个峰。这正是3位中国科学家经过半年多的实验和计算，最终在他们的测量仪器上看到的令人信服的现象。之后，他们通过大量实验证明，这个作用力的大小和理论预期非常一致。因为光的速度比电流要快得多，所以这种光产生的力预期可以以几十吉赫兹(GHz)的速度驱动纳米机械。 此项研究成果有望引领出新一代半导体芯片技术——用光来取代电。未来运用这种新技术，科学家和工程师们可以实现基于光学和量子原理的高速高效的计算和通信。[编辑本段]纳米探针在药物筛选中首获应用 英国伦敦纳米技术中心的研究人员研制出一种新型纳米探针，利用该纳米探针可以检测出某种抗生素药物是否能够与细菌结合，从而减弱或破坏细菌对人体的破坏能力，达到治疗疾病的目的。这是科学家第一次将纳米探针运用于药物筛选，相关试验的初步结果已经刊登在最新一期的《自然?纳米技术》杂志上。 人们在用抗生素治病的过程中，引起疾病的细菌很容易产生抗药性，从而使得抗生素失去药效。抗生素的作用原理是与致病细菌的细胞壁结合后破坏细胞壁的结构，使得致病细菌死亡，一旦产生抗药性，细菌的细胞壁结构发生改变，细胞壁变厚，抗生素无法与细胞壁结合。 研究人员在一排纳米探针上覆盖组成细菌细胞壁的蛋白质，一旦抗生素与细胞壁结合，探针的表面重量就会增加，这一表面压力会导致纳米探针发生弯曲。通过对万古霉素药物的研究发现，抗药性细菌的细胞壁硬度是非抗药性细菌的1000倍。所以通过纳米探针探测出各种药物对细菌细胞壁的结构改变，筛选出对致病细菌破坏力最大的抗生素。纳米探针的运动轨迹 纳米金属用途简介 钴（Co） 高密度磁记录材料。利用纳米钴粉记录密度高、矫顽力高（可达）、信噪比高和抗氧化性好等优点，可大幅度改善磁带和大容量软硬磁盘的性能。 磁流体。用铁、钴、镍及其合金粉末生产的磁流体性能优异，可广泛应用于密封减震、医疗器械、声音调节、光显示等。 吸波材料。金属纳米粉体对电磁波有特殊的吸收作用。铁、钴、氧化锌粉末及碳包金属粉末可作为军事用高性能毫米波隐形材料、可见光——红外线隐形材料和结构式隐形材料，以及手机辐射屏蔽材料。 铜（Cu） 金属和非金属的表面导电涂层处理。纳米铝、铜、镍粉体有高活化表面，在无氧条件下可以在低于粉体熔点的温度实施涂层。此技术可应用于微电子器件的生产。 高效催化剂。铜及其合金纳米粉体用作催化剂，效率高、选择性强，可用于二氧化碳和氢合成甲醇等反应过程中的催化剂。 导电浆料。用纳米铜粉替代贵金属粉末制备性能优越的电子浆料，可大大降低成本。此技术可促进微电子工艺的进一步优化。 铁（Fe） 高性能磁记录材料。利用纳米铁粉的矫顽力高、饱和磁化强度大（可达1477km2/kg）、信噪比高和抗氧化性好等优点，可大幅度改善磁带和大容量软硬磁盘的性能。 磁流体。用铁、钴、镍及其合金粉末生产的磁流体性能优异，可广泛应用于密封减震、医疗器械、声音调节、光显示等领域。 吸波材料。金属纳米粉体对电磁波有特殊的吸收作用。铁、钴、氧化锌粉末及碳包金属粉末可作为军事用高性能毫米波隐形材料、可见光——红外线隐形材料和结构式隐形材料，以及手机辐射屏蔽材料。 导磁浆料。利用纳米铁粉的高饱和磁化强度和高磁导率的特性，可制成导磁浆料，用于精细磁头的粘结结构等。 纳米导向剂。一些纳米颗粒具有磁性，以其为载体制成导向剂，可使药物在外磁场的作用下聚集于体内的局部，从而对病理位置进行高浓度的药物治疗，特别适于癌症、结核等有固定病灶的疾病。 镍（Ni） 磁流体。用铁、钴、镍及其合金粉末生产的磁流体性能优异，广泛应用于密封减震、医疗器械、声音调节、光显示等。 高效催化剂。由于比表面巨大和高活性，纳米镍粉具有极强的催化效果，可用于有机物氢化反应、汽车尾气处理等。 高效助燃剂。将纳米镍粉添加到火箭的固体燃料推进剂中可大幅度提高燃料的燃烧热、燃烧效率，改善燃烧的稳定性。 导电浆料。电子浆料广泛应用于微电子工业中的布线、封装、连接等，对微电子器件的小型化起着重要作用。用镍、铜、铝纳米粉体制成的电子浆料性能优越，有利于线路进一步微细化。 