第三节　制碱的矿产原料

碱是化学工业中重要原料，在我国有着悠久的生产历史，并在生产和生活中被广泛使用。碱在广义上应包括纯碱、烧碱与小苏打，其中纯碱成分为碳酸钠（Na2CO3），烧碱成分是氢氧化钠（NaOH），小苏打成分是碳酸氢钠（NaHCO3）。生产碱的原料目前在工业上主要从苏打、水碱、碳酸钠石和重碳钠石中提取，其次是氯碳钠镁石、碳钠钙石、钙水碱和单斜钠钙石等，此外亦有用石灰岩作原料生产纯碱。这些生产原料在我国蕴藏量比较丰富，分布相对集中，产出形式多样，有固体矿，也有卤水矿，有现代碱矿，也有古代碱矿，有近代干旱地区的原生碱矿，也有沙漠中再生碱矿。碱的生产方法比较多，并且随着科学技术的进步而不断创新。我国在碱类生产上近年来有长足进步，并且基本上满足了市场上需要。在此必须说明的是，在商业上将能提取或生产碱类的碳酸盐、重碳酸盐和含水碳酸盐等矿产原料统称为天然碱，其与矿物学上的天然碱含义完全不同，后者指的仅是碳酸钠石（Na2CO3·NaHCO3·2H2O）。

一、天然碱trona

天然碱用来提取纯碱（Na2CO3）、烧碱（NaOH）和小苏打（NaHCO3）。纯碱是玻璃、造纸、肥皂、洗涤剂、纺织、制革的工业原料和冶金助熔剂、水质软化剂。烧碱可用来制肥皂、纸浆、人造丝以及用来处理棉织品和精炼石油。小苏打可用于医药和食品工业及作灭火剂。

天然碱矿床一般划分为现代盐湖碱矿床、古代碱矿床、盐坑盐渍土型碱矿床、温泉沉积碱矿床。目前开发利用的主要是前2种类型。

①现代盐湖碱矿床。系盐卤水浓缩结晶沉淀而成，矿层赋存于碎屑岩含盐建造中，矿石质量为中低品位，矿床规模以中、小型为主。

②古代碱矿床。为山间断陷盐盆沉积型，一般为层状，埋藏较深（几百米到两千余米），矿石质量中等，共生矿产为石盐、油页岩，矿床规模以大、中型为主。

组成与结构　又名碳酸钠石，成分为Na2CO3·NaHCO3·2H2O，单斜晶系，晶体为板状或厚板状，常呈晶簇状、马牙状、纤维状、土状集合体。

物化性质　无色、灰色、土黄色，透明，玻璃光泽；莫氏硬度为2.5～3.0；密度为2.147g/cm3；遇盐酸起泡，溶于水中时沸腾，并有酸味与碱味；在空气中稳定，能生成白色外壳；在紫外线照射下发荧光。

综合利用　常与石膏、芒硝、石盐等共生于同一盐湖或同一含盐层中，并且常伴有碘、溴、钾、硼等，在加工时可综合回收利用。

主要用途　主要用于生产纯碱、烧碱与小苏打，亦可用于化工、轻工生产上；在冶金与玻璃工业生产中作辅料。

质量标准　据国土资源部2002年12月发布的地质矿产行业标准DZ/T 0212—2002《盐湖和盐类矿产地质勘查规范》的规定，天然碱有卤水矿与固体矿之分，并且其开采方式不同，工业指标也有所不同，其一般工业指标见表2-11。水溶系列有害组分最大允许含量见表2-12。矿床规模：大型，1000万吨；中型，1000万～200万吨；小型，200万吨以下。

开发与保护　天然碱矿床固体矿与卤水矿在勘查与开发上有所差别。固体矿一般采用1m×1m网度进行勘查，并依此标准按矿体复杂程度进行加密或放稀网度。基本分析样品采样长度一般为0.1～0.5m。浅藏卤水矿一般采用2m×2m网度进行勘查，采样长度按赋水介质和富水性分层取样，样长1～2m。钻探是天然碱矿床勘查的重要手段，但在钻进中要严格控制回次进尺和泥浆的调配，保护矿体或含矿层。矿石必须进行可溶性试验，以便确定矿床开采工艺与流程。固体矿石要保持干燥，卤水矿要密切注意当地水文地质条件与环境地质特征，防止卤水矿遭受污染而降低质量。

