โลหะโคบอลต์: คุณสมบัติ, การใช้งาน, และความสำคัญทางอุตสาหกรรม

1. การแนะนำ

โคบอลต์ติดตามรากของมันจนถึงต้นศตวรรษที่ 18, ตั้งชื่อจากภาษาเยอรมัน โคโบลด์ หรือ“ Goblin,” พยักหน้ารับความผิดหวังของคนงานเหมืองเมื่อ Ores ปฏิเสธที่จะให้ทองแดง แต่ปล่อยไอระเหยที่เป็นพิษ.

วันนี้, โคบอลต์เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในเทคโนโลยีที่ทันสมัย: มันเสถียรแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน, endows superalloys ที่มีความยืดหยุ่นในอุณหภูมิสูงมาก, ไดรฟ์ตัวเร่งปฏิกิริยาทางเคมีที่สำคัญ, และให้สีน้ำเงินเข้มที่เป็นสัญลักษณ์ของเซรามิกและเม็ดสี.

2. โคบอลต์คืออะไร?

โคบอลต์เป็นองค์ประกอบทางเคมีที่มีสัญลักษณ์ร่วมและหมายเลขอะตอม 27.

ตั้งอยู่ในกลุ่ม 9 ของตารางธาตุ, มันยาก, สีเทาสีเงิน, โลหะทรานซิชัน Ferromagnetic.

เป็นโลหะทรานซิชัน, โคบอลต์แสดงสถานะออกซิเดชันที่หลากหลายและสร้างสารประกอบจำนวนมาก, ซึ่งนำไปสู่แอพพลิเคชั่นที่หลากหลาย.

ตามธรรมชาติ, โคบอลต์ไม่พบในรูปแบบบริสุทธิ์ แต่ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับนิกเกิลและแร่ทองแดง.

การเชื่อมโยงนี้หมายความว่าการผลิตโคบอลต์ส่วนใหญ่เป็นผลพลอยได้จากการทำเหมืองนิกเกิลและทองแดง.

สาธารณรัฐประชาธิปไตยคองโก (DRC) เป็นผู้ผลิตโคบอลต์ที่ใหญ่ที่สุดในโลก, บัญชีประมาณ 70% ของการผลิตทั่วโลกในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา.

ประเทศที่ผลิตโคบอลต์ที่สำคัญอื่น ๆ ได้แก่ รัสเซีย, ซึ่งมีการสำรองโคบอลต์อย่างมีนัยสำคัญที่เกี่ยวข้องกับนิกเกิล-คอปปอร์-พลาตินัมกลุ่มเงินฝากโลหะ, และออสเตรเลีย, เป็นที่รู้จักในด้านแร่แบกโคบอลต์คุณภาพสูง.

3. ทางกายภาพ & คุณสมบัติทางเคมีของโคบอลต์

โคบอลต์เป็นเรื่องยาก, มันเงา, โลหะทรานซิชันสีเงินที่มีชุดของลักษณะทางกายภาพและทางเคมีที่หนุนการใช้งานในอุตสาหกรรมที่หลากหลาย:

4. การผลิตโคบอลต์และการกลั่น

โคบอลต์ส่วนใหญ่สกัดเป็นผลพลอยได้จากแร่ทองแดง-คลอปต์และนิกเกิล -Cobalt.

สองเทคนิคการขุดหลักที่ใช้สำหรับแร่แบกโคบอลต์คือ การขุดใต้ดิน และ การขุดหลุมเปิด.

โดยทั่วไปแล้วการขุดใต้ดินจะใช้สำหรับร่างกายแร่ที่ลึกกว่า, เสนอความเข้มข้นของแร่ที่ดีขึ้น แต่ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานที่สูงขึ้น.

ในทางตรงกันข้าม, การขุดหลุมเปิดเหมาะสำหรับเงินฝากใกล้พื้นผิวและโดยทั่วไปจะคุ้มค่ากว่าสำหรับการผลิตขนาดใหญ่.

เมื่อสกัดแร่, มันผ่านชุดของ กระบวนการทางโลหะวิทยา เพื่อแยกและชำระล้างเนื้อหาโคบอลต์:

Pyrometallurgy

เทคนิคอุณหภูมิสูงนี้เกี่ยวข้องกับ:

• การถลุง: แร่ถูกทำให้ร้อนด้วยสารลดลงเพื่อแยกโลหะออกจากวัสดุโดยรอบ. กระบวนการนี้ใช้กันทั่วไปสำหรับแร่ซัลไฟด์.
• การคั่ว: แปลงซัลไฟด์โลหะเป็นออกไซด์โดยการให้ความร้อนต่อหน้าออกซิเจน, ช่วยให้การกู้คืนได้ง่ายขึ้นในขั้นตอนต่อไป.

แหล่งน้ำ

วิธีการคัดเลือกและนำมาใช้อย่างกว้างขวางมากขึ้นสำหรับการสกัดโคบอลต์, โดยเฉพาะอย่างยิ่งจาก ores จากศิลาแลงและออกซิไดซ์. ขั้นตอนสำคัญรวมถึง:

• การชะ: แร่ได้รับการบำบัดด้วยกรดซัลฟูริกเพื่อละลายโคบอลต์, พร้อมกับโลหะมีค่าอื่น ๆ เช่นนิกเกิลและทองแดง.
• การเร่งรัด: รีเอเจนต์เคมีใช้ในการเลือกโคบอลต์แยกออกจากสารละลายกรอง, มักจะผลิตโคบอลต์ไฮดรอกไซด์หรือซัลเฟตเป็นตัวกลาง.

