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能吃的矿石——石膏
作者:王成锡 王斌 梁婉娟  来源:中国地质调查局发展研究中心  发布日期:2020-10-22  点击:

  石膏豆腐由来
  据记载,公元前164年,汉高祖刘邦的孙子刘安,在十六岁的时候承袭父亲的封号为淮南王,建都寿春,即今天的安徽寿县。一天有八公登门求见,门吏一见大惊,急忙禀告淮南王。刘安一听,顾不上穿鞋,赤脚相迎。八位又变回老者。恭请入内上坐后,刘安拜问他们姓名。原来是文五常、武七德、枝百英、寿千龄、叶万椿、鸣九皋、修三田、岑一峰八人。八公一一介绍了自己的本领:画地为河、撮土成山、摆布蛟龙、驱使鬼神、来去无踪、千变万化、呼风唤雨、点石成金等。刘安看罢大喜,立刻拜八公为师,一同在都城北门外的山中苦心修炼长生不老仙丹。
  当时淮南一带盛产优质大豆,山民自古就有用山上珍珠泉水磨出的豆浆作为饮料的习惯,刘安每天早晨总爱喝上一碗。一天,刘安端着一碗豆浆,在炉旁看炼丹出神,竟忘了手中端着的豆浆碗,手一撒,豆浆泼到了炉旁供炼丹的一小块石膏上。突然,那块石膏不见了,液体的豆浆却变成了一摊白生生、嫩嘟嘟的东西。八公中的修三田大胆地尝了尝,觉得很是美味可口。可惜太少了,能不能再造出一些让大家来尝尝呢,刘安就让人把他没喝完的豆浆连锅一起端来,把石膏碾碎搅拌到豆浆里,一时,又结出了一锅白生生、嫩嘟嘟的东西。刘安连呼“离奇、离奇”。这就是八公山豆腐初名“黎祁”,盖“离奇”的谐音。后来,仙丹炼成,刘安依八公所言,登山大祭,埋金地中,白日升天,有的鸡犬舔食了炼丹炉中剩余的丹药,也都跟着升天而去,流传下来了“一人得道,鸡犬升天”的神话;也留下了恩惠后人的八公山豆腐。从此,石膏与豆腐“联姻”,凡做豆腐者必“点”以石膏,这种方法一直沿袭至今。

  图1 八公山豆腐制作流程
  (图片来源:搜狐网)
  石膏的最初发现与利用
  人类对石膏的认识可以追溯到一万年前,考古发现,在新时期时代的先民,就已经开始用石膏制作容器。在甘肃省秦安县大地湾出土的仰韶文化时期的陶片上使用的白颜料,距今已有五千年的历史了。敦煌莫高窟、天水麦积山石窟壁画的颜料经分析,发现壁画中的白色颜料大都使用了石膏。
  图2 三鱼纹彩陶盆(仰韶文化)(图片来源:百度百科)
  图3 敦煌莫高窟壁画飞天图(图片来源:百度)
  公元前7000年,在安纳托利亚(现在在土耳其境内),石膏材料就被用于室内装饰。后来也在使用楔形文字的苏米尔人和巴比伦人找到石膏的使用证据,比如在公元前6000年的杰里科(现在在以色列境内),还有公元前3000年的乌鲁克(现在在伊拉克境内)。在后来在古埃及,石膏材料被混入砂浆中砌石使用,比如在建造建造狮身人面像的时候(公元前2700)。
  石膏的性质及赋存状态
  石膏主要由硫酸钙和结晶水组成,是一种非金属矿物。根据石膏中含有结晶水的多少可以分为以3种。石膏在水中的溶解度比较小,最大溶解度发生在35~50℃,石膏容易受到溶液中盐而影响其溶解度,其中碳酸氢钙和硫酸钠的盐会降低石膏的溶解度,而其他盐则会增加石膏的溶解度。石膏的矿物晶体多以层状,棱柱状,纤维状或块状形式存在。在我国内蒙阿拉善盟、甘肃民勤县等沙漠地带,可见有一种独特的燕尾双晶复方晶体结构,由于它的形状酷似玫瑰而得名“沙漠玫瑰”。
  表1 石膏矿物的种类及其特性
矿物名称 化学式 颜色 物理化学特征 用途
无水石膏
(硬石膏)
CaSO4 无色
白色
正交(斜方)晶系,晶体呈柱状或厚板状;集合体呈块状或纤维状。因含杂质而呈浅灰色、浅蓝色或浅红色。具有玻璃光泽、丝绢光泽,具三组相互垂直的解理,可裂成长方形解理块。硬度3-3.5,密度2.9-3.0g/cm³。 医药、室内粉刷、制备新型胶结料
二水石膏
(天然石膏)
CaSO4·2H2O 白色 一般为白色粉状晶体,因含杂质而成灰、浅黄、浅褐等色,水溶性2.08/L,密度2.31~2.33g/cm³。 缓凝剂、石膏粉、土地改良剂等
