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November

2010

小金属钴的科学介绍

发布时间:2010/11/18 18:00:141582次

据上海有色金属网报道:

  一、钴的概述

  钴(英文为Cobalt)化学符号为Co,在元素周期表中位于第4周期的Ⅷ族(铁族),原子序数为27,在铁(26)之后,镍(28)、铜(29)之前,原子量为58.9332。钴的密度为8.9,熔点为1495℃,沸点为3520℃。钴呈银灰色,硬而有延展性,且均比铁强,但比铁磁性则较弱。钴的化合价+2和+3,常温下与水和空气不起反应,能逐渐溶于稀盐酸和硫酸,易溶于硝酸,。

  钴的英文名称“Cobalt”与拉丁名称“cobaltum”来自于德文的Kobold,意为“坏精灵、妖魔”。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“地下恶魔”其实是辉钴矿(CoAsS,中世纪在欧洲被称为kobalt,首先出现在16世纪居住在捷克的德国矿物学家阿格里科拉的著作里)。因为这个缘故,钴被无辜的叫成了“恶魔”,并沿用至今。1753年,瑞典化学家格·布兰特(G.Brandt)从辉钴矿中分离出浅玫色的灰色金属,这是纯度较高的金属钴。因此布兰特被人们认为是钴的发现者。1780年瑞典化学家伯格曼(T.Bergman)制得纯钴,确定钴为金属元素之一。1789年拉瓦锡首次把它列入元素周期表中。

  二、钴的同位素

  钴有六种同位素,除自然界中大量存在的钴59外(据资料报到占99%以上),还有钴56、钴57、钴58、钴60、钴61五种同位素,但这五种同位素在自然界极其微量,几乎无法通过矿物冶金的方法提取,尤其是钴60,只能通过高能物理的方法(中子轰击金属钴)人工制造出来。钴60有很强的放射性,其半衰期为5.27年。主要用作物体内部探测、医疗(化疗治疗癌症)及示踪物质等;另外四种同位素钴56、钴57、钴58和钴61的放射性极弱、且半衰期很短,未见文献报导有实际用途。

  自然界大量存在的钴59不具备放射性,所以钴加工厂所加工的钴产品(除医用钴60产品外)均不带有任何放射性。

  三、钴的应用

  由于钴具有不可替代的物理、化学性能,应用领域非常广泛,包括充电电池材料、超硬耐热硬质合金、石化催化剂、陶瓷色釉料、磁性材料、饲料添加剂、医药品等行业。由于钴是小金属,大家关注不多,但是钴产品已经大量用于我们的日常生活,例如:

  l 钴酸锂(约60%的重量是钴)是锂离子电池的正极材料,我们日常用的手机锂离子电池里有5-10克钴;

  l 中华民族引以为荣的唐三彩、青花瓷、景泰蓝的釉料中就含钴,也只有钴颜料的蓝色才能历久弥新;

  l 动物饲料中也要添加微量的钴元素,动物缺乏钴会造成消化能力下降、贫血等疾病;

  l 人体中也含量有微量的钴,缺乏钴元素,人体会得病,一般表现是贫血。大家熟知的维生素B12中就有钴的成分;

  含有一定量钴的刀具钢可以显著地提高钢的耐磨性和切削性能,钴将合金组成中其它金属碳化物晶粒结合在一起,使合金具更高的韧性,并减少对冲击的敏感性能,这种合金熔焊在零件表面,可使零件的寿命提高3-7倍。含钴50%以上的司太立特硬质合金即使加热到1000℃也不会失去其原有的硬度;

  在温度在1038℃以上时,钴基合金的优越性就显示无遗,特别适合用于制造高效率的高温发动机和汽轮机等,因此钴基合金被广泛地应用在航空航天和现代军事领域中。在航空涡轮发动机的结构材料中使用含20%-27%铬的钴基合金,可在不使用任何保护涂层的条件下,材料达到很高的抗氧化性。核反应堆供热工作室热介质涡轮发电机可以不检修而连续运转一年以上。

  钴是磁化一次就能保持磁性的少数金属之一。在热作用下,失去磁性的温度叫居里点,铁的居里点为769℃,镍为358℃,钴可达1150℃。含有60%钴的磁性钢比一般磁性钢的矫顽磁力提高2.5倍。在振动环境下,一般磁性钢失去差不多1/3的磁性,而钴钢仅失去2%-3.5%的磁性。由于钴优越的磁特性,被大量应用于高新能磁性材料的制造。

  钴的其他化合物还作为催化剂应用于石油化工行业,作为粘合剂应用于橡胶轮胎行业

  综上所述,钴虽然是小金属,其广泛的用途却不可小视。特别是因其在航空航天等军工领域有着不可替代的重要作用,所以美国、日本、俄罗斯等国家都把钴作为重要的战略储备物资,中国近年也开始建立了自己的钴储备。随着钴在锂离子电池中的大量应用,其特殊的战略地位更加得到了凸显。

