多金属结核比表面积分析测试条件研究

李浩楠， 任向文， 宋召军,3， 李怀明， 王文宇

(1.山东科技大学地球科学与工程学院， 山东 青岛 266590；2.自然资源部海洋地质与成矿作用重点实验室， 自然资源部第一海洋研究所， 山东 青岛 266237；3.海洋地质过程与环境功能实验室， 青岛海洋科学与技术试点国家实验室， 山东 青岛 266061；4.自然资源部海底重点实验室， 自然资源部第二海洋研究所， 浙江 杭州 310112)

深海海底发育大量多金属结核，其中所含金属是重要的潜在关键金属资源[1-4]，仅东太平洋C-C区就发育340亿吨多金属结核，这些多金属结核覆盖面积900万km2，蕴藏750000万吨Mn、26500万吨Cu、34000万吨Ni、7800万吨Co[5]、1500万吨稀土氧化物(TREO)[2]。虽然世界Co、Mn、Ni、Cu的2018年储采比在20～50年之间[6]，但考虑到诸如动力电池[7]和航空发动机[8]等新能源新技术对金属需求的增长，以及陆地资源开发的环境成本和世界资源分布的不均一性[7]，有必要加强开展多金属结核成矿作用研究，以支撑深海多金属结核资源勘查。

在多金属结核资源勘查中，掌握包括品位在内的资源评价的关键参数及其控制因素至关重要。多金属结核成矿是通过铁锰氧化物胶体吸附海水或沉积物孔隙水中的金属元素富集的[9]。海水中Co、Ni、Cu等金属元素含量极低，在nmol/L到pmol/L之间[10]。而多金属结核中Co、Ni、Cu含量远高于海水中金属含量。例如，C-C区Co含量为0.21%，Ni含量为1.30%，Cu含量为1.07%[2]。因此，在海水中富集痕量金属元素[11-12]进而成矿，除了需要缓慢的生长速率(3～8mm/Ma)[13]和相应漫长的成矿时代外，多金属结核本身疏松多孔的材料学性质就成为其成矿的必要条件[14]。

比表面积分析仪、低温氮吸附法和静态容量法在测试页岩和黏土矿物等地质样品比表面积中应用广泛[15-21]。国内外测试多金属结核/富钴结壳比表面积采用的比表面积分析仪类似，采用的方法都为低温氮吸附法与静态容量法，然而由于研究目的的差异，不同学者采用的脱气温度、时间和试样粒度却各不相同[12,22-24]，试样碎成1～2mm小块[23]或筛成75μm至45μm的粉末[24]，脱气温度在130～140℃，脱气时间3h[23]，或在110～900℃区间开展程序升温实验[24]。薛婷[25]在测试富钴结壳比表面积时，其样品粒度控制在大约170μm，脱气温度设定为25℃，脱气时间设定为16h。研究多金属结核从海水或孔隙水中吸附金属离子，确定合适的测试比表面积的脱气温度、时间及试样粒度，则成了多金属结核成矿作用研究中需要深入探究的科学问题。

本文以多金属结核成矿作用研究为目的，利用比表面及孔径分析仪，基于低温氮吸附法与静态容量法，采用程序升温、累积加热和粒度对比三种实验技术路线，确定了多金属结核比表面积分析的预处理温度和试样粒度条件。该项工作对深海多金属结核乃至富钴结壳的成矿作用研究具有重要的支撑作用。

1 实验部分

1.1 仪器及工作条件

本文通过程序升温和时间梯度测试来研究多金属结核比表面积测试的预处理温度和时间，通过粒度与孔径测试来研究试样粒度对比表面积测试的影响。使用的仪器为比表面及孔径分析仪(型号JW-BK100B)。该仪器比表面积测试范围为0.0005m2/g至未知上限，标准样品重复精度≤±1.0%。仪器配备热电偶加热炉，测试前需对放置在静态石英样品管(内径7mm)中的样品在设定的温度下进行加热脱气处理，在加热过程中仪器同时进行抽真空处理，加热温度的上限为350℃。测试工作在自然资源部第一海洋研究所地质综合测试实验室完成。

实验过程中，利用SRB9-C型炭黑标准样品[平均值为137.9m2/g，误差(±3σ)范围为136.75～139.05m2/g]对仪器状态进行校准。标准样品的测试结果为137.872m2/g、138.073m2/g和137.913m2/g(图1)，表明该仪器对SRB9-C型炭黑标准样品的测试值在误差范围之内，仪器运行正常，测试结果准确。根据国家标准《气体吸附BET法测定固体物质比表面积》(GB/T 19587—2004)，实验采用低温氮吸附法和静态容量法测试比表面积，并通过BET法计算得出测试值。低温氮吸附法是指在液氮温度下，在含氮的气氛中，粉体材料与氮气之间存在着吸附、吸收、解吸等相互作用，当粉体表面吸附了完整的一层氮分子时，可以通过其公式测得比表面积。静态容量法是指改变样品管总氮气压力，用高精密压力传感器测定出样品在不同氮气压力下吸附至饱和前后样品室中氮气压力的变化，再根据气体状态方程计算出气体的吸附量，可以按阶梯顺序测出吸脱附等温线，进而进行比表面计算或孔径分析。BET法是指基于吸脱附数据利用BET方程计算比表面积的方法。

图1 标准样品测试值与误差范围对比Fig.1 Comparison of standard sample test value and error range

1.2 实验样品

研究选取了来自太平洋、印度洋和大西洋共5个站位的多金属结核样品，并分别选取了15个子样，样品和站位信息见表1，样品特征描述见表2。其中，站位DY48-Ⅱ-BC1836、DY48-Ⅱ-BC1823、DY48-Ⅱ-BC1829a位于西太平洋海盆，水深为5292～5756 m，样品类型分别为小型连生体状、小型球状、中型球状和中型碎屑状结核，由大洋一号科学考察船于2018年采集；42Ⅰ-ⅠB-S023BC03位于中印度洋海盆南部，水深为4926m，样品类型为小型球状结核，由海洋22号科学考察船于2017年采集；46Ⅱ-(SAKB)-S62-BC01位于安哥拉海盆西南部，水深为5103m，样品类型为小型连生体状结核，由向阳红01科学考察船于2018年采集。

表1 样品和站位信息

表2 样品特征描述

考虑到样品的海域、类型、大小等对实验结果可能产生影响，选取N1836、N1829a、N1823、N1829a-1、N1823-1、N03、N01、N03-1、N01-1共9个选自不同海域的子样开展温度测试实验。在前期温度测试实验的基础上，对N03-2、N01-2共2个子样开展加热时间的测试实验(BET)。为了避免单一样品性质对实验结果的影响，对N1836(1)、N1836(2)、N1829a(1)、N1829a(2)、N1823(1)、N1823(2)共6个子样开展粒度(样品的物理尺寸)测试实验(BET)。

1.3 实验方法

在测试标准样品校准仪器后，以氮吸附BET法为基础，使用程序升温、累积加热、粒度对比三种研究方法，对预处理温度、时长、试样粒度对比表面积测试的影响进行了探究。

(1)程序升温测试。实验首先选取5个样品(N1836、N1829a、N1823、N03、N01)，通过程序升温的方式对样品进行预处理，考虑到较低温度对样品孔隙内杂质影响极小以及热电偶加热炉能达到的最高加热温度，将初始预处理温度设定为60℃，最终预处理温度设定为300℃，每次实验温度升高30℃(程序升温)。考虑到样品在低温条件下需要更长的处理时间，在60℃时预处理加热300min，90℃时加热180min，120℃时加热90min，150～300℃每次加热都为60min。每次预处理结束，仪器系统真空系统压力达到4Pa后，开始测试样品的比表面积，并复称样品质量，然后继续加热、测试，直至完成300℃条件下的样品预处理和测试实验。第一次程序升温测试结束后，在经过预处理的样品N03和N01中选取样品N03-1和N01-1，再次从210℃按30℃的梯度加热测试到300℃，以便与60～300℃程序升温的测试结果进行对比。第二次程序升温测试时，选取两个样品N1829a-1、N1823-1，按照第一次程序升温测试的步骤，以30℃为梯度(最后一次测试升温梯度为20℃)，将预处理温度从60℃按梯度逐步升高至350℃进行程序升温测试。