半水石膏
(烧石膏)
CaSO4·1/2H2O 无色
白色
晶体呈显微针状,似石膏假象,也呈块状。似玻璃光泽,不透明,硬度约为2,密度2.55~2.67g /cm³。 磨光粉、纸张填充物、石膏绷带等
  生活中石膏的主要用途
  在生活中,石膏的用途极为广泛。透明完好的石膏晶体还可用于光学仪器。我国及发展中国家的石膏用于水泥工业,印度等国的石膏主要用于农业,美国、法国等发达国家的石膏用于建筑业。
  在建筑业中,按一定比例将硬石膏粉参入水泥中可以调节水泥的凝固时间增加水泥的强度。还有人们身边常见的室内抹灰、粉刷建筑和石膏板等。用加水的石膏、砂及缓凝剂拌合成石膏砂浆,用于室内抹灰,抹灰后的表面光滑、细腻、洁白美观。石膏砂浆也可以作为油漆等的打底层,并可直接涂刷油漆或粘贴墙布或墙纸等。建筑石膏加水及缓凝剂拌合成石膏浆体,可作为室内粉刷涂料。我国生产中的石膏板主要有纸面石膏板、无纸面石膏板、装饰石膏板、石膏空心条板、纤维石膏板、石膏吸音板、定位点石膏板等。
  在工业中,石膏在缺乏供硫资源时,可用于制造硫酸和硫酸铵,也可用于艺术模型、硫酸生产、纸张填料、油漆、粉笔。其中粉笔是人们生活中广为使用的工具,一般多用于在黑板上书写。粉笔的主要成分是硫酸钙,是一种白色沉淀物,不容易被分解,颗粒比粉尘大。国内使用的粉笔主要有普通粉笔和无尘粉笔两种,其主要成分均为碳酸钙(石灰石)和硫酸钙(石膏),或含少量的氧化钙。石膏在传统模具制作中同样不可或缺,多以注浆成型为主的浇铸生产中的基础材料一成型模具已成为制约浇铸造型、规整度、劳动生产率和生产成本的重要因素。
  在农业中,石膏脱硫后可以做为农业肥料,能改良碱性土壤,多用于一般中性或酸性土壤,可以改善土壤结构,供给钙和硫成分。脱硫石膏中含有丰富的S、Ca、Si等,这些物质是植物必需或有益的矿质营养。钙是排在N、P、K、S之后的第5种营养元素,它可以增强作物对病虫害的抵抗能力,使作物茎叶粗壮、籽粒饱满,增施钙肥可以显著提高作物的产量与品质。对于碱化土壤,由于土壤胶体中含有过量的代换性钠离子、可溶性碳酸盐(以NaHCO3(俗称小苏打)和Na2CO3(碳酸钠)形式存在),土壤的pH值较高,土壤粘粒扩散,土壤对水和空气的渗透性降低,脱硫石膏改良碱化土壤的关键就是直接提供二价阳离子(Ca2+、Mg2+)来置换土壤胶体中的交换性Na+,降低碱化土壤的碱化度、pH值、钠吸附比等,并使土壤溶液中Ca2+ 浓度增加,从而起到改良的作用。
  石膏在食品中的应用已经有了几千年的历史,在中国最初的应用就是大家普遍熟悉的点豆腐,随着社会的发展,被实践严格检验的安全、无毒的食品添加剂硫酸钙(食用石膏)在食用工业中的应用越来越广泛。在食品中的用途包括:营养剂,酵母激活剂,面团性质改性剂,固化剂,螯和剂,胶凝剂,发酵粉, pH调节剂,研磨剂等。作为固化剂时,则多用在罐装马铃薯、西红柿、胡萝卜、菜豆和胡椒粉中。食用石膏也被作为一种成分用于糖果蜜饯,冰激凌和其他冷冻的甜品中。食用石膏还被用在啤酒酿造中,在麦芽处理过程中添加此产品作为增加水中钙离子的含量。它在与食品接触的清洗剂中还被用作研磨剂。
  在化学石膏领域,人们把二水石膏在一定的条件下长成的单晶,类似棉花丝的形状短纤维,叫做晶须,又称石膏纤维。石膏晶须被大量用在纸张上,利用石膏晶须去替代木纤维,则更环保;也可以用在橡胶里面,替代生胶,或者放在刹车片里面,便是摩擦材料;还可以用在塑料里面来替代塑料纤维。今后,随着我国社会经济的快速发展,石膏的用途将越来越广泛。
  图4 石膏晶须
  (图片来源:百度百科)
  在观赏石行业中,晶型完好且造型独特的石膏,作为矿物晶体观赏石,深受人们喜爱在观赏石市场有良好的销路,例如沙漠玫瑰。
  最值得一提的是,石膏不仅可食用,还可以入药。在中药中则是一味清火良药。《本草纲目》、《神农本草经》和《开宝本草》等书中均记载:石膏,性辛、甘、大寒,归肺、胃经,可养阴清热,除烦止渴,活血止痛,收敛生肌。
