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黄金:一种贵重金属的灿烂未来(上)

发布时间:2015/5/26 15:45:18|浏览次数:

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  (本文主要根据英国《自然》杂志近期的增刊:Gold: A precious metal with a bright future (见Nature 2013, 495, S1-S16)编译整理,来自于该增刊的数据和图表文中不再特别注明)

  一提到黄金,人们往往想到的是恩爱夫妻手上的婚戒、运动员胸前的金光闪耀的金牌,以及银行里沉甸甸的金条。确实,自古以来,黄金就被视为财富和荣耀的象征。然而人们往往没有注意到的是,随着科技的发展,黄金正在许多新的领域为我们的生活服务,这也给黄金这种伴随了人们几千年的贵重金属带来了更为璀璨的未来。

  在介绍黄金的各种新的用途之前,让我们先来简单了解一下黄金的开采与生产的现状,毕竟如果没有足够的资源,再美好的应用前景也只能是空中楼阁。俗话说,物以稀为贵。自古以来,黄金就是一种非常贵重的金属,那么它是不是真的来之不易呢?让我们先来看一下常见的几种金属在地壳中的含量吧:黄金含量是铁的几千万分之一,铜的几万分之一。通常被视为稀有的稀土元素,大部分在地壳中的含量也在黄金的几千乃至上万倍之上,甚至另外一种比较贵重的金属银,它在地壳中的含量也是黄金的数十倍。[1,2]可见,黄金在自然界中的确少得可怜。当然,即便是含量相对较多的矿产资源,如果受到开采、冶炼等方面的限制,同样也可以身价不菲,但技术的进步往往能够显著降低它们的成本。铝就是一个很好的例子,在发明电解法之前,生产纯铝成本极高,以至于铝的价格甚至高于黄金,但是在今天铝已经是一种非常普通的材料。然而黄金在自然界非常低的含量这一特点决定了即便在未来,黄金的产量恐怕也不会大幅上升。在2011年,世界范围内铝的产量是4400万吨,铜的产量是1600万吨,即便是白银的产量也有23800吨,而同一年中的黄金产量仅仅有区区2700吨。看来在未来相当长的时间里,黄金仍然会是一种非常珍贵稀有的资源。图1为我们展示了世界上的主要黄金生产国以及它们的年产量。

图1 世界各国的黄金生产情况

  在过去的几十年里,人们对于黄金不断增长的需求导致了黄金的价格不断攀升(图2)。人们于是不得不想办法寻找新的黄金资源。其中的一个途径就是开采一些在过去被认为条件过于恶劣而不具备开采价值或条件的矿井。例如南非的一处金矿已经位于地下4000米深处。在这样深的地方采矿面临着许多前所未有的难题。例如,地下4000米处的温度高达58 oC,必须靠空调不断降温。另外安全问题也不容忽视。除了寻找新的矿藏,人们还在借助新的冶炼提取技术更好地利用一些过去认为很难提取黄金的矿石。例如,有些矿石虽然黄金含量不低,但是同时含有大量的铜。铜的存在使得矿石中的金很难被有效提取出来,而一些新的技术的应用有望解决这个难题。

图2 近年来伦敦市场黄金价格的变化情况(单位:美元/盎司,1盎司约合28.3克)

  说到黄金的开采和冶炼,无法回避的一个问题就是随之而来的严重环境污染。几乎所有类型的矿产的开发过程中都伴随着环境污染,但金矿开采冶炼的环境污染往往更加让人恐惧,因为在这个过程中经常用到让人闻之色变的一类化合物——氰化物。氰化物是几乎人人皆知的剧毒物质,然而它又是黄金冶炼中不可缺少的帮手,因为黄金的化学性质稳定,很难与其他物质发生化学反应,但氰化物却有着独门绝技:在氧气的存在下,它们能够与矿石里的黄金发生反应,让黄金溶解到到溶液里:

4 Au + 8NaCN +O2 + 2 H2O = 4 Na[Au(CN)2] + 4 NaOH

  之后我们可以通过其他的化学反应把溶解在溶液里的黄金重新变成固体,例如在隔绝氧气的条件下向溶液中加入锌粉,会发生下面这个反应:

2Au(CN)2- + Zn = 2Au + Zn(CN)42-

  通过这一系列化学反应,我们就可以从矿石中提炼出纯金。[3]

  氰化物的使用给黄金生产带来了极大的便利,但同时也给人们的生活带来了很大威胁。历史上金矿造成的环境污染事故并不鲜见,例如在2000年的1月底,罗马尼亚的一家金矿的污水处理池发生溃坝事故,造成含有大约100吨氰化物的十万立方米污水泄漏,大约250万人的饮水受到影响[图3]。

图3 2000年罗马尼亚金矿污染事故造成当地河流中大量鱼类死亡

  事实上,人们一直在努力试图用其他毒性更低的化合物代替氰化物。然而很不幸的是,这些替代物都不能像氰化物一样高效地从矿石中提取黄金,所以在实际生产中必须要显著加大用量,而这又带来了另外一个令人头疼的问题:这些替代物尽管毒性低于氰化物,但并不意味着对环境就没有危害。由于用量的加大,这些氰化物的替代品对环境造成的危害很可能反而更大。正因为如此。在目前氰化物仍然被广泛用于金矿。事实上,许多专家都表示,如果严格遵守相关规范,生产黄金使用的氰化物不会对环境造成威胁。不过尽管如此,开采、提取黄金对环境的威胁仍然值得我们重视。

  日益增长的黄金需求和有限的黄金储量促使许多黄金生产商把目光投向另一个重要的获取黄金的途径:从废弃的电子产品中回收再利用黄金。不要小瞧废弃的电脑、手机等电子产品,它们的“含金量”要比许多金矿还要高。据估算,露天金矿一般每吨矿石只能得到1-5克的纯金,地下金矿含量要高一些,但即便品位好的一般也不过每吨8-10克,[4]而从一吨的废弃电子产品中可以得到二三百克的纯金!正因为如此,从废弃电子产品中回收黄金已经成为了一项很有利润的产业。回收黄金的技术也并不复杂:电子产品先被粉碎,然后被送到温度高达1200多摄氏度的熔炉里。在这里,废旧电子产品中含有的金属熔化并且得到分离,其中主要是铜和金,还有银、铂等其他贵重金属。这些金属可以继续通过一系列物理和化学的方法得到分离。据统计,从2007年到2011年,全世界的黄金生产有37%来自回收再利用。

  不过尽管废旧电子产品的回收技术已经相当成熟,仍然有许多问题需要解决。首先,目前仍然有大量的电子垃圾没有得到有效的回收再利用,而是简单地被送到垃圾填埋场,这不仅造成资源的浪费,也对环境造成很大污染。其次,与金矿开采类似,从废旧电子产品中回收黄金的过程也存在不容忽视的环境污染问题。虽然在西方国家,一些现代化的电子产品回收工厂通过先进的技术不仅能最大限度地回收各种资源,而且能够将回收过程中造成的污染降到最低,但仍有大量的废旧电子产品被送到发展中国家进行回收,而这些回收的过程往往极为落后,例如直接在露天环境下燃烧电子产品的塑料外壳,然后用腐蚀性极强的酸液处理剩下的金属。这些过程会造成很大的环境污染,对从业人员和周围居民的健康造成严重威胁。例如有调查表明,全球最大的电子垃圾处理场——广东汕头的贵屿镇的孕妇早产率、死胎率均高于其他地区。[5]

  说到黄金的生产,我们还不应忽视黄金的一个独特的来源——微生物。近些年来,研究人员发现一些种类的细菌有着独特的“炼金”本领。我们之前提到,黄金的化学性质虽然稳定,在某些特殊条件仍然可以发生化学反应。例如,黄金可以和王水反应,生成能溶于水的三氯化金。三氯化金溶液对大多数生物都有毒性,但某些细菌却能在这种溶液里生存,并且能够将三氯化金还原成黄金固体。还有些细菌甚至能先将存在于自然界中的黄金溶解,再重新沉积出来。虽然利用这些微生物大规模提取黄金可能并不太现实,但在某些方面它们还是能成为我们的好帮手。例如,这些微生物的存在可以帮助我们更好地寻找金矿。另外,对于一些黄金含量比较低的矿石,我们也可以利用这些细菌来把黄金富集出来。


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