产状与产地　河南桐柏吴城、安棚；江苏洪泽；辽宁铁岭；内蒙古查干里门诺尔、察汗诺等地。

二、苏打suda

组成与结构　苏打主要成分为碳酸钠（图2-4），分子式为Na2CO3。

物化性质　白色粉末，密度2.532g/cm3，熔点851℃，易溶于水，遇盐酸强烈起泡。

主要用途　绝大部分用于工业，一小部分为民用。在工业用纯碱中，主要用于轻工、建材、化学工业，约占2/3；其次是冶金、纺织、石油、国防、医药及其他工业。玻璃工业是纯碱的最大消费部门，每吨玻璃消耗纯碱0.2t。其在化学工业中用于制水玻璃、重铬酸钠、硝酸钠、氟化钠、小苏打、硼砂、磷酸三钠等；在冶金工业中用作冶炼助熔剂、选矿用浮选剂，于炼钢和炼锑中用作脱硫剂，在印染工业中用作软水剂，在制革工业中用于原料皮的脱脂、中和铬鞣革和提高铬鞣液碱度，还用于生产合成洗涤剂添加剂三聚磷酸钠和其他磷酸钠盐等。食用级纯碱用于生产味精、面食等。

质量标准　苏打的质量标准与天然碱矿床基本相同，详细内容可参阅本章天然碱质量标准。

开发与保护　苏打很少有独立单一的矿床，它常与其他盐类矿床，特别是天然碱矿共生，因此其勘查与开发和天然碱矿床基本相同，详细工作内容可参考本章天然碱矿“开发与保护”部分。

产状与产地　内蒙古查干里门诺尔、察汗诺；河南桐柏吴城、安棚；辽宁铁岭等地。

三、重碳酸钠盐nahcolite

组成与结构　又名苏打石，分子式为NaHCO3；单斜晶系，晶形为柱状，偶为玫瑰状粗晶，常呈松散状、多孔块状集合体。

物化性质　白色，有时为灰色或牛皮纸色；透明，玻璃光泽；莫氏硬度为3.5；密度为2.21～2.24g/cm3；易溶于水，加盐酸起泡，加热变为Na2CO3。

综合利用　常与天然碱、石盐等共生，组成含碱矿层，在开发时可综合开发，在加工处理时可综合回收。

质量标准　基本上参考天然碱标准执行。

开发与保护　勘查与开采工作基本上与天然碱矿床相似，但选出精矿要严禁遇水、遇酸，要放在阴凉而与火源、热源隔离的地方。

产状与产地　河南桐柏吴城；西藏杜佳里湖。

四、氯碳钠镁石northupite

组成与结构　主要成分为碳酸钠、碳酸镁与氯化钠，分子式为Na2CO3·MgCO3·NaCl；等轴晶系，晶形呈八面体，常为细粒球状集合体（图2-5）。

物化性质　无色、淡黄色，半透明，玻璃光泽；断口不平坦，呈贝壳状；莫氏硬度为3.5～4.0，密度为2.407g/cm3；易溶于酸，放出CO2；能溶于水中并生成MgCO3固体残留物沉淀；加热能熔融，并发出声音。在紫外线下发荧光。

综合利用　常与天然碱矿相伴于同一含矿层位中，在开发利用中可分离、回收。

主要用途　主要用于提取纯碱与烧碱。

质量标准　氯碳钠镁石质量标准一般参照天然碱质量标准执行，详细内容参阅本章天然碱质量标准部分。

开发与保护　氯碳钠镁石矿既可形成独立矿床，也可作为天然碱矿的伴生组分存在。但它在勘察与开发工作基本上与天然碱矿相同，工作方法与规范均比照天然碱矿规范执行，采、选出矿石与精矿要隔离热源，不要与水和含酸溶液接触，以保护产品质量。