  四、钴的加工史

  目前,自然界中已发现的钴矿物和含钴矿物共百余种,分属于单质、碳化物、氮化物、磷化物和硅磷化物、砷化物和硫砷化物、锑化物和硫锑化物、碲化物和硒碲化物、硫化物、硒化物、氧化物、氢氧化物和含水氧化物氢氧化物、砷酸盐、碳酸盐以及硅酸盐等14大类。德国和挪威最早生产了少量的钴,1874年开发了新喀里多尼亚的氧化钴矿。1903年加拿大安大略北部的银钴矿和砷钴矿(方钴矿)开始生产,使钴的世界产量由1904年的16t猛增至1909年的1553t。1920年刚果(金)加丹加省的铜钴矿带开发后,钴产量一直居世界首位。非洲另一个国家摩洛哥也在用砷钴矿生产钴。这段时期以火法生产钴为主。此后,第二次世界大战前夕,芬兰从含钴黄铁矿烧渣中提钴,战后送至西德氯化焙烧处理,直到1968年才建立起科科拉钴厂。日本、法国、比利时有规模较大的钴精炼厂,分别处理菲律宾、澳大利亚、摩洛哥、赞比亚的富钴中间产物。

  与世界相比,中国的钴工业起步较晚。1952年,江西省南昌市五金矿业公司用简易鼓风炉熔炼钴土矿产出钴铁。1956年按此工艺建设了江西冶炼厂,产出的钴铁送至上海三英电冶厂(上海冶炼厂前身)处理。广东梅县也用同样工艺从钴土矿熔炼出钴铁送潮州冶炼厂处理生产工业氧化钴。1954年,沈阳冶炼厂以湿法炼锌钴渣为原料产出首批电钴,拉开了中国电钴生产的序幕,沈阳冶炼厂锌系统采用黄药法除钴产出黄原酸钴渣,该厂以此钴渣为原料,通过还原溶解、氧化沉钴产出含Co 30%~40%的氢氧化钴,然后再经干燥、焙烧、电炉还原熔炼成粗金属钴,最后用电解精炼法得到电钴。1958年,赣州钴冶炼厂从当地的钴土矿中生产出氧化钴。由于当地钴土矿资源分散,无法大规模开采,在冶金工业部安排下,赣州钴冶炼厂于1960年开始处理从摩洛哥进口的砷钴矿,这是中国用进口钴原料生产钴的开始。1966年,葫芦岛锌厂首家建成了从钴硫精矿中回收钴的车间,以后又陆续建成了南京钢铁厂钴车间,淄博钴冶炼厂,湖北光化磷肥厂的钴车间。 近年来,因湿法提取工艺在环保、节能、成本等原因,已成为生产钴的主要方法。中国各钴加工厂主要从非洲进口氧化铜钴混合矿,采取湿法提取工艺生产钴产品。1992年,中国放开了钴产业的所有制限制,陆续有外资、民营资本进入钴行业。摆脱了所有制的桎梏,又恰逢2000年前后锂离子电池的爆炸式增长的机遇,一批中国钴企业获得了惊人的发展。目前中国的钴产能已经突破2万吨/年,成为全球最大的钴生产国家。金川有色金属公司采用火法、湿法联合工艺提取钴产品,目前产量已经达到6000吨/年,已成为我国最大的钴生产基地,浙江华友钴业股份有限公司采用湿法工艺的生产线产量已经达到4000吨/年,是我国第二大钴加工企业。北京当升科技股份有限(主要产品是钴酸锂)、深圳格林美科技股份有限公司(主要产品是钴粉)这二家生产钴新材料的企业已经分别于2010年和2009年在中国深圳交易所上市。金川公司,浙江华友公司、江苏凯力克公司、天津巴莫公司、湖南瑞翔公司等均在进行上市的准备。

  五、钴与人体健康

  钴可经消化道和呼吸道进入人体,一般成年人体内含钴量为1.1-1.5mg。在血浆中无机钴附着在白蛋白上,它最初贮存于肝和肾,然后贮存于骨、脾、胰、小肠以及其它组织。体内钴14%分布于骨骼,43%分布于肌肉组织,43%分布于其它软组织中。

  经口摄入的钴在小肠上部被吸收,并部分地与铁共用一个运载通道,在血浆中是附着在白蛋白上。吸收率可达到63%-93%,铁缺乏时可促进钴的吸收。钴主要通过尿液排出,少部分由肠、汗、头发等途径排出,一般不在体内蓄积。

  钴是维生素B12组成部分,反刍动物可以在肠道内将摄入的钴合成为维生素B12,而人类与单胃动物不能将钴在体内合成B12。现在还不能确定钴的其它的功能,但体内的钴仅有约10%是维生素的形式。已观察到无机钴对刺激红细胞生成有重要的作用。钴对红细胞生成作用的机制是影响肾释放促红细胞生成素,或者通过刺激胍循环。还观察到供给钴后可使血管扩张和脸色发红,这是由于肾释放舒缓肌肽,钴对甲状腺的功能可能有作用,动物实验结果显示,甲状腺素的合成可能需要钴,钴能拮抗碘缺乏产生的影响。

  食物中钴含量较高者有甜菜、卷心菜、洋葱、萝卜、菠菜、西红柿、无花果、荞麦和谷类等,蘑菇含量可达61ug/100g。

  六、结语

  由于日本电视剧《血凝》在我国上世纪九十年代的热播,大家熟知了大岛茂教授的女儿幸子在医学院不幸受到放射性同位素钴60污染而罹患白血病的故事,造成人们普遍对钴产生了一种神秘而畏惧的心理戒备。通过本文对钴的性质和应用领域的介绍,可以看到我们在日常生活中和生命体的运行中均离不开钴;在现代工业领域中,钴也起到了越来越到重要的作用,是一种各国都争相储备的战备物资。

  希望本文能帮助人们建立对钴科学、正确和全面的认识,消除对钴的误解与担心。

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