鈷：小金屬 大用途
◎? 趙 超
鈷是一種銀白色金屬,，具有鐵磁性,、延展性,，耐高溫,、耐腐蝕，因其良好的物理,、化學(xué)及機(jī)械加工性能而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造,、電子電器、航空航天,、電池制造等行業(yè),，是國家重要的戰(zhàn)略資源,，素有“工業(yè)味精”和“工業(yè)牙齒”之稱。
鈷元素簡介
鈷元素符號Co,，原子序數(shù)27,，相對原子量58.93，密度8.9g/cm3,，硬度5.6,，熔點(diǎn)1495℃，沸點(diǎn)2870℃,，為銀白色金屬，具有鐵磁性,、延展性,。在硬度、抗拉強(qiáng)度,、機(jī)械加工性能等方面與鐵和鎳相似,，鈷基合金和含鈷合金具有較好的耐熱性、耐磨損,、抗腐蝕性,，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。鈷的分布廣泛,，在鐵,、鎳、銅等礦石中都含有微量的鈷,，天然水,、泥土、植物中也發(fā)現(xiàn)有鈷的蹤跡,，獨(dú)立的鈷礦物極為少見,，在地殼中含量僅為0.0023%，鈷是一種非常稀缺的小金屬資源,，是重要的戰(zhàn)略性資源之一,。
自然界中的鈷
鈷在自然界中主要以三種形式存在：一是含有鈷的獨(dú)立礦物，如輝砷鈷礦,、硫鈷礦,、鈷華等礦物，這類礦物鈷含量最高,；二是“鑲嵌”在黃鐵礦,、磁黃鐵礦等硫化物晶體結(jié)構(gòu)中的鈷；三是以鈷離子狀態(tài)吸附在某些礦物表面,，其中以第二種存在形式最為普遍,。地球上已發(fā)現(xiàn)的含鈷礦物約有100多種,，主要的鈷礦物有：硫鈷、纖維柱石,、輝砷鈷礦,、砷鈷礦、鈷華等,。
鈷多以伴生的形式存在于其他金屬礦床中,，主要在砂巖型銅礦床、巖漿型銅鎳礦床和紅土型鎳礦床中,，鈷資源儲(chǔ)量中鎳鈷伴生占50%,，銅鈷伴生占44%，原生鈷僅占6%,。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）數(shù)據(jù)顯示,，2020年全球鈷資源儲(chǔ)量約為700萬噸，剛果(金)是最大的資源國,，鈷資源儲(chǔ)量360萬噸,，約占全球總儲(chǔ)量的50%；其次是澳大利亞,，鈷資源儲(chǔ)量140萬噸,，占比約為20%；我國鈷資源儲(chǔ)量約8萬噸,，僅占全球總儲(chǔ)量的1.12%,。
鈷華
鈷的產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程
德國和挪威是最早生產(chǎn)鈷的兩個(gè)國家，初期只是少量生產(chǎn)不成規(guī)模,，1874年新喀里多尼亞才開始開發(fā)鈷礦,，1903年~1909加拿大開始大量開發(fā)鈷礦，使鈷的世界產(chǎn)量由16噸增至1553噸,。1920年剛果（金）加丹加省銅鈷礦開發(fā)后,，其鈷的產(chǎn)量一直位于世界首位，贊比亞鈷產(chǎn)量居世界第二位,。1933年摩洛哥開始從事砷鈷礦的開發(fā)利用,，為世界第三大鈷生產(chǎn)國。
鈷在我國的生產(chǎn)利用起步較晚,。1954年,，沈陽冶煉廠以鋅鈷渣為原料生產(chǎn)鈷，自此拉開了我國鈷生產(chǎn)的序幕,。該廠通過還原溶解,、氧化沉淀產(chǎn)出含鈷30%~40%的氫氧化鈷，再經(jīng)焙燒、電爐熔煉,、電解精煉得到金屬鈷,。1958年，地質(zhì)學(xué)家在甘肅金昌市發(fā)現(xiàn)了金川鎳礦,，是我國三大多金屬共生礦之一,，以鎳礦為主，伴生有鈷,、銅等,，鈷產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的70%以上，成為我國重要的鈷生產(chǎn)基地,。我國鈷資源儲(chǔ)量雖然缺乏,，但精煉鈷的產(chǎn)量在全球市場占比卻達(dá)到67%。國內(nèi)鈷生產(chǎn)原料主要來自剛果（金）等國的鈷精礦或鈷礦中間產(chǎn)品,。
鈷在現(xiàn)代社會(huì)中的應(yīng)用
目前,，鈷主要用于制造磁性材料、超級合金,、航天器,、電池材料等,，同時(shí)在醫(yī)療行業(yè)也有廣泛使用,。