(2)累积加热测试。实验选取N03-2和N01-2两个样品，使用温度测试所得210℃的加热预处理条件，进行1h的预处理，在真空系统压力达到2～4Pa之后，测试样品的比表面积，然后以1h为梯度，逐步延长样品的预处理时间，共进行了时长为4h的测试。

(3)粒度测试。实验选取N1836(1)、N1836(2)、N1829a(1)、N1829a(2)、N1823(1)、N1823(2)共6个样品，样品碎块的长轴直径处理为5mm左右(误差范围为1mm，毫米级)，在210℃下加热3h后，使用BET法测试6个样品的比表面积。测试完成后，使用玛瑙研钵对测试完毕的样品进行粉碎处理，研磨成粒径小于1mm的粉末(微米级)，在210℃下加热3h后，使用BET法对研磨后的粉末样品的比表面积再次进行测试。

2 结果与讨论

2.1 样品脱气温度升高导致比表面积测试值增大

通过程序升温测试得到的比表面积和相应的脱气失重结果如图2所示。图2a显示，来自不同海域的5个多金属结核样品随着预处理温度升高至210℃，比表面积测试值逐渐增大，且比表面积测试值在整个程序升温过程中具有相同的变化趋势。比表面积测试值在210～240℃时达到最大值，且5个样品预处理温度在210℃与240℃时，比表面积测试结果差值均在误差范围之内。图2b显示，第一次(60℃)预处理脱气失重最大，随后持续小幅上升，在210～240℃时基本进入平台期。图2c显示，完成程序升温(60～300℃)测试的样品再次进行210～300℃区间程序升温测试，比表面积的测试结果基本保持稳定。图2d显示，在60～210℃范围内，比表面积测试值单调递增；在210～350℃范围内，比表面积测试值基本处在平台期。

图2 程序升温实验的比表面积与脱气失重变异曲线Fig.2 Variation curves of specific surface area and degassing weight loss of temperature program experiment

测量多金属结核的比表面积，需要综合考虑加热脱气，以及在加热不同阶段锰氧化物矿物相变等因素。Parida等[24]基于多金属结核程序升温锻烧实验提出，从30℃到135℃，失重14.5%，为物理吸附的水；从135℃到425℃，失重约8%，可能来自于结构水的分解；温度>425℃，失重约8%，则可能来自于氧化物的分解。多金属结核锰矿物包括1nm锰矿相、0.7nm锰矿相和水羟锰矿[9,26]，但1nm锰矿相在室温晾干或100℃烘烤后会相变为0.7nm锰矿相[27]。在低于135℃脱气的预处理条件下，多金属结核锰矿物层间距变小。尽管如此，依据国标《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度 第2部分：气体吸附法分析介孔和大孔》(GB/T 21650—2008)，利用氮气作为吸附气体，可测定的最小孔径为0.5nm，所以此时仍可测量多金属结核的初始比表面积。但由于脱气不彻底，此时获得的比表面积测量值将低于多金属结核原始比表面积。多金属结核在马弗炉中从110℃连续升温锻烧至900℃，O/Mn值从1.94下降至1.38，暗示MnO2逐渐转变为Mn2O3和Mn3O4[24]，其中，从110℃到200℃，O/Mn值从1.94下降至1.93，基本保持恒定；从200℃到300℃，O/Mn值从1.93下降至1.81，变化明显，此后从300℃至900℃，O/Mn值持续降低至1.38，表明在超过300℃条件下对多金属结核进行煅烧，会明显改变其矿物成分。因此，在高于300℃(特别是高于400℃)脱气的预处理条件下，获得的比表面积测量值是多金属结核矿物成分发生明显变化后的比表面积。在135～300℃之间进行加热脱气，正如本文测试数据所示，随着温度的提高，试样失重持续发生。相应地，比表面积测试值也呈现上升趋势，但温度达到210～350℃时，比表面积测试值进入平台期。这些数据表明，在135～300℃之间多金属结核仍然在发生脱气，但脱气程度逐渐降低。需要指出的是，在210℃以上时，矿物可能已经开始发生相变。上述分析表明，在210～300℃区间，多金属结核比表面积的测试值上升到平台期，但矿物成分开始发生变化。综合考虑多金属结核加热脱气程度和矿物成分变化程度，本文选择210～240℃区间的比表面积测试值，用以表征多金属结核的初始比表面积。