高性能电极材料。用纳米镍粉辅加适当工艺，能制造出具有巨大表面积的电极，可大幅度提高放电效率。 活化烧结添加剂。纳米粉末由于表面积和表面原子所占比例都很大，所以具有高的能量状态，在较低温度下便有强的烧结能力，是一种有效的烧结添加剂，可大幅度降低粉末冶金产品和高温陶瓷产品的烧结温度。 金属和非金属的表面导电涂层处理。由于纳米铝、铜、镍有高活化表面，在无氧条件下可以在低于粉体熔点的温度实施涂层。此技术可应用于微电子器件的生产。 锌（Zn） 高效催化剂。锌及其合金纳米粉体用作催化剂，效率高、选择性强，可用于二氧化碳和氢合成甲醇等反应过程中的催化剂。
，一叶一菩提
何高文陈圣源
摘要富钴结壳的形成是“物理化学成矿”的结果。在海水中存在一个最低含氧带（OMZ），在此带内，来自内源、外源和水成等多种来源的Fe、Mn等成矿元素含量丰富。在OMZ下方，由于氧化作用，Fe、Mn首先形成水合氧化物胶体，同时Pt也可能在此时从海水中分离出来；在FeMn氧化物沉淀过程中，由于表面吸附作用，具有合适表面电荷的Co2＋、Ni2＋等离子，被吸附到胶体颗粒表面，逐步富集成矿；在微生物和上升海流的作用下，磷酸盐组分加入到结壳中，形成夹层。因此，富钴结壳是多组分分阶段物理化学成矿的产物。
关键词富钴结壳物理化学成矿多组分多阶段
富钴结壳是继多金属结核矿产之后，又一重要的海底矿产资源，由于其富含Co、Mn、Cu、Ni、Pt、稀土元素等有用金属，资源量大，具有极高的经济价值，20世纪80年代以来，引起了世界各发达国家的极大关注，富钴结壳调查研究蓬勃兴起。“九五”后期，在中国大洋协会的组织下，适时地开展了富钴结壳的前期调查，缩短了与其他海洋先进国家在这一领域的差距，争取了主动。尽管如此，由于我们对富钴结壳的调查还处于起步阶段，对结壳的成矿机制、分布规律等的认识还有待深入。本文在分析现有资料的基础上，对结壳的成矿机制进行了初步研究，认为富钴结壳是多组分分阶段物理化学成矿的产物。
1成矿物质来源
结壳的主要金属组分有Mn、Fe、Co、Ni、Cu等，其中Mn、Fe为主量元素。结壳成矿物质可分为外源、内源、水成等三种来源。
外源主要与外力作用有关，包括太阳引力、重力、地球自转、生物活动、陆源物质搬运等。内源主要以内力有关，包括构造、岩浆和热液作用等。水成来源与大洋水层结构、水化学和水动力有关，包括水化学结构、碳酸盐系统和含氧量及其垂直分带、水动力学特征、大洋生物生产力、海底岩石海解作用等。
Mn、Fe元素的来源主要有两种，一是大陆来源（外源），即来源于大陆的Mn、Fe通过“跳跃式阶段搬运”，到达远洋，参与结壳成矿。所谓“跳跃式阶段搬运”，是指Mn、Fe在大陆边缘沉淀后，随着沉积物加厚和有机物分解，在表层之下形成缺氧还原环境，Mn、Fe被还原成低价状态，即被活化并通过间隙水向上扩散，重新加入海水，由于海流的作用，向远洋方向运移，在运移过程中受氧化后可再次沉淀，而被埋藏后又可再度被活化和搬运，如此不断地经过氧化沉淀—还原活化—再氧化沉淀—再还原活化……，逐步搬运到远洋。另一种是海底来源（内源），即来源于海底基岩蚀变、海底热液活动、海底火山作用等，是原地提供的成矿物质，这种来源的Mn、Fe对结壳的形成具有重要意义，它是结壳成矿的主要物质来源，这一点可以从结壳主要产于火山成因的平顶海山基岩上得到证明。另外，生物作用也可提供大量成矿物质。
Cu、Co、Ni等其他微量元素组分的来源，也有外源、内源、水成三种，其中以内源（海底火山作用）为主，玄武质岩石的海解蚀变也可提供少量来源。这些微量组分很容易被Mn、Fe氢氧化物从海水中吸附或“清扫”出来，从而加入结壳成矿。结壳中P的形成，主要是生物作用的结果。
2成矿环境
区域成矿背景
从调查资料来看，结壳产于火山成因的海山，火山构造及与其相关的板内热点是结壳成矿的构造背景，火山活动为结壳成矿提供了丰富的成矿物质来源。