  图5 沙漠玫瑰(石膏)
  (图片来源:中国地质博物馆)
  图6 天然石膏
  (图片来源:百度知道)
  石膏与人类生活的关系
  人们每天都使用石膏,但却不知道含有石膏。我国已批准将其用作食品中的稳定剂和凝固剂、增稠剂、酸度调节剂用于下列食品:如豆类制品(按需添加),面包、糕点、饼干(最大使用量10g/kg),腌腊肉制品(最大使用量5g/kg),肉灌肠类(最大使用量3g/kg)。在食品上使用石膏时,需要按相关规范添加,添加过多则会导致胃胀等身体上的不适。
  石膏也可用于工艺美术、化妆品、药物、牙膏以及外科和矫形模型中。园丁使用石膏作为土壤的天然添加剂,以提高其可加工性和保持水分的能力,降低土壤碱度的腐蚀性也是一个有利的特征。但是尽管如此,如果处理不当,石膏会对皮肤,眼睛,粘膜和上呼吸系统造成刺激。刺激症状包括流鼻血,鼻漏(排出粘液稀薄),咳嗽和打喷嚏。
  任何东西都不是十全十美,包括石膏也是一样。但提起石膏,就必须得说下厌氧细菌,它是一种常见的细菌,多存在于未正确加工的石膏中。当石膏变湿时,细菌会与水中的氧气一起作用,并将硫酸钙转化为硫化钙,产生一种叫做硫化氢的有毒气体,这种气体与臭鸡蛋味道类似,令人难闻。它会影响呼吸系统,引发皮肤疾病,引起眼睛发炎,将危害身体健康。最开始症状会呼吸短促、喘息等;若长时间接触硫化氢气体,则会导致呼吸衰竭,昏迷甚至死亡。
  石膏矿储量及开采
  世界上,石膏分布较为广泛,主要分布在中国、美国、加拿大、巴西、印度、土耳其、伊朗等国。中国石膏矿产资源储量丰富,分布广,类型多,储量居世界前列。截止2016年底,全国石膏查明资源储量1000亿吨,主要分布于山东、内蒙古、青海、湖南、湖北、宁夏、西藏、安徽、江苏和四川等23个省。中国的石膏矿床按形成地质环境和地质条件分为三大类型:沉积矿床(约占已探明储量87%),后生矿床(约占已探明储量6%),热液交代矿床(约占已探明储量7%)等3类。其中以沉积类型的石膏矿床为主,沉积矿床又分为海相沉积和湖相沉积,海相沉积约占已探明储量的49%,该类矿床规模以大、中型为主;湖相沉积型矿床约占已探明储量的38%,该类矿床规模以中、小型为主,零散分布。
  在100多年前,人们发现,通过简单的烧制方法,就能把石膏矿变成一种应用材料,而正式开始了对石膏研究利用。自然界中开采的石膏多为二水石膏和硬石膏。二水石膏加热到105~108℃时,首先会排出一个水分子,随后立即排出半个水分子,转变成了半水石膏也称熟石膏;当加热到200-220℃时,排出剩余的半个水分子,可转变成了Ⅲ型硬石膏,约350℃时,转变为Ⅱ型硬石膏,1120℃时转变为Ⅰ型硬石膏。石膏的熔融温度为1450℃。通过这个方法,石膏便可以无限地循环使用。
  我国石膏矿的开采方法,有露天开采法和地下开采法,但主要是地下开采法。露天开采的矿山有宁夏甘塘石膏矿、甘肃景泰石膏矿、青海西宁石膏矿、四川大为石膏矿等,规模都不大。根据石膏的开采的工艺可分为两类:一是纤维石膏矿的开采;二是雪花石膏、普通石膏矿和硬石膏矿的开采。这两类石膏矿由于矿石及围岩物理力学性质差异,开采工艺差异甚大。
  纤维石膏的硬度小,当采矿工具平等石膏纤维时较易开采,垂直石膏纤维时,相比平行时更坚固,且性脆,容易变成粉矿而损耗。由于矿石价格较高,国内的主要纤维石膏矿多采用长壁选别充填采矿法。选别落矿开采炮眼不得布置在纤维石膏带上,割岩机不能在纤维石膏带中掏槽,落矿后在工作面人工选别,将矸石充填在采空区,矿石装入矿车。
  雪花石膏矿、普通石膏矿和硬石膏矿开采工艺类似。根据矿床类型的不同和矿体产状的不同,采矿方法也略有不同,一般都采用房柱法和全面法,但需要结合实际矿床和矿石特点来选择合适的采矿方法。
  图7 充填采矿法采集的纤维石膏
 

 
 
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