浅谈煤中元素的研究方向及意义

【摘要】煤是一种复杂的化合物，由于成煤物质和成煤环境的不同，组成煤的元素的种类和含量则不尽相同。在煤炭资源开发利用过程中潜在有害元素释放对环境和人体健康造成危害；富集在煤中的潜在有益元素可以回收利用。深入研究煤中元素的种类、性质和含量，对于防治环境污染和人体危害、资源的高效洁净利用具有重要的意义。

【关键词】煤；有害元素；有益元素

1、前言

自然界所有的物质几乎都是由不同的元素组成的，煤当然也不例外。煤是一种固体可燃有机岩，主要是由古代植物遗体埋藏在地下经历复杂的生物化学和物理化学变化而形成的。由于自然界形成煤的植物组成和环境的多样性，导致煤的元素组成及其复杂。中国是目前世界上最大的煤炭消费者和生产者，近年来，煤炭约占中国的一次能源消费总量的74%，截至2011年，中国煤炭产量32.4亿吨，占世界比例高达48.3%。煤炭在中国的高使用量使得人们对于煤炭的元素组成越来越关注，一方面煤炭燃烧释放的有害元素不仅对环境造成了较严重的环境污染，而且经过长期积累和运移对人体造成危害；另一方面，国家现在十分重视循环经济和有序地利用资源，由于煤炭是一种不可再生资源，因此对于煤炭的高效利用（如从煤的燃烧产物中提取有益元素）可将煤炭的资源利用最大化。

2、煤中元素概述

地壳中有质量分数统计的元素共88种[1]，用现代分析手段已经从煤的样品和从煤中解吸出来的气体样品中检测到86种元素，至今只有锕（Ac）和镤（Pa）这两种寿命短的放射性元素还未从煤中检测到[2]（图1），值得注意的是，对于任意一个煤样品，运用不同的分析手段，有可能检测到各种元素，可谓一粒煤包含整个地壳。

按元素在大多数煤中的平均含量0.1%为界，一般将煤中含量超过0.1%的元素（C、H、O、N、S、Na、Mg、Al、Si、K、Ca和Fe）称为常量元素；其他元素在大多数煤中含量低于0.1%，称为微量元素[2-4]。煤是由有机质和无机质组成的复杂的化合物，其中有机质的含量大多超过50%。C、H、O、N是煤中有机质的主要组成部分，Na、Mg、Al、Si、K、Ca和Fe 是煤中无机组成的重要部分，S既存在于有机质中，又存在于无机质中[3]。煤中微量元素个数很多，根据其性质、用途以及目前的研究热点来看主要分为有害元素和有益元素。煤中有害元素现已查明的主要有P、F、Cl、As、Be、Pb、B、Cd、Hg、Se、Cr等10多种[5-7]；煤中的有益元素是指某些在煤中含量很高并且已经具备开采价值的元素，如Ge、U、Ga和稀土元素等等[8-10]。

3、煤中有害元素

煤中含有许多潜在有害微量元素，这些元素在煤中含量看似微不足道，但是由于煤炭开采量和利用量很大，在煤炭的燃烧或者加工利用的过程中这些含量很低的元素就会从煤中释放出来，经过长期积累和运移，从而对环境和人类身体健康造成危害（图2）[2，11]。对于煤中微量元素污染空气、水和土壤的报道在国内外屡见不鲜，例如煤中S、As、F、Hg等元素在燃煤过程中进入大气，构成大气污染物；煤以及燃烧产生的固体残渣中有害元素通过淋滤作用进入周围水体和土壤中；但是直接影响人类健康的实例是较少的，而我国是煤中微量元素伤害人体健康的最严重的国家，特别是煤中As、F、Se三种元素对人体造成的伤害，现在医学界已经把其定义为“煤烟型砷中毒”、“煤烟型氟中毒”和“煤烟型硒中毒”[12-16]，并且已经引起了国内外广大学者的共同关注。