在西太平洋地区存在一次板内广泛发育的白垩纪火山活动区域性事件，其中在马斯特里赫特期形成了马绍尔海山和麦哲伦海山的主体。火山活动为结壳成矿提供重要的物源，一方面，火山作用本身可以产生大量含矿热液进入海水，另一方面，火山作用的产物——火山岩及火山沉积岩（以玄武岩、玄武质角砾熔岩、凝灰岩为主），经海底蚀变、海水淋滤作用，成矿组分被活化进入海水。因此，这些火山成因的海山，为结壳成矿创造了物质条件，是结壳形成的大前提。
此外，生物作用也可以带来一定的成矿物质。在近赤道带附近区域，由于生物生产力较高，为结壳成矿提供了一部分物质来源。
局部成矿环境
局部成矿环境主要是指海山地形、海洋物理化学、海山岩石（基岩）等与结壳成矿相关的外部条件。
海山是结壳的赋存场所，结壳一般分布于水深1600～3000m的海山斜坡岩石表面，在海山平顶内部，一般不产结壳。海上调查及有关研究表明，结壳的成矿与海水最低含氧带、岩石物理特性、海流活动等有关，大部分结壳产于最低含氧带下方的玄武岩硬质粗糙岩石表面，这些部位具有丰富的成矿物质、适宜的酸碱度、较强的海流活动和合适的附着界面等有利成矿的条件。
所以，结壳成矿的局部环境包括：①发育稳定的浅水最低含氧带，②水深在1600～3000m范围的海山斜坡（坡度＜20°），③具有粗糙表面的基底岩石（玄武岩等），④存在海流活动，沉积速率低。
3成矿机制探讨
富钴结壳的成矿机制有多种见解，主流观点是化学成矿说（），另外还有生物成矿说等。
我们认为，富钴结壳的成矿主要是物理化学作用的结果，细菌等微生物可能参与了成矿，这与沉积物表层的多金属结核成矿有所不同。X射线衍射、透射电镜、红外光谱和穆斯堡尔谱等分析结果表明，结壳主要由锰相矿物（水羟锰矿为主，少量钙锰矿）和铁相矿物（针铁矿和纤铁矿）组成，含少量粘土矿物、石英等次要矿物，铁相矿物结晶程度很低。
结壳的形成
结壳的锰相矿物中水羟锰矿占主导地位，仅见少量钙锰矿，说明结壳成矿是水成富集过程。水成成因的水羟锰矿，主要成分为δ－MnO2，为低结晶程度的锰矿物，多与针铁矿（FeOOH·nH2O）和铝硅酸盐矿物密切共生。水成富集过程中，Fe主要来源于海水中钙质浮游生物骨骼溶解后形成的Fe氢氧化物胶体粒子（Halbach ＆ Puteanus,1984），而Mn的来源则主要与海水中的最低含氧带（Oxygen Minimum Zone）有关，西太平洋麦哲伦海山区最低含氧带的水深范围约为500～1250m。在最低含氧带内，溶解Mn2＋浓度最高（在中太平洋，1980年所测结果为2nmol/kg，据Klinkhammer ＆ Bender），同时，在此带内，有机质分解，MnO2被还原。由于这个Mn2＋浓度富集带的存在，形成了一个向水深更深处的扩散通量，随着水深增大，溶解氧含量也逐渐升高，导致氧化作用的发生，从而形成水合MnO。颗粒。
另一方面，在最低含氧带内，也存在溶解状态的Fe2＋（Gordon等，1982），由于其溶解度小于Mn2＋，故其分布的深度范围不如Mn2＋大。与Mn相比，Fe（Ⅱ）氧化为Fe（Ⅲ）所要求的氧化电位较低，所以，在岩石表面，铁的氢氧化物首先沉淀，并为锰的随后沉淀提供初始活性表面。这种表面，对所吸附的Mn（Ⅱ）氧化为MnO2具有促进作用。Goldberg（1961）的实验研究表明，Mn（Ⅱ）的吸附和表面氧化率明显取决于pH值，且当溶液的pH>8时，显著增大。胶体MnO2组分表面负电荷和Fe组分的表面弱正电荷促进了Mn-Fe氧化物水合物混合胶体颗粒的形成。
正因为在最低含氧带的下方存在大量Mn、Fe的胶体颗粒，所以，在此深度范围内的海山岩石表面，易形成Mn-Fe结壳。
尽管Fe3＋与Mn4＋具有相似的离子势，对氧均有很强的亲合力，在地球化学上存在一定的联系，但是，低温条件下形成的Fe-Mn氧化物矿物并不常见，由结壳成分的相关分析可知，Fe与Mn也无明显相关，这说明Fe、Mn之间仅有很小的化学亲合力，Fe3＋与Mn4＋的氧化态彼此阻止对方形成化学计量的氧化物组分。在水成结壳中，Mn、Fe组分共生的现象，可以归因于悬浮在海水中的胶体相的表面能和表面电荷的差异。