การกลั่น

การกลั่นเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ได้โคบอลต์ที่มีความบริสุทธิ์สูงเหมาะสำหรับการใช้งานอุตสาหกรรมและเทคโนโลยี:

• การสกัดตัวทำละลาย: ตัวทำละลายอินทรีย์ใช้ในการเลือกสกัดไอออนโคบอลต์จากเฟสน้ำ, กำจัดสิ่งสกปรกเช่นเหล็กได้อย่างมีประสิทธิภาพ, แมงกานีส, และทองแดง.
• การใช้ไฟฟ้า: ขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์ขั้นสุดท้าย, ในกรณีที่กระแสไฟฟ้าโดยตรงถูกส่งผ่านสารละลายที่มีโคบอลต์เพื่อฝากโลหะโคบอลต์บริสุทธิ์ (99.8%–99.99%) เข้าสู่แคโทด.

5. เกรดและรูปแบบโคบอลต์

โคบอลต์มีให้เลือกหลายระดับเชิงพาณิชย์และรูปแบบ, แต่ละแบบปรับแต่งสำหรับการใช้งานเฉพาะทางอุตสาหกรรมขึ้นอยู่กับความบริสุทธิ์ที่ต้องการ, โครงสร้างทางกายภาพ, และองค์ประกอบทางเคมี.

ตัวแปรเหล่านี้รองรับแอปพลิเคชันในการผลิตแบตเตอรี่, โลหะผสมอุณหภูมิสูง, อิเล็กทรอนิกส์, ตัวเร่งปฏิกิริยา, และวัสดุแม่เหล็ก.

ด้านล่างนี้เป็นรายละเอียดของเกรดและรูปแบบที่พบบ่อยที่สุดของโคบอลต์:

6. โลหะผสมโคบอลต์คีย์

คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของโคบอลต์-เช่นความแข็งแรงอุณหภูมิสูง, ความต้านทานการกัดกร่อน, ประสิทธิภาพแม่เหล็ก, และความต้านทานการสึกหรอ - ทำให้เป็นองค์ประกอบสำคัญในโลหะผสมขั้นสูงจำนวนมาก.

ซุปเปอร์อัลลี่ที่ใช้โคบอลต์

• คำอธิบาย: โลหะผสมเหล่านี้ได้รับการออกแบบให้ทนต่ออุณหภูมิสูงและสภาพแวดล้อมออกซิเดชั่น, ทำให้เหมาะสำหรับเครื่องยนต์กังหันและส่วนประกอบการบินและอวกาศ.
• องค์ประกอบทั่วไป: CO-CR-W, CO-NI-CR, และ Co - Mo - Ni Alloys.
• คุณสมบัติ:

• • ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง (> 1000องศาเซลเซียส)
  • การออกซิเดชั่นที่ยอดเยี่ยมและความต้านทานการกัดกร่อน
  • ประสิทธิภาพความเหนื่อยล้าที่ดี

• การใช้งาน:

• • ใบมีดและใบพัดเครื่องยนต์เจ็ทเครื่องยนต์
  • กังหันก๊าซอุตสาหกรรม
  • การเผาไหม้และเครื่องป้องกันความร้อน

• ตัวอย่างอัลลอยด์: เฮย์เนส 188, สเตลไลท์ 21, Mar-M509

เหล็กกล้าความเร็วสูงที่มีโคบอลต์ (ไฮสปีด)

• คำอธิบาย: โคบอลต์จะถูกเพิ่มเข้าไปใน HSS เพื่อปรับปรุงความแข็งสีแดง - การใช้เครื่องมือเพื่อรักษาความแข็งที่อุณหภูมิสูงในระหว่างการตัด.
• เกรดทั่วไป: M42 (8% บริษัท)
• คุณสมบัติ:

• • เพิ่มความแข็งของความร้อนและความต้านทานการสึกหรอ
  • ปรับปรุงการเก็บรักษาที่ทันสมัยภายใต้โหลดสูง

• การใช้งาน:

• • เครื่องมือตัด, การฝึกซ้อม, โรงงานปลาย, ผู้เจาะ
  • การสร้างเครื่องมือสำหรับโลหะและพลาสติก

• บันทึก: M42 HSS ได้กลายเป็นมาตรฐานในการตัดเฉือนที่แม่นยำเนื่องจากเนื้อหาโคบอลต์.

แม่เหล็กถาวรที่ใช้โคบอลต์

• ประเภท:

• • อัลนิโค (อลูมิเนียม - nickel - cobalt): ความแข็งแรงของแม่เหล็กสูงและความต้านทานอุณหภูมิ
  • โคบอลต์สะมาเรียม (SMCO): แม่เหล็กโคบอลต์โลกที่หายากที่มีความเสถียรและความต้านทานการกัดกร่อนที่ยอดเยี่ยม

• คุณสมบัติ:

• • การบีบบังคับสูงและผลิตภัณฑ์พลังงาน
  • ความเสถียรทางความร้อนที่ยอดเยี่ยม (สูงