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“钴”为今用

2021-1-26 8:26:14 来源:中国矿业报 作者:卢宜冠

即便在矿业开发高度发达的今天,在广袤的非洲土地上,人们仍在冒着危害健康的风险,从事着手工钴开采的劳动,用以换取每天的粮食。它不仅是刚果(金)人赖以生存的“原材料”,更是与之相关的资本市场风向标,更可能是决定着未来新能源产业走向的关键元素。除了电池产业外,钴还在制取合金、颜料、医疗、航空航天等多个领域发挥着关键作用。这个目前被广泛应用的稀有金属,还有着一段不为人知的故事。

地下“恶魔”

在钴进入科学家的视野之前,一个有趣的“误会”推进了科学家对钴的研究。数百年前,德国萨克森州有一个规模很大的银铜多金属矿床开采中心,矿工们发现一种外表似银的矿石,在冶炼过程中,工人因二氧化硫、砷等毒气中毒,未完成提炼金属的任务。当时的人们认为这是“地下恶魔”作祟,便在教堂里诵读祈祷文,为工人解脱“地下恶魔”迫害。这个“恶魔”其实是辉钴矿(含钴的蓝色矿石辉钴矿,首先出现在16世纪德国矿物学家阿格里科拉的著作里)。因为这个缘故,钴被无辜地叫成了“恶魔”,并沿用至今。

1780年,瑞典化学家伯格曼制得纯钴,确定钴为金属元素。至此,“恶魔”之谜也终于被揭示,其实钴对人体没有显著伤害,而是含钴30%左右的辉钴矿加热后生成的硫或砷的化合物都有剧毒。到1789年,拉瓦锡首次把钴列入元素周期表中。钴金属(元素符号Co)呈银白色,熔点1495摄氏度,沸点2870摄氏度,密度8.9g/cm3,质地硬而脆,有铁磁性,加热到1150摄氏度时磁性消失。常温下不和水作用,在潮湿的空气中也很稳定。在空气中加热至300℃以上时氧化生成CoO,在白热时燃烧成Co3O4。因为特殊的物理化学性质,钴是生产耐热合金、硬质合金、防腐合金和磁性合金的重要原料。

钴的“前世今生”

地球上钴分布不均一,由地核向地壳迅速递减。地核中钴含量为0.25%,到上地幔减至0.01%,再到地壳含量只有0.002%。自然界中钴广泛赋存在火成岩和沉积岩中,但主要富集于超镁铁质岩石中,平均含量可达0.011%。此外,在空气、水、土壤及植物当中钴也展现出不同程度的富集。尽管超过80%的钴赋存于海底铁锰结核、结壳中,然而却因为开发程度低难以被利用,而大陆型钴矿则贡献了超过700万吨钴储量。

钴矿常常作为铜矿和镍矿的伴生矿种,在大陆型钴矿中主要分布在沉积岩型层状铜钴矿床(41%)、红土型镍钴矿床(36%)和岩浆型铜镍矿床(15%)中。沉积岩型层状铜钴矿床作为其中最重要的钴矿床,绝大部分分布在刚果(金)境内,矿种发育在白云岩、页岩、粉砂岩、角砾岩等岩性中,典型矿物包括硫铜钴矿、水钴矿、菱钴矿等,形成年代大约在8亿~4亿年前。

钴在人类生活中的应用可以追溯到1000多年前。中国古代对钴的应用,最早可以见于唐三彩器物中。彼时,钴蓝作为着色颜料十分名贵,只见于少量唐三彩之中,此类钴蓝的唐三彩也被后世推崇备至,同一时期,古罗马和古希腊人曾用辉钴矿来制作深蓝色的玻璃。在当时的技术条件下,这种靓丽的深蓝色是无法用辉钴矿之外的东西来代替制作的。1980年,钴首次应用在了电池领域,该电池被称为钴酸锂电池。因为它有效解决了此前电池的安全问题,因此被广泛应用在手机、电脑、充电宝以及电动汽车上。自智能手机之后,新能源汽车在全球范围内的崛起,掀起了钴的全球争夺战。如今,除电池行业外,钴在合金、集成电路、半导体、磁记录设备、催化剂、着色剂以及医疗保健等领域都发挥了重要作用。

海底“钴”事

我国是全球最大的钴消费国家,然而钴资源十分稀缺,对钴的依赖使得我国必须尽快找到属于自己可开采的钴资源。大洋底部蕴藏了丰富的钴资源,占全球总资源量的80%以上。其中位于海平面以下800米~3000米的洋中脊扩张区、海山及高原区的富钴铁锰结壳中钴含量可高达2%,是陆地含钴矿床中钴含量的20倍。据统计,洋底富钴铁锰结壳、结核在太平洋、印度洋、大西洋的海底均有大量分布,覆盖范围约为5400万平方公里。我国自1997年起对太平洋5个海山区的28座海山开展了富钴结壳资源调查,并于2014年起,获得位于西北太平洋麦哲伦海山区的国际海底富钴结壳矿区勘探合同,成为世界首个拥有3个海底矿区的国家。未来,海底仍将具备极大的钴矿开发前景,是全球重要的潜在接替资源。

对深海铁锰结壳,利用浅钻定点获取结壳岩心样品,是目前富钴结壳资源勘查最重要的方法之一。另外,电视抓斗和水下机器人(ROV)也已普遍应用于深海钴资源开采。随着科技不断进步,未来包含更高精度、高清晰的水下可视装备等新型采样技术将继续应用于深海钴资源勘查和开采当中。新能源汽车需求的增长将带动钴资源需求的强烈增长,所以开发大洋钴资源是未来发展的重要方向。

(作者单位:中国地质调查局天津地质调查中心)

网站编辑:宫莉

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