结壳中Fe与Mn不具明显相关还表明，Fe具有二重化学行为，一部分Fe与Mn一起形成水合铁锰氧化物相，另一部分则加入到自生硅酸盐相中，这可以从结壳光片的电子探针分析结果看出，结壳中的Si、Al微层含有Fe，但未测到Mn。这种自生硅酸盐相在核心物质或基岩表面常与胶体铁锰氧化物相伴产出。
有用金属组分的加入
我们知道，结壳中除含主要成分Mn、Fe外，还有Co、Ni、Cu、Pt等重要的有用金属组分。这些组分主要靠吸附作用、界面氧化（还原）反应等进入结壳中。
从结壳成分的相关分析结果可知，Mn与Co、Ni呈显著正相关，由此可推测δ－MnO2是Mn的主要载体，对Co、Ni的富集起控制作用。MnO2的水合物胶体颗粒具有很大的比表面和“清扫”溶解态金属阳离子的合适的表面电荷，尤其是对于Co2＋、Ni2＋离子，具有很强的吸附作用。
在标准状态下，某种组分的吸附自由能变化（△G°吸附）等于静电能变化（△G°库仑）、二次溶剂化能变化（△G°熔剂）、比吸附能贡献（△G°化学）之和（James ＆ Healy,1972），即：
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利用吸附自由能可以进一步计算出表面超量（Г），即单位表面积的吸附量（mol/m2），溶液中浓度为ci的某组分i，根据Grahame方程，其表面超量为：
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式中，r为水合阳离子半径，R为气体常数，T为绝对温度。
由上式可看出，吸附量与溶液中该组分的浓度呈协变的关系。
Co2＋在水合MnO2表面吸附的模式可以表示为：
MnOH＋Co2＋→MnOCo＋＋H＋
Co2＋的吸附置换出质子。
另外，在氧化物—水界面存在一个强界面电场（介电常数ε＜＜78），有助于Co2＋向CO3＋氧化作用的发生，其可能的反应式为：
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Ni2＋、Pb2＋也存在类似的反应。
在结壳中，Co的含量要高于Ni，这可能是水合MnO2胶体对Co具有表面专性吸附的缘故。
结壳中Pt的质量分数很高，一般为（～）×10-6，平均为×10-6（Halbach,1986），是海水浓度的×107倍，是地壳克拉克值的200倍。Pt在海水中是以稳定态的四氯络合物的形式（PtCl42-存在，我们知道，MnO2的沉淀是由最低含氧带内提供的Mn2＋发生氧化作用引起的，而海水中Pt要沉淀，则必须要使络合物发生分解，也即Pt2＋还原为Pt0。但若Pt2＋氧化为Pt4＋，则将形成更稳定的六氯络合物（Pt（Ⅳ）Cl6）t2-，不会发生Pt沉淀。Halbach等（1984）发现，在产于1100～1300m水深范围的富锰结壳的老世代中，Pt往往明显富集。由此推断，Pt与Mn可能同时沉淀，在最低含氧带条件下，存在以下氧化还原反应：
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在这个反应过程中，由于电子的转移，导致Pt与水合MnO2共同沉淀。
磷酸盐组分
在很多结壳中含有大量的磷酸盐组分，这些组分主要以夹层的形式存在于新老世代的结壳之间。
一般而言，磷酸盐沉积的形成与强烈上升流密切相关，上升流将大洋深部的营养成分带到表层，促进生物的生长，形成有机质的高生产力区。磷是典型的生物元素或营养元素，它在表层水中被生物消耗，加入有机组织，生物死亡后，随着生物碎屑下沉，在深层水中受分解而重新进入海水，未分解部分则加入海底沉积物。
研究表明，海洋生物软组织中，C、N、P的存在形式为（CH2O）106（NH3）16H3PO3。在深层水中，由于受 的细菌还原作用，磷酸根离子从有机质中被分离出来，反应式为：
