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“鈷”為今用

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即便在礦業(yè)開發(fā)高度發(fā)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(yè)走向的關鍵元素。除了電池產業(yè)外,鈷還在制取合金、顏料、醫(yī)療、航空航天等多個領域發(fā)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。

即便在礦業(yè)開發(fā)高度發(fā)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(yè)走向的關鍵元素。除了電池產業(yè)外,鈷還在制取合金、顏料、醫(yī)療、航空航天等多個領域發(fā)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(guī)模很大的銀多金屬礦床開采中心,礦工們發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(wěn)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(zhàn)。如今,除電池行業(yè)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(yī)療保健等領域都發(fā)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(qū)、海山及高原區(qū)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(tǒng)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(qū)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(qū)的國際海底富鈷結殼礦區(qū)勘探合同,成為世界首個擁有3個海底礦區(qū)的國家。未來,海底仍將具備極大的鈷礦開發(fā)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(xù)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(fā)大洋鈷資源是未來發(fā)展的重要方向。

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