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    “鈷”為今用

    2021-1-26 8:26:14 來源:中國礦業報 作者:盧宜冠

    即便在礦業開發高度發達的今天,在廣袤的非洲土地上,人們仍在冒著危害健康的風險,從事著手工鈷開采的勞動,用以換取每天的糧食。它不僅是剛果(金)人賴以生存的“原材料”,更是與之相關的資本市場風向標,更可能是決定著未來新能源產業走向的關鍵元素。除了電池產業外,鈷還在制取合金、顏料、醫療、航空航天等多個領域發揮著關鍵作用。這個目前被廣泛應用的稀有金屬,還有著一段不為人知的故事。

    地下“惡魔”

    在鈷進入科學家的視野之前,一個有趣的“誤會”推進了科學家對鈷的研究。數百年前,德國薩克森州有一個規模很大的銀銅多金屬礦床開采中心,礦工們發現一種外表似銀的礦石,在冶煉過程中,工人因二氧化硫、砷等毒氣中毒,未完成提煉金屬的任務。當時的人們認為這是“地下惡魔”作祟,便在教堂里誦讀祈禱文,為工人解脫“地下惡魔”迫害。這個“惡魔”其實是輝鈷礦(含鈷的藍色礦石輝鈷礦,首先出現在16世紀德國礦物學家阿格里科拉的著作里)。因為這個緣故,鈷被無辜地叫成了“惡魔”,并沿用至今。

    1780年,瑞典化學家伯格曼制得純鈷,確定鈷為金屬元素。至此,“惡魔”之謎也終于被揭示,其實鈷對人體沒有顯著傷害,而是含鈷30%左右的輝鈷礦加熱后生成的硫或砷的化合物都有劇毒。到1789年,拉瓦錫首次把鈷列入元素周期表中。鈷金屬(元素符號Co)呈銀白色,熔點1495攝氏度,沸點2870攝氏度,密度8.9g/cm3,質地硬而脆,有鐵磁性,加熱到1150攝氏度時磁性消失。常溫下不和水作用,在潮濕的空氣中也很穩定。在空氣中加熱至300℃以上時氧化生成CoO,在白熱時燃燒成Co3O4。因為特殊的物理化學性質,鈷是生產耐熱合金、硬質合金、防腐合金和磁性合金的重要原料。

    鈷的“前世今生”

    地球上鈷分布不均一,由地核向地殼迅速遞減。地核中鈷含量為0.25%,到上地幔減至0.01%,再到地殼含量只有0.002%。自然界中鈷廣泛賦存在火成巖和沉積巖中,但主要富集于超鎂鐵質巖石中,平均含量可達0.011%。此外,在空氣、水、土壤及植物當中鈷也展現出不同程度的富集。盡管超過80%的鈷賦存于海底鐵錳結核、結殼中,然而卻因為開發程度低難以被利用,而大陸型鈷礦則貢獻了超過700萬噸鈷儲量。

    鈷礦常常作為銅礦和鎳礦的伴生礦種,在大陸型鈷礦中主要分布在沉積巖型層狀銅鈷礦床(41%)、紅土型鎳鈷礦床(36%)和巖漿型銅鎳礦床(15%)中。沉積巖型層狀銅鈷礦床作為其中最重要的鈷礦床,絕大部分分布在剛果(金)境內,礦種發育在白云巖、頁巖、粉砂巖、角礫巖等巖性中,典型礦物包括硫銅鈷礦、水鈷礦、菱鈷礦等,形成年代大約在8億~4億年前。

    鈷在人類生活中的應用可以追溯到1000多年前。中國古代對鈷的應用,最早可以見于唐三彩器物中。彼時,鈷藍作為著色顏料十分名貴,只見于少量唐三彩之中,此類鈷藍的唐三彩也被后世推崇備至,同一時期,古羅馬和古希臘人曾用輝鈷礦來制作深藍色的玻璃。在當時的技術條件下,這種靚麗的深藍色是無法用輝鈷礦之外的東西來代替制作的。1980年,鈷首次應用在了電池領域,該電池被稱為鈷酸鋰電池。因為它有效解決了此前電池的安全問題,因此被廣泛應用在手機、電腦、充電寶以及電動汽車上。自智能手機之后,新能源汽車在全球范圍內的崛起,掀起了鈷的全球爭奪戰。如今,除電池行業外,鈷在合金、集成電路、半導體、磁記錄設備、催化劑、著色劑以及醫療保健等領域都發揮了重要作用。

    海底“鈷”事

    我國是全球最大的鈷消費國家,然而鈷資源十分稀缺,對鈷的依賴使得我國必須盡快找到屬于自己可開采的鈷資源。大洋底部蘊藏了豐富的鈷資源,占全球總資源量的80%以上。其中位于海平面以下800米~3000米的洋中脊擴張區、海山及高原區的富鈷鐵錳結殼中鈷含量可高達2%,是陸地含鈷礦床中鈷含量的20倍。據統計,洋底富鈷鐵錳結殼、結核在太平洋、印度洋、大西洋的海底均有大量分布,覆蓋范圍約為5400萬平方公里。我國自1997年起對太平洋5個海山區的28座海山開展了富鈷結殼資源調查,并于2014年起,獲得位于西北太平洋麥哲倫海山區的國際海底富鈷結殼礦區勘探合同,成為世界首個擁有3個海底礦區的國家。未來,海底仍將具備極大的鈷礦開發前景,是全球重要的潛在接替資源。

    對深海鐵錳結殼,利用淺鉆定點獲取結殼巖心樣品,是目前富鈷結殼資源勘查最重要的方法之一。另外,電視抓斗和水下機器人(ROV)也已普遍應用于深海鈷資源開采。隨著科技不斷進步,未來包含更高精度、高清晰的水下可視裝備等新型采樣技術將繼續應用于深海鈷資源勘查和開采當中。新能源汽車需求的增長將帶動鈷資源需求的強烈增長,所以開發大洋鈷資源是未來發展的重要方向。

    (作者單位:中國地質調查局天津地質調查中心)

    網站編輯:宮莉

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