万“钴”不枯
含钴的矿物那么多都是蓝色的,那含钴的方解石为何会呈现红色呢?其实,有色矿物或宝石的颜色,不仅与钴、铬等特定致色元素的种类和含量有关,还受到矿物本身晶体结构中原子或离子排列方式的影响。
钴方解石
这种现象也发生在其他含有致色离子的矿物中,例如红宝石因含有铬而呈现红色色调,祖母绿因含有铬而呈现绿色色调。
对于钴尖晶石来说,其结构中不仅含有钴,还含有铁、锌等元素,其独特的钴蓝色可能是三种以上元素共同作用的结果。
钴还用于处理颜色和净度较差的宝石。例如,钴扩散处理可使深蓝色的宝石变为明亮的天蓝色。另一种方法是利用放射性同位素钴-60产生的伽马射线作为辐射源,经过一定时间的照射,原本无色或暗淡、肮脏的矿物会呈现明亮的蓝色。射线强度越大、照射时间越长,变色效果越好,颜色越深。例如,无色黄玉用钴-60照射后,经过中温加热退火,即可转变为蓝色黄玉。
尖晶石
钴的用途
古人很早就发现了钴和蓝色的秘密。西方用钴作为颜料的历史可以追溯到古埃及。埃及法老图坦卡蒙的墓中曾有一小块玻璃器皿。后来人们发现它的深蓝色是因为钴的存在。古希腊人和古罗马人用钴的化合物制成彩色玻璃,会呈现出美丽的深蓝色。
在中国,钴及其化合物作为颜料也有着悠久的使用历史。著名的唐三彩、元代青花瓷、明代景泰蓝等均与含钴釉有关。用这种钴颜料制作的蓝色不仅着色率高、色泽鲜艳,而且色泽稳定、历久弥新。
中国景泰蓝瓷器
这些史实都说明钴作为颜料早在古代就被人们发现和利用,上文提到的钴主要用作蓝色颜料,但其实钴还可以用于另外两种颜料:钴紫和钴黑。
钴蓝的化学成分是铝酸钴,是由铝和氧化钴反应生成的颜料,呈现蓝色或蓝绿色色调。这种颜料色泽鲜艳,着色力强,耐酸碱性强,耐热性高,被广泛用作陶瓷、搪瓷、玻璃等许多材料的着色剂。日常生活中见到的食品用硅胶干燥剂中就加入了氧化钴,它在无水时呈蓝色,吸收空气中的水分后变成粉红色。
氢钴矿
钴紫颜料也常用作陶瓷、玻璃等的颜料,其成分是磷酸钴,是一种特殊的紫色颜料。
钴黑颜料有铁钴黑、铁钴铬黑两种,主要用于陶瓷坯体及釉料的着色,是由多种金属氧化物经高温固相反应生成的高性能无机颜料,环保无毒。
钴的力量
钴除了用于颜料外,还广泛用于生产电池材料、超级合金、硬质合金、磁性材料等。钴-60是广泛用于医疗放射检查和治疗的放射性物质。现在,钴及其合金还被广泛用于机械、化工、航空航天等工业,成为重要的战略金属。
制造电池设备是目前钴的最重要用途,占所有钴使用量的40%。钴主要用于制造锂离子电池的钴酸锂和镍氢电池的氧化钴。含钴材料是目前性能最好、最稳定的锂电池正极材料,是电池的核心之一,具有高能量密度和高环境安全性。
含钴材料是目前锂电池最好、最稳定的正极材料
三元锂电池是指采用镍钴锰或镍钴铝酸等三元材料作为电池正极的锂电池。与传统锂电池相比,三元锂电池拥有综合性能和低成本的双重优势,成为当今最受关注和认可的产品。
一方面,钴是电池材料中最昂贵的金属材料之一,价格居高不下;另一方面,钴属于稀缺资源,在个别国家集中度较高,价格波动较大,影响新能源发展趋势,因此目前不少厂商都在研究无钴电池。
钴常常被添加到钢或其他合金中,可以显著提高合金的硬度、耐磨性、抗冲击性和韧性。
钴是一种被磁化后能长期保持磁性的金属。钴的这种优越的磁性能使得它被广泛用于制造高性能磁性材料。用于此目的的钴的用量约占总用量的5%。含钴量高的磁钢比普通磁钢具有更高的磁密度,而且这种磁性在高温条件下也不会轻易丧失。大型永磁体多为含钴合金,其中常用的一种合金材料叫铝镍钴(),它是由钴、镍和铝制成的硬质合金。
钴在医学领域也有许多应用,其放射性同位素钴-60可用来治疗人体皮肤病和恶性肿瘤,维生素B12(钴胺素)中钴含量高达4.5%。
维生素B12是一种含钴的复杂有机化合物。
钴用于人工髋关节和膝关节以及牙齿填充物。放射性钴同位素还广泛用于食品加工行业,用于辐照食品以杀死有害细菌。
钴的来源
钴矿床成因大致可分为岩浆型、热液型、沉积型、风化壳型四大类,其中以岩浆型为主要类型,约占钴矿总量的65%以上,岩浆矿床是岩浆在上升、冷却过程中,经过结晶分异,使含钴矿物聚集在一起而形成的。
钴白云石
热液矿床是指含矿物的热水溶液在与围岩混合过程中,遇到合适的地层或构造裂隙,冷却凝固而形成的钴矿床。
沉积矿床是矿物在地表环境中受到流水、风、冰川等自然力的作用,风化、侵蚀,并聚集在适当的地方而形成的矿床。
风化壳矿床是残余矿床的一种,是指岩石经长期风化剥蚀,大部分不稳定物质被搬运到别处,残存的成矿物质相对富集而形成的矿床。
钴矿在世界范围内占有重要地位,但陆地钴资源分布却很不均衡,全球已探明陆地钴矿总储量的80%以上分布在刚果(金)、澳大利亚、古巴、赞比亚、菲律宾等少数国家。其中,刚果(金)是全球钴资源储量最丰富的国家,约占全球总储量的一半,澳大利亚和古巴则分别位居第二、第三位,前三大国合计占全球储量的四分之三。
钴
我国钴资源匮乏,独立形成的钴资源很少,大多与铁、镍、铜等矿床伴生,品质较低。我国伴生钴回收效率低,工艺较为落后,使得钴成为长期需要依赖进口的原料。要解决这种依赖性强的资源劣势,一方面需要从海洋中寻找和提炼钴资源,另一方面需要提高钴矿利用率和钴料回收利用的技术手段。