2.2 三小时脱气可获得稳定的测试结果

以210℃为预处理温度，通过时间梯度测试所得结果显示(图3)，在210℃恒温加热条件下，完成2h预处理，比表面积的测试值仍存在波动；完成3h预处理后，比表面积的测试值基本稳定，样品N03-2的比表面积测试值稳定在179.715～179.724m2/g，样品N01-1的比表面积测试值稳定在246.457～247.010m2/g，此时测试值的变异系数为0.00%和0.16%。结果表明，多金属结核样品在210℃加热处理3h，足以获得稳定的比表面积测试值。

图3 预处理时长测试实验比表面积分布Fig.3 Specific surface area distribution of pretreatment time experiment

Stashchuk等[23]在130～140℃下加热3～3.5h进行预处理后即可测试富钴结壳和多金属结核的比表面积，而薛婷[25]在低温(25℃)下抽真空16h才能进行测试，表明高温能够提高脱气的速度。本实验所使用的预处理温度相对更高，预处理时间相对更短，在210℃条件下加热处理3h，即可获得稳定的多金属结核比表面积测试值。在不同温度和时间的条件下对多金属结核和富钴结壳进行脱气，获得的比表面积测试值物理含义有所差别。薛婷[25]获得的比表面积测试值可能表征物理吸附水部分脱附后富钴结壳的吸附能力；Stashchuk等[23]获得的比表面积测试值可以表征全部物理吸附水脱附[24]后富钴结壳和多金属结核的吸附能力。本实验获得的比表面积测试值表征的是全部的物理吸附水和大部分的结构水脱附后，多金属结核呈现出的吸附能力。

2.3 试样粒度减小可导致比表面测试值减小

本文对粒径为毫米和微米级样品的比表面积测试结果进行对比研究。结果显示，试样由块状破碎至粉末状导致所有试样的比表面积测试值降低(表4)，6个试样的比表面积测试值平均降幅为16.826m2/g，其中试样N1829a(1)降幅为1.027m2/g，为最小降幅。考虑到实验仪器的测试精度，认为该样品比表面积基本不变，但试样N1823(2)降幅十分明显，其比表面积测试结果从402.714m2/g下降至374.179m2/g，降幅达到28.535m2/g。

表4 试样粒度对比表面积测试结果的影响

本实验结果显示，试样由粒径为毫米的块状处理为粒径为微米的粉末状，会导致比表面积测试结果的降低。Stashchuk等[23]在测试铁锰结核和结壳的比表面积时，其样品的粒度是1～2mm的小块，薛婷[25]则是用一定孔径的筛子将样品的物理尺寸控制在170μm左右。Stashchuk等[23]和薛婷[25]获得的比表面积测试数据的差异，除了受样品自身物理性质和脱气温度差异影响外，还可能受到试样粒度的影响。因此，在测试多金属结核比表面积时，要求试样具有相似的粒度，为表征多金属结核的原始比表面积，本文建议试样粒径应处于毫米级。

3 结论

本研究针对大洋多金属结核疏松多孔的物理性质，利用比表面及孔径分析仪，对其进行比表面积分析实验。在此基础上，探讨了预处理条件(温度、时长、试样粒度)对比表面积测试的影响。实验结果表明，将样品在真空系统中在210℃下加热3h，可以获得稳定的、可重复的多金属结核比表面积测试结果。将样品粒度从毫米级处理为微米级时，比表面积测试结果减小，提出选取粒度处于毫米级的块状多金属结核样品，以测试多金属结核的原始比表面积。

本文基于系统的多金属结核比表面积分析的预处理条件研究工作，明确了影响多金属结核比表面积分析的温度、时间和粒度条件，并确定了不同预处理条件对应的比表面积测试值的物理含义，对后续不同区域、不同成因类型的大洋多金属结核比表面积测试分析以及成矿条件对比研究提供了支持。