锗 (Ge) 拥有出色的半导体能力，在光纤系统和红外设备等领域有十分广泛的应用。锗还用于太阳能电池和 LED 技术的新技术开发，因此，预计未来几年对这种稀有元素的需求还会增加 [1]。
锗很难开采，主要作为锌 (Zn) 开采的副产品。锗的主要宿主是闪锌矿，但也可在异极矿和硅锌矿中发现。
矿山废料是可提取锗的潜在来源。
但是，人们仍然不清楚矿石中的锗如何回收和浓缩，以及矿山废料中的锗对环境是否存在负面影响。
为了深入了解锗在矿石中的特性，White 等人 [2] 研究了取自 Tar Creek 超级基金站点的样本，该站点以前是生产锌和锗的采矿场。他们研究了锗在 PbZn 硫化矿山废料中的特性，发现风化作用显著改变了矿物宿主。他们分析了取自六个矿山废料堆中的块状和微米级样本，其中大部分由石英组成，但也有闪锌矿和异极矿。
研究人员首次调查了不同矿物中的锗浓度。
令人意外的是，他们发现，在风化的矿山废料堆中，锗浓度最高的是异极矿（主要是风化产物），而不是闪锌矿（图 1）。由于样本包含大量石英，在石英中也发现了显著比例的锗。
图 1：在包含石英、闪锌矿和异极矿的风化矿山废料堆中测量了锗浓度。锗的主要宿主是异极矿。根据 [2] 调整。
为了研究锗的分布情况，他们使用了 Delmic SPARC 阴极发光 (CL) 检测器。使用蓝色、绿色和红色通道的滤光轮以及光电倍增管 (PMT) 探测器获取 CL 图像。他们发现，在闪锌矿中，红色与锗含量存在相关性。因此，他们可以轻松得出锗的复杂化学分带图像（图 2）。接着，他们可以选择锗含量不同的闪锌矿区域，进行基于同步加速器的 μ-XRF 图谱识别、EMPA 点位分析和 XANES 分析，测量锗浓度、氧化态和键合。他们还对异极矿中的锗进行了这些测量，异极矿有两种不同的形态：小部分是“大块”，大部分是“针状颗粒“。后者是风化形成，是锗的主要宿主。
图 2：锗在矿山废料样本中的分布情况。A) 包含闪锌矿 (sph)、异极矿 (hemi) 和石英 (qtz) 的矿山废料样本的后向散射图。B) 使用 SPARC CL 探测器在闪锌矿中测量了锗的复杂化学分带。这用于为 C) 闪锌矿和 D) 异极矿的 μ-XRF 图谱识别和 EMPA 点位分析选择区域。取自 [2]。
这些结果表明，风化作用将锗的主要宿主从闪锌矿改变为异极矿。
因此，很显然，未来回收锗时还应该考虑异极矿。异极矿的“针状颗粒“结构有很大的表面积，因此容易松动、瓦解。这可能有利于锗回收，但也可能造成潜在的健康风险。因此需要进一步的研究。
在此研究中，研究人员对锗的特性有了新的认识。使用阴极发光探测技术，他们可轻松查看矿物中的锗分布情况，选择区域进一步分析，深入了解锗的特性。此研究为地球科学领域提供了创新的探测方法，也为锗回收提供了令人激动的新机会。
参考资料
[1] Curtolo et al., Journal of Crystallization Process and Technology, 7, 65-84, (2017)
[2] White et al., Applied Geochemistry, 143, (2022)