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在上升海流的作用下， 被带至上层水中，与海水中的Ca2＋反应，形成磷酸盐矿物。
在结壳的新老世代之间，可能存在海流的强烈上升时期，在此期间，形成大量的磷酸盐组分，
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而铁、锰、钴等金属组分的形成受到抑制。
4结论
综上所述，我们认为，富钴结壳的形成是“物理化学成矿”的结果（图1）。在最低含氧带（OMZ）下方，Fe、Mn首先形成水合氧化物胶体，同时Pt也可能在此时从海水中分离出来；在Fe-Mn氧化物沉淀过程中，由于表面吸附作用，具有合适表面电荷的Co2＋、Ni2＋等离子，被吸附到胶体颗粒表面，逐步富集成矿；在微生物和上升海流的作用下，磷酸盐组分加入到结壳中。因此，富钴结壳是多组分分阶段物理化学成矿的产物。
图1富钴结壳成矿模式示意图
sketch showing the metallogenic model of cobalt-rich crusts
参考文献
controlling the heavy metal distribution in Pacific ferromanganese nodules and crus Rundschau,75/1:235～247
P,Puteanus influence of the carbonate dissolution rate on thegrowth and composition of Co-rich ferromanganese crusts from Central Pacific seamount areas,Earth and Planetary Science Letters,68:73～87.
I M等.李日辉译.东大西洋克雷洛夫海山Mn-Fe氢氧化合物结壳的矿物学、地球化学及成因.海洋地质情报文集，第1期（总16）：29～45.
4.赵其渊等.1989.海洋地球化学.北京：地质出版社.
TRIAL DISCUSSION ON THE METALLOGENIC MECHANISM OF COBALT-RICH CRUST
He GaowenChen Shengyuan
（Guangzhou Marine Geological Survey,510760）
Abstract
Cobalt-rich crust is formed by physicochemical metallogenesis with multi-componentsand the Oxygen Minimum Zone（OMZ）of sea water,there exists abundant metallogenic elements,such as Fe,Mn,from endogenic,exogenic and hydrogenic resources. Beneath the OMZ,because of oxidation,Fe and Mn form hydrous oxide colloidal at first,probably,Pt coprecipitates with the precipitation of Fe-Mn oxide,due to the absorption,Co2＋and Ni2＋that have suitable surface charge are absorbed and enriched on the surface of colloidal of the effort of microbe and upward ocean current,the phosphate is taken into the crust forming the interlayer.