产状与产地　河南桐柏吴城；西藏杜佳里湖。

五、碳钠钙石shortite

又名斜碳钠钙石是一种含水的钠和钙的碳酸盐矿物，它是在碱性的湖水中沉淀出来的（图2-6）。

组成与结构　主要成分为碳酸钠和碳酸钙，分子式为Na2CO3·2CaCO3；斜方晶系，晶形呈板状、柱状，常为粒状集合体。

物化性质　无色、白色至黄色，玻璃光泽，断口不平坦，多呈贝壳状；莫氏硬度为3.5；密度为2.629g/cm3；溶于水中产生CaCO3残留物沉积；在稀盐酸发生CO2气体；具较强的热电效应，在紫外线下发荧光。

综合利用　常与天然碱、石盐和氯碳钠镁石等共生，并于同一含矿层位中，在开发中可综合回收。

主要用途　主要用于提取水碱与苏打。

质量标准　碳钠钙石常作为天然碱矿石的伴生和次要组分出现，其质量标准通常比照天然碱矿的质量标准执行，具体内容详见本章天然碱矿质量标准部分。

开发与保护　碳钠钙石目前没有发现独立的矿床，而多为天然碱矿石中伴生的次要组分。

产状与产地　产于富硼砂的蒸发矿床或盐湖中，主要产地有美国、肯尼亚、中国河南桐柏吴城、桐柏安鹏。

六、钙水碱pirssonite

组成与结构　主要成分为碳酸钠和碳酸钙，分子式为Na2CO3·CaCO3·2H2O，斜方晶系，晶体少见，常为粒状或块状集合体，大多为次生矿物。

物化性质　无色，淡黄色，透明，玻璃光泽，半贝壳状断口；莫氏硬度为3.0～3.5；密度为2.382g/cm3；易溶于酸中，生CO2并强烈起泡；能溶于水中并有CaCO3残留物沉淀；加热则失水。

综合利用　常与天然碱、碳钠钙石、单斜钠钙石等共生，于同一含矿层位中，并作为矿石的次要组分，在加工中可分离、回收与利用。

主要用途　用于提取水碱和苏打，用于化工与轻工生产上。

质量标准　其常为天然碱矿石的次要组分或伴生组分，因此其质量标准主要是参照天然碱矿的质量标准执行。

开发与保护　钙水碱目前还没有发现独立矿床，其勘察与开发工作基本上随天然碱矿床勘察与开发而进行，没有组织过专项勘察工作。矿石与精石一定要严格做到防潮、防雨以及远离热源，应置于阴凉干燥地方。

产状与产地　内蒙古查干里门诺尔；河南桐柏安鹏。

七、单斜钠钙石gaylussite

单斜钠钙石是自然界产出的含水碳酸盐矿物，最早发现于委内瑞拉。

组成与结构　主要成分为碳酸钠和碳酸钙，其分子式为Na2CO3·CaCO3·5H2O，单斜晶系，晶形呈楔状，常呈松散状或块状集合体。

物化性质　无色，淡黄色，透明至半透明，玻璃光泽，断口呈贝壳状；莫氏硬度为2.5～3.0；密度为2.037g/cm3；易溶于酸中并生CO2气泡；能溶于水中并产生CaCO3残留物沉淀；加热失水并能发出声音，熔融为钙水碱。

综合利用　常与钙水碱、天然碱共生于同一含矿层中，在加工利用时可回收利用。

主要用途　主要用于提取苏打与水碱。

质量标准　单斜钠钙石一般为矿石中的次要组分，部分为次生产物，目前对它无统一质量要求，通常按天然碱标准执行，并在生产中回收。

开发与利用　单斜钠钙石目前没有发现独立矿床。它的勘查与开发是随主矿床如天然碱矿床的勘查与开发而进行的。

产状与产地　内蒙古查干里门诺尔；河南桐柏吴城。

八、石灰岩limestone

含碳酸钙不少于40％的岩石统称为石灰岩。石灰岩是沉积性岩石，其主要成分是碳酸钙，理论组成为CaO56％、CO244％。在自然界中，纯碳酸钙很少遇到，但含有各种杂质的碳酸钙是非常普遍的，几乎在所有的陆地上都可以遇到。