磁性材料是重要的功能性材料，在電子工業(yè)和高科技制造領(lǐng)域有著非常重要的作用,。鈷是只需磁化一次就能長久保持磁性的金屬之一,。在熱作用下，失去磁性的溫度叫做居里點(diǎn),，鐵的居里點(diǎn)為769℃,，而鈷可達(dá)1150℃。在相同環(huán)境下,，含鈷的磁性材料能保持較為穩(wěn)定的磁性,，因此被大量應(yīng)用于高性能磁性材料的制造。鈷具有很好的耐高溫,、耐腐蝕性,，是制造優(yōu)質(zhì)合金的重要材料。刀具鋼中含有一定量的鈷,，可以明顯提高它的耐磨性和切削性能,。含鈷50%以上的合金，在1000℃下還能保持原有的硬度,，是制造高溫噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī),、航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)的重要材料,，廣泛應(yīng)用于航空航天和國防現(xiàn)代化建設(shè)中,。
1979年,，鈷酸鋰電池誕生，鈷首次應(yīng)用在了充電電池領(lǐng)域,。因?yàn)樗鼉?yōu)秀的安全性,，被廣泛應(yīng)用在智能手機(jī)、平板電腦,、筆記本電腦,、智能穿戴設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備和電動(dòng)自行車上,，從而開啟了一個(gè)全新的時(shí)代,。近些年隨著新能源汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，電池技術(shù)不斷實(shí)現(xiàn)突破,，大家所熟知的三元鋰電池廣泛應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域,，鈷是該電池正極核心材料之一。
鈷在醫(yī)療領(lǐng)域中也有廣泛應(yīng)用,，鈷的放射性同位素鈷60常作為放射源治療癌癥,，現(xiàn)階段鈷60治療機(jī)已成為我國腫瘤放療重要設(shè)備之一。在青霉素中加入適量的鈷,，可以提高其療效,，在人工關(guān)節(jié)材料和牙料填充劑中，也會(huì)用到鈷,。此外,，鈷也是人體所必需的微量元素之一，成年人體內(nèi)大約含有1.1毫克,，廣泛分布于全身,，它是維生素B12的重要組成部分，可幫助人體產(chǎn)生紅細(xì)胞,。人體缺乏鈷會(huì)導(dǎo)致食欲不振,、惡性貧血、乏力等癥狀,。當(dāng)然,，人體若攝入過量的鈷也會(huì)引起鈷中毒，會(huì)引發(fā)紅細(xì)胞過多癥,、甲狀腺增生,、神經(jīng)性耳聾等。
隨著新能源汽車不斷普及,，電子產(chǎn)品產(chǎn)量不斷增長,，電池領(lǐng)域成為鈷消費(fèi)增長最快的領(lǐng)域。2021年，全球鈷消費(fèi)總量約17.5萬噸,，其中電池領(lǐng)域占比66%,，位居第一；高溫合金和硬質(zhì)合金分別占比7%,，位居第二,；聚酯纖維占比4%，位居第三,。
根據(jù)安泰科統(tǒng)計(jì),，2021年我國鈷的消費(fèi)量約11.5萬噸，其中電池領(lǐng)域占比87%,，位居第一,；硬質(zhì)合金占比4%，位居第二,；陶瓷占比3%,，位居第三。我國鈷的消費(fèi)總量約占全球總消費(fèi)量的66%,，是名副其實(shí)的第一大鈷消費(fèi)國,。
金川鎳礦采礦區(qū)
對鈷資源利用的展望