三种由于煤燃烧引起的流行病均发生在经济落后的山区居民家庭里，研究表明病区均使用的富含砷、氟或硒的燃料，且室内排烟尘条件极差。煤烟型砷中毒发现于贵州省，已经造成超过3000多里中毒事件，从1976-2003年间死亡265例[17]。煤烟型硒中毒于1958-1963发现与我国湖北恩施地区，是我国煤烟型硒中毒最严重的地区，截至1987年已经发现477例患者[18]。煤烟型氟中毒地方病流行区更广，到2008年我国因生活用煤，造成煤烟型氟中毒流行范围遍及13省（市、自治区）的199多个县，受威胁病区的人口约一千六百多万[9]。由上可见，燃煤不仅仅是对空气和环境造成污染，更加危及我们人类健康，对于煤中有害元素的去除和排放控制刻不容缓。

4、煤中有益元素

煤中不仅具有潜在的有害微量元素，需要对其进行深入研究，而且也含有很多有益元素。煤的形成环境具有高度的吸附性能，因此在特定的条件下可富集某些金属元素，我国煤田的形成环境复杂，因此富集某种微量元素的可能性也较多，有些煤中微量元素的含量等于甚至高于在许多常规类型的矿床中它们的含量。目前在煤中发现的含量较高、达到或超过工业品位、可作为工业矿床开发利用或综合利用的元素近20种，如Ge、Ga、U、Nb、Zr和稀土元素（REE）等等，能进行工业性生产的有Ge、Ga、U等。

Ge的用途广泛，在半导体、航空航天测控、光纤通讯、太阳能电池等领域都有重要的应用，是一种重要的战略资源。Ge是唯一一种已经从煤中成功开发利用的稀有元素（图3），并且其利用已经超过50年了。V.W.戈尔德施米特于1930年首次从煤的燃烧产物的分析中发现锗，英国是最早从燃煤产物中提取锗的国家。中国煤中Ge的研究始于20世纪50年代末期，中国已报道的富Ge煤田主要有临沧（云南），乌兰图噶（内蒙古）和伊敏（内蒙古）[19-20]，内蒙古伊敏煤田不仅是在中国，而且在世界上最大的含锗煤矿床，估计的锗资源量为4千吨。

Ga在国防科学、高性能计算机的集成电路、光电二极管等方面有着广泛应用，并被称为“电子工业的粮食”。位于中国北方鄂尔多斯盆地的准格尔煤田由于其非常高的含Ga量在其他含镓煤田中脱颖而出[21]。2011年初神华集团在内蒙古黑岱沟煤矿建立了第一座从燃煤产物中提取Ga的实验工厂，预计年产量达到150t[10]。

U是重要的核燃料，主要用于原子能发电和核武器。与煤层相关的铀矿，是铀矿主要来源之一。美国、德国、法国、苏联均找到了此种类型的矿床，中国也不例外。其中，最大的铀矿床位于中亚地区[22]，我国的富铀煤田主要是新疆伊利煤田。

Nb、Zr和REE是十分重要的稀有金属，广泛应用于冶金、航空航天、电子、光学、原子能以及超导材料等高技术领域。REE包括镧系元素（La、Ce、Pr等）和Y，其中每一个元素都可以形成上亿元的产业，被称为“21世纪黄金”。随着经济的迅速发展，对这些稀有金属的需求日趋层架，常规稀有金属元素矿床分布有限，且难于开采，不能满足日益增加的工业需求。然而这些金属元素一定的条件下可富集在煤或煤系地层下，如果含量较为丰富则具有潜在的利用价值[9-10， 23]。Dai etal.报道过中国西南滇东、重庆地区含煤地层中的大型Nb（Ta）-Zr（Hf）-REE-Ga多稀有金属矿床[8， 24]，各稀有金属含量都很高，已经达到开发利用的要求，储量丰富，潜在经济价值不可估量。

实际上，元素周期表中任何一种元素如果高度富集或者缺乏，都会对环境和人类健康造成危害，煤中元素的有害性和有益性是相对的。例如，湖北恩施地区的高硒煤是世界罕见的唯一独立工业硒矿床；而长期接触稀土烟雾和尘粒的生产工人，可产生频繁的头疼、恶心、咳嗽、过敏热等，稀土引起的最重要的病理学和生化效应之一是形成脂肪肝。因此，煤中元素所谓“有害”或“有益”，是对其性质而言的，有益元素在有效利用的基础上也要防止其对人体健康造成危害；反之，有害元素如果综合利用得当，也可以变害为利，变废为宝。