石灰石是石灰岩的俗称，为方解石微晶或潜晶聚集块体，无解理，质坚硬。其作用与方解石相同，但纯度较方解石差。石灰石有白色、灰色、黄色、褐色、黑色以及带有各种色彩和着色间层等几种。石灰石色泽依其中含有的杂质而异。

方解石的密度平均为2.75g/cm3。石灰石的密度依其中的杂质含量而不同，为2.65～2.80g/cm3。

由于结构的不同，石灰石分为以下几类：粒状结晶石灰石或大理石（具有细微的结晶组织）；具有结晶组织的致密石灰石；由小粒堆积而成的鲕状石灰石；石灰华（多孔性石灰石）；贝壳石灰石和白垩等。

在同样的成分下，石灰石的强度取决于密度，从而取决于单位容积质量。石灰石的莫氏硬度在3～4的范围内（依结构不同而异）。

石灰石煅烧时，放出二氧化碳。此时，石灰石块的体积减小10％～15％。因此，制得的生石灰具有多孔性。

石灰岩的主要应用　在一千多年前，我国就有利用石灰岩烧石灰的记载。到1824年，英国人发明了“波特兰水泥”以后，石灰岩的开发利用更是前景广阔。随着生产力的发展和科学技术的进步，石灰岩的用途日益增加。目前，石灰岩及其制品已经成为国民经济各部门中使用广泛并在人们日常生活中必不可少的材料。石灰岩的主要应用有以下几方面。

①在水泥和石灰工业中，石灰岩是重要原料。

②在金属冶炼工业中，石灰岩作为熔剂以冶炼生铁、钢和有色金属。

③在化学工业中，石灰岩作为制造苏打、电石、漂白粉、肥料及其他化学产品的原料。

④在食品工业（如制糖业）中，石灰岩广泛用来澄清甜菜和甘蔗的液汁；在水质浑浊的地区，还可用来澄清水质。

⑤在建筑工程、铁路和公路建设中，石灰岩被用来作为毛石、碎石和铺面石。

⑥在农业中，石灰岩岩粉和石灰被用来中和酸性土壤、饲养家畜和家禽。

⑦在环境保护方面，石灰岩作为一种吸附剂越来越受到重视。

⑧某些具有光泽和花色的石灰岩可以作为大理石，这是一种极好的建筑装饰材料。

⑨当石灰岩中的方解石从空洞或其他孔隙的热水溶液中沉淀出来时，可以生成美丽的晶体——冰洲石，这是一种典型的晶体光学原料。

⑩石灰岩在玻璃生产中主要提供CaO。它能使玻璃液在高温时降低黏度，促进其熔融与澄清；在温度降低时又可增加玻璃液黏度，提高玻璃成型速度及其化学稳定性。在玻璃中CaO含量一般在6％～7％。

其他如造纸、制革、制造染料等工业中，还广泛采用少量的石灰作为填料。

石灰石制备水泥　生产水泥的主要原料是石灰石和黏土。生产水泥用石灰石的质量要求为：①CaO≥48％，MgO≤3.0％，K2O+Na2O≤0.6％，SO3≤1％，SiO2≤4％；②矿山开采一般是在露天开采条件下，最低开采标高不低于矿区附近的地平面标高。剥采比，即覆盖层（表土、围岩）和夹层的总量与矿石总量之比不大于0.5:1（m3/m3）。对矿石最小可采厚度，大、中型矿为8m，小型矿为4m。夹石最小剔除厚度为2m。矿床开采底部最小宽度，大、中型矿山不小于60m，小型矿山不小于40m。

在满足原矿质量标准要求的前提下，按照水泥生产的工艺流程实施生产，即：

原料矿石→检选→破碎→磨细→配制生料→混合球磨→回转窑煅烧→冷却→熟料→破碎→与稳定剂等制剂一起混合球磨→计量→包装→成品。

水泥的制备与生产早已作为一门单独的学科得到广泛研究，因此具体的技术内容请参见有关水泥生产的专门资料。

石灰制备及应用　石灰是在800～900℃的温度下煅烧石灰石而制成的。在煅烧过程中，石灰石（CaCO3）分解为二氧化碳（CO2）和氧化钙（CaO）。二氧化碳与燃料的燃烧产物一起排出，氧化钙则在煅烧后从窑内卸出。