隨著世界科技進(jìn)步，鈷在現(xiàn)代工業(yè)體系中發(fā)揮著不可替代的作用,。美國和歐盟都將鈷列入,，影響國家和地區(qū)安全及未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵性礦物和材料清單，我國也將鈷列為戰(zhàn)略性礦產(chǎn)名錄,。目前,，按照各國新能源汽車發(fā)展規(guī)劃,，全球鈷資源量將面臨供給短缺的風(fēng)險(xiǎn),。尤其我國是第一大消費(fèi)國，面對鈷資源緊缺的現(xiàn)狀,，為保障國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)需求,，我國鈷礦需要有充足的資源保障才會(huì)在發(fā)展中不被“卡脖子”。目前,，自然資源部已全面啟動(dòng)新一輪找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng),，重點(diǎn)圍繞緊缺和戰(zhàn)略性礦產(chǎn)，加強(qiáng)國內(nèi)勘查開發(fā),，加大鋰,、鈷、鎳,、油氣等礦產(chǎn)找礦力度,，全力保障國家能源資源安全。
隨著鈷的回收利用技術(shù)不斷成熟，循環(huán)再利用也成為鈷供給的重要途徑,。目前,，很多資源回收企業(yè)從廢舊電池中提取鈷，一定程度上緩解鈷資源供給緊張的狀況,。2018年,，工信部等多部委聯(lián)合發(fā)布《新能源汽車動(dòng)力蓄電池回收利用管理暫行辦法》，為廢舊電池回收和提煉鈷等資源提供了政策扶持和保障,。從理論上講,，如果所有被消費(fèi)的含鈷電池都能被回收利用，那么到2030年,，全球每年只需10萬噸的供應(yīng)量就能滿足生產(chǎn)需求,。然而目前全球電池回收率僅為25%~50%，還有很大的提升空間,。為更高效地進(jìn)行資源回收利用,，減少對自然環(huán)境的破壞，我們一定要做好垃圾分類,，將廢舊的含鈷電池投放到電池回收桶中,，這樣既能避免環(huán)境污染，又能為保障國家戰(zhàn)略安全貢獻(xiàn)力量,。
（作者單位：中國地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心）
從“惡魔”到“寶貝”
鈷的英文名為“Cobalt”,，來源于德文的“Kobold”，意為“惡魔,、壞精靈”,。1733年，在德國薩克森州的一座銀銅礦開采過程中,，礦工們發(fā)現(xiàn)了一種外表類似于銀的礦石,，他們便拿來冶煉，沒想到在此過程中有很多工人因此而喪命,，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為這是“惡魔”在作祟,。由于這個(gè)歷史緣故，鈷被賦予了“惡魔”之名,。后來科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn),，這種銀白色的礦石主要成分是輝砷鈷礦（CoAsS），該礦物在高溫下會(huì)釋放出含有砷的有毒氣體,，這才是造成工人死亡的元兇,，自此鈷才逐漸擺脫了“惡魔”的罪名，但“惡魔”的叫法卻沿用至今,。
1753年,，瑞典化學(xué)家布蘭特（G.Brandt）從輝鈷砷礦中分離出銀灰色帶有淺玫色金屬,，是純度較高的鈷。因此布蘭特被人們認(rèn)為是鈷的發(fā)現(xiàn)者,。1780年,，瑞典化學(xué)家伯格曼（T.Bergman）在實(shí)驗(yàn)室提純得到純度較高的鈷，并確定為金屬元素,。1789年,，法國著名化學(xué)家拉瓦錫首次將鈷列入元素周期表中。
其實(shí),，鈷在人類生活中的應(yīng)用至少有3000多年的歷史,。古羅馬和古希臘人曾用鈷的化合物來制作深藍(lán)色玻璃，同一時(shí)期,，在我國唐朝的唐三彩器物中彩色瓷器上的藍(lán)色就是以含鈷礦物作為著色顏料,，在古埃及圖坦卡蒙法老的墳?zāi)怪邪l(fā)現(xiàn)了一塊用鈷的化合物染成深藍(lán)色的玻璃器物。
青花瓷是我國古代瓷器的經(jīng)典代表,，成熟的青花瓷出現(xiàn)在元代景德鎮(zhèn),，到明代青花瓷成為瓷器的主流。青花瓷上的“青花”就是以鈷料（含氧化鈷）為原料,，在瓷坯上描繪圖案,，再罩上透明釉經(jīng)高溫?zé)坪蠖伞?/p>
鈷藍(lán)是一種帶綠光的藍(lán)色粉末，從19世紀(jì)開始逐漸成為藍(lán)色顏料的重要成員,。因其耐熱,、耐光、耐腐蝕且顏色鮮亮獨(dú)特,，深受歐洲后印象派畫家的喜愛,，如梵高的著名油畫《星月夜》就是用鈷藍(lán)繪畫的藍(lán)色夜空。
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