Key words:Cobalt-rich crust,Physicochemical metallogenesis,Multi-components and multi-stages
注释
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镍冶金渣资源化利用现状分析论文
摘要：镍冶金渣作为重要的二次资源，含有铁、镍、铜等有价金属。随着镍需求量的增大，排放的镍渣也越来越多，若不能得到合理利用，既造成资源浪费，又污染环境。本文对镍冶金渣资源化利用现状进行分析，并讨论了进一步资源化的方向。
关键词：镍冶金渣；资源化；有价金属；建筑材料
随着我国对有色金属需求量增大，每年有色冶金渣的数量不断增长，这些冶炼弃渣由于未得到合理利用，不仅占用大量的土地资源，同时对环境有着潜在的威胁，从而不利于可持续发展，因此有色冶金渣的资源化利用就有着十分重要的意义。中国是世界上镍资源消费最大的国家，每生产1t镍约排除6~16t渣，仅金川集团的镍冶金渣堆存量多达4000万t，每年还新增约200万t[1-3]。镍渣的组成因其矿石种类和冶炼工艺不同而变化较大。以金川镍闪速炉渣的物相组成为例，主要由铁氧化物、硅氧化物、钙和镁的氧化物组成，渣中含有约40%的铁元素，还含有一定数量的有色金属元素镍、铜、钴；铁主要以铁橄榄石形式存在，橄榄石间充填的非晶态玻璃质并且机械夹杂着大颗粒镍硫[4]。镍渣的处理已经成为镍冶炼过程的重要工序，如何正确有效的回收再利用这些二次资源，使得镍冶炼过程顺畅，解决排渣占地和环境污染等问题，成为镍冶金发展循环经济的主要问题。本文对目前镍渣资源化利用进行综述，再利用的主要研究包括：有价金属的提取，用作填充材料，制作微晶玻璃，生产建材等[5-7]。
1、镍渣资源化利用现状
有价金属提取
倪文[8]等利用以焦炭为还原剂的熔融还原法提取闪速炉水淬镍渣中的有价铁，探讨了不同碱度，不同还原温度，不同还原时间对提铁率的影响。结果表明控制100g渣配加、和焦炭，熔融温度为1500℃，还原时间为180min，铁的还原率达。王爽[9]等将镍渣、氧化钙和焦粉制备成含碳球团进行深度还原回收有价金属铁、镍和铜，结果表明碱度对有价金属的回收率有影响，适当提高碱度可以促进金属相生长，改变形态结构有利于后续分离，碱度过高会使金属相中产生杂质，当碱度确定为时，铁、铜、镍的回收率分别为、、；镍渣中的铁经深度还原后以金属铁的形式存在，镍和铜主要与铁以固溶体形式存在。卢雪峰[10]等利用自制小型直流电弧炉对镍渣进行硅钙合金回收，以焦炭和为还原剂，控制镍渣、生石灰及还原剂的比例，可以获得相应的的硅钙合金。肖景波[11]等对镍渣进行铁、镍、镁回收，实验过程将镍渣破碎后的粉末进行酸浸，向酸浸液中加入氧化剂与pH控制剂生成铁沉淀物，分离后与硫酸作用生成硫酸铁溶液，精制后采用氧化沉淀法获得高纯铁沉淀物；沉铁溶液加入硫化物生成硫化镍沉淀，经分离、洗涤、干燥制得镍精矿；提镍溶液加入助剂LN除杂，得到精制硫酸镁溶液与氨水反应制得氢氧化镁产品。
生产充填材料
镍渣被用于井下填充材料技术相对成熟，既解决了镍渣的资源化问题，又可以降低填充成本，减少水泥的消耗，降低水泥生产过程中环境污染。目前水淬渣用作充填材料关键在于对活性渣进行激发，激发方式分为机械激发和化学激发。传统的机械激发采用普通机械球磨进行物理细化，高能球磨可以使矿渣迅速细化，增加比表面积，增大水化反应面提高物料的物理化学活性。镍渣经过高能球磨处理后，抗压强度会显著提高。化学激发利用激发剂与矿渣的化学反应生成具有水硬胶凝性能的物质来提高矿渣的活性，激发剂多采用硫酸盐类、碳酸盐类等。杨志强[12]等采用机械活化和化学活化两种方式进行实验研究。
