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万“钴”不枯

文章转载自“地球杂志”

钴尖晶石

钴是一种被冤枉的金属。

为什么这么说呢?

这就要提到钴的英文名称cobalt,这个词来源于德文,是妖魔的意思。钴会被赋予这样一个名字,背后有着一个故事:矿工在采集以及提炼钴矿石的过程中,常常因为吸入其中产生的气体,导致生病甚至中毒。

其实这种气体是砷矿物引起的,而当时人们并没有认识到这一点,所以妖魔的名号就给了钴。这个黑锅钴一直背了几百年,直到砷矿物被发现。

今天就来认识一下这个“倒霉”的金属。

钴元素

元素钴在化学周期表中排27号,是一种金属元素,质地硬而脆。其熔点达到1500摄氏度左右,沸点约3100摄氏度,相对密度8.9,摩氏硬度5~5.5。

钴有很多特性,其在高温下能够保持较高的强度,并且具有较低的导热性和导电性以及较强的铁磁性。

钴的本“色”

自然界含钴的矿物大约有100多种,重要矿物有硫钴矿、辉砷钴矿、砷钴矿、钴华等。其中钴华(化学成分为砷酸钴)是一种桃红色的美丽矿物,被加热时可以变为蓝色。

钴华

方钴矿

而这两种颜色与钴还有很深的关系。

钴作为一种杂质元素混入矿物或者宝石当中时,可以形成一些特殊的色彩。比如蓝宝石含钴会呈现蓝色或蓝绿色;巴西maxixe矿出产的海蓝宝石因含钴而呈现天然的钴蓝色;斯里兰卡出产的钴尖晶石,因为浓郁而明亮的蓝色而更显珍贵。

而对于方解石或者白云石来说,含有一定量的钴则表现出不同的结果,它们会表现为美丽的粉红色或玫瑰红色,非常诱人。

蓝宝石图片来源:GIA

这么多含有钴的矿物是蓝色系的,为什么方解石含钴却会表现为红色呢?其实彩色矿物或宝石的颜色,不仅仅跟特定的致色元素比如钴、铬等的种类和含量有关,还受矿物本身的晶体结构中原子或离子的排列方式影响。

钴方解石

这种现象在其他致色离子的矿物中也有类似的表现,比如红宝石含有铬时会呈现红色调,而祖母绿含铬时却呈现绿色调。

对于钴尖晶石来说,其结构中不仅含有钴,还含有铁和锌等元素,其独特的钴蓝色可能为三种以上元素共同作用而形成的结果。

钴还被用于处理颜色净度较差的宝石,比如利用钴扩散处理方法,可以将暗蓝色的宝石变为鲜艳的天蓝色。还有就是利用放射性同位素钴-60产生的伽玛射线作辐射源,辐照一定时间,就会使得原本无色或色彩暗淡污浊的矿物呈现为靓丽的蓝色,而且射线的强度越大,辐照的时间越长,改色的效果也会越好,颜色也会越深。比如无色黄玉经过钴-60辐照处理后,在经过中温加热退火处理后可以转变为蓝色黄玉。

尖晶石

钴的用处

古代的人们早已发现钴与蓝色的秘密,钴被用作颜料的历史在西方可以追溯到古埃及时期。在埃及法老图坦卡蒙的墓穴中有一小块玻璃器物,后来检测其深蓝色是因为存在钴的缘故。古希腊人和古罗马人曾利用钴化合物制造有色玻璃,这种玻璃会表现出美丽的深蓝色。

而在中国,钴及其化合物也有悠久的颜料使用史。唐朝著名的唐三彩,元代的青花瓷,明代的景泰蓝无不与含钴的釉料有关,而这种钴颜料制造出的蓝色不仅着色率强、发色鲜艳而且呈色稳定、历久弥新。

中国景泰蓝瓷器

这些历史事实都说明,钴作为颜料,早在古代已被人们发现和使用。前面提到的钴作为颜料主要为蓝色,其实钴还有其他两种颜料:钴紫颜料和钴黑颜料。

钴蓝化学成分为铝酸钴,是铝和氧化钴反应生成的一种颜料,表现为蓝色或蓝绿色调。这种颜料有着鲜明的色泽,高强度的着色能力,极强的耐酸碱性,较高耐热程度,被大量作为陶瓷、珐琅、玻璃等许多材料的着色剂使用。日常生活中见到的食品用硅胶干燥剂中就加入了氧化钴,无水时表现为蓝色,在吸取空气中的水后变为粉红色。