按原料成分和煅烧性质的不同，可以制成气硬石灰和水硬石灰。

气硬石灰是煅烧含少量黏土杂质的、纯净的石灰石而制成的。气硬石灰分为生石灰块、生石灰末、熟石灰、石灰膏。制成块状并且主要成分为氧化钙的石灰称为生石灰块。把石灰块磨得很细而制成的产品叫做生石灰末。以一定量的水将生石灰消化而制成的极细的粉末叫做熟石灰。熟石灰的主要成分为Ca（OH）2。以过量的水消化石灰块而制成的浓稠的产品叫做石灰膏。石灰膏主要由Ca（OH）2和混合的水组成。

适当地煅烧含黏土物质较多的泥灰岩石灰石即制成水硬石灰。水硬石灰分为下面几种：弱水硬石灰，它含有少量与氧化硅及氧化铝成化学结合的氧化钙；强水硬石灰，它含有较多量的氧化钙、氧化硅和氧化铝。水硬石灰消化成为粉末，不消化成为石灰膏。水硬石灰膏不能长久储藏，因为它很快就会凝固。石灰在化学工业、冶金工业、建筑业和农业都有极大用途。

气硬石灰仅在建筑不受水作用的地上建筑物时才使用。气硬石灰不能在潮湿的地方用来砌基础，并且完全不适用于砌大的建筑物基础。水硬石灰可以用于建筑地上、地下和水利工程的建筑物；有时它也可代替水泥砂浆来砌基础。干燥状态的石灰目前暂时还很少使用（矿渣混凝土在冬季施工时补加到混凝土中去）。在粉刷工作中，石灰也用来粉刷和用于有色的涂料，这时石灰中要加入矿物颜料。在常温下，二氧化硅不与石灰起化学作用。石英砂的作用仅仅在于生成骨架。但在水蒸气的作用下（加压下），石英粒子即从表面开始与石灰化合，生成硅酸盐，因此可提高材料的坚固性。硅砖的生产即以此原理为基础。

在冶金工业（黑色金属和有色金属）和选矿过程中，石灰和石灰石被用于熔剂。在炼钢生产中大多在700～900℃的温度下煅烧石灰石而制成所谓的冶金石灰。用碱性转炉法吹炼生铁时，需要温度烧得很高的新鲜石灰，因为长期使用储藏过程中含有一部分水分的石灰将使生铁冷却，而煅烧不良的石灰则将进一步分解，使一部分热消耗于分解过程中。

石灰和石灰石在农业上被用来处理酸性土壤（大多数是在非黑土地上施用），也用来保护植物免受害虫侵害。

在制糖工业中石灰被用来精制甜菜和甘蔗糖汁，也可用来将糖从糖浆中分离出来。在制碱工业中，石灰在氨碱法中用来回收氨。用石灰法生产烧碱时，石灰用于苛化过程。生产漂白粉、电石和漂粉精时，使用大量的石灰乳、熟石灰和生石灰粉末作为主要原料。在有机合成工业中，石灰制成熟石灰和石灰乳使用以进行有机物的水解、水合及干燥等过程。制碱用的石灰岩总体说CaCO3含量越高越好，而杂质如MgO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等含量越低越好。CaCO3含量太低将直接影响CO2的产出量，无形中增加了生产成本。杂质过高一方面将影响石灰岩充分的分解，另一方面可能引起炉体结瘤，因此国土资源部2002年12月发布的地质矿产行业标准DZ/T 0213—2002《冶金、化工石灰岩及白云岩、水泥原料矿产地质勘查规范》中规定了，制碱用石灰岩的一般工业指标，见表2-13。露天开采矿床其剥采比一般不大于0.5:1（m3/m3）。石灰岩还被用作冶金熔剂和化工（制电石和碱）原料。冶金工业用的石灰岩精矿其品级划分与质量要求见表2-14。按《冶金、化工石灰岩及白云岩矿床地质勘探规范》，冶金熔剂和化工原料用石灰岩的工业指标见表2-15。