结果表明，机械活化镍渣、脱硫石膏、电石渣、水泥熟料的最佳比表面积分别为620，200，200，300m2/kg，化学活化以脱硫石膏和电石渣为主，硫酸钠和水泥熟料为辅，前两者比例相同各占总量5%时，镍渣充填体强度最高；加入3%的硫酸钠和2%的水泥熟料可以提高激发效果；外加的PC高效减水剂，配置胶砂比为1∶4，料浆浓度为79%的充填浆料完全满足矿山对充填体的强度要求，可以替代水泥应用于金川矿山交接充填采矿。高术杰[13]等利用水淬二次镍渣制备矿山充填材料，利用脱硫石膏和电石渣等物质激发生成大量水化产物，产生较高充填强度。并且水淬镍渣充填料的'流动度好于水泥充填料的流动度。结果表明，脱硫膏与电石渣比为1∶1混合再与少量硫酸钠及水泥熟料配置复合激发剂，具有较好地激发效果。
制作高附加值玻璃
微晶玻璃和泡沫玻璃均数高附加值玻璃，微晶玻璃具有玻璃和陶瓷的双重特性，比陶瓷亮度高，比玻璃韧性强。泡沫玻璃具有不燃烧、不变形、热学性能稳定、力学强度较高且易加工的优点。王亚利[14]等对镍渣熔融炼铁剩余熔渣制备微晶玻璃进行了研究。提铁二次渣经过均化→澄清→浇注→晶化→退火→研磨→抛光制备出符合建筑装饰国家标准的微晶玻璃，确定了最优原料比。冯桢哲[15]等以镍渣和废玻璃为主要原料，添加碳酸钠作为发泡剂，烧制出泡沫玻璃。探讨了碳酸钠添加量、发泡温度、保温时间对泡沫玻璃质量的影响，结果表明，主要原料镍渣和废玻璃分别为20%和80%，外加5%~7%的碳酸钠发泡剂、2%的硼酸为稳泡剂和2%的硼砂为助溶剂，在870℃下恒温1h，可以制备出总气孔率为，抗折强度高达的镍渣基泡沫玻璃。
生产建材
镍渣的主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3，利用镍渣生产硅酸盐水泥可以部分替代黏土和铁粉，减少能源消耗。镍渣中存在的少量镍、铜、钴等元素对降低熟料的液相最低共熔点和黏度有积极的作用，可以改善其易烧性，有利于熟料矿物的形成。吴阳[16]等用镍渣替代铁粉制备道路硅酸盐水泥，通过合理配料制备出以C3S，C2S和C4AF为主要矿物的道路硅酸盐水泥熟料，其强度、矿物组成、安全性等性能符合国标要求；最佳条件为镍渣掺杂量（质量分数）10%，煅烧温度1370℃。王顺祥[17]等探讨了镍渣不同细度和不同掺杂量对硅酸盐水泥水化特性的影响。结果表明，随着镍渣的掺量增加，使得水泥浆体凝结时间延长，水化反应放热减少，硬化水泥砂浆的抗压强度、抗折强度讲师；相反，随着镍渣细度的提高可以改善上述影响，并且有利于硬化水泥浆体的结构致密化。镍渣作为混凝土掺合料和集料使用，能够提高混凝土的强度，并且镍渣结构致密且金属含量较高，含有大量的橄榄石，使得镍渣硬度高，从而使掺入镍渣后的混凝土耐磨度提高。李浩[18]等研究了镍渣砂掺量对混凝土耐磨性的影响，当镍渣粉、粉煤灰、镍渣砂同时掺入混凝土中，掺量分别为10%、10%、40%时，混凝土的耐磨性最好。丁天庭[19]等基于镍渣的掺量对混凝土的抗压强度影响进行研究，当镍渣掺量为20%时，混凝土的抗压强度最大，当镍渣掺量为50%时，混凝土的抗压强度最小。
2、发展趋势
资源利用率低，资源紧缺，产业结构不合理成为制约我国经济社会发展的战略问题。结合我国目前矿产资源现状来看，镍渣中含有的主体金属是铁，应该以提铁为主进行资源化利用，不但可以缓解我国铁矿石资源压力，而且有利于可持续发展，又可增加企业效益。提铁后的二次渣还可以用来制备微晶玻璃，充填材料等建筑材料，镍渣资源得到充分利用。
3、结语
镍渣作为重要的二次资源，含有铁、镍、钴、铜等有价元素，单纯提取有价金属经济性有限，并且存在二次渣的废弃问题；单纯做非金属资源处理造成对有价金属元素的浪费；因此，将有价金属提取后的二次渣进行非金属资源处理更有利于达到镍渣的高效化和生态化利用。
参考文献
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