水钴矿

钴紫颜料也常被用于陶瓷、玻璃等的颜料,其成分为磷酸钴,为一种特殊的紫色颜料。

钴黑颜料有铁钴黑和铁钴铬黑两种,主要用于陶瓷坯体和釉料的着色,是由多种金属氧化物经过高温固相反应而生成的高性能无机颜料,具有环保无毒的优点。

钴的本领

除了被用于颜料外,钴在制作电池材料、超级合金、硬质合金、磁性材料中也有广泛应用。钴-60作为一种广为使用的放射性材料用于医学放射检查与治疗。现在,钴及其合金在机械、化工、航空航天等行业也都得到了广泛的应用,已经成为一种重要的战略金属。

制造电池设备是目前钴最重要的用途,使用量占到全部钴使用量的40%。钴主要用来制作锂离子电池的钴酸锂,镍氢电池的氧化亚钴等。含钴材料是目前最好也是最为稳定的锂电池正极材料,是电池的核心之一,具有能量密度高和环保安全性高的特点。

含钴材料是目前最好也是最为稳定的锂电池正极材料

三元锂电池是指使用镍钴锰或者镍钴铝酸盐等三元材料为电池正极的锂电池。相对于传统锂电池,三元锂电池具有综合性能和低成本的双重优势,已经成为现今最被关注和认同的产品。

一方面由于钴是电池材料中最昂贵的金属材料之一,价格高居不下,另一方面钴作为稀缺资源,高度集中于个别国家,价格波动较大,影响新能源趋势的发展,所以现在已经有许多厂商在研究无钴电池。

钴常被添加到钢或者其他合金当中,可以明显提高合金的坚硬程度、耐磨程度、抗冲击性能和韧性。

钴是一种被磁化之后就能长期保持磁性的金属。钴的这种优越磁性,使之被大量应用于制造高性能磁性材料。这种用途的钴使用量大概占到总使用量的5%左右。高钴含量的磁性钢比一般磁性钢的磁力密度更高,而且在高温条件下这种磁性也不会轻易丧失。大型的永久磁体大多为含钴合金,其中常用的是一种叫作阿尔尼克的合金材料,它是由钴、镍、铝制造的坚硬合金。

钴在医疗领域也有多方面的应用,钴-60放射性同位素被用来治疗人体的皮肤病和恶性肿瘤;维生素B12(钴胺素)中钴的含量更是高达4.5%;

维生素B12是一类含钴的复杂有机化合物

钴被用于制造人工髋关节和膝关节以及牙料填充剂。具有放射性的钴同位素还被广泛应用于辐照食品加工行业,通过这种辐照技术可以杀死有害的细菌。

钴的来源

钴矿床的成因大致可以分为岩浆型、热液型、沉积型、风化壳型等四大类。以岩浆型为主,占钴矿总量的65%以上。岩浆矿床是岩浆在上升冷却过程中,通过结晶作用与分异作用,使含钴矿物聚集在一起而形成的矿床。

钴白云石

热液矿床是指含矿热水溶液在与周围岩石混合的过程中,遇到合适的地层或构造缝隙时冷却凝固形成的钴矿床。

沉积矿床为在地表环境中,含矿物质被自然环境中的营力包括流水、风、冰川等作用风化剥蚀,并在恰当的地方聚集形成的矿床。

风化壳矿床是一种残留矿床,指岩石受到长期风化作用的剥蚀,不稳定的物质大多被搬运到别处,剩下的成矿物质相对富集形成的矿床。

钴矿在全球有着重要地位,但是陆地上的钴资源分布非常不均衡,陆地钴矿探明总储量的80%以上都分布在刚果(金)、澳大利亚、古巴、赞比亚、菲律宾等少数几个国家。其中刚果(金)是全球钴矿资源储量最丰富的国家,大约占到全世界总储量一半,澳大利亚和古巴则分列二三位,前三个国家的占比达到四分之三。

钴华

中国钴矿资源缺乏,少有独立成矿,多与铁、镍、铜等矿床伴生,且品类较低。我国伴生钴的回收效率低,工艺手段较落后,使得钴成为一种需要长期依赖进口的原材料。要解决这一依赖性较强的资源劣势,一方面是要从海洋中寻找和提炼钴资源,另一方面是提高钴矿的利用率和钴材料回收的技术手段。



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原文地址《 万“钴”不枯》发布于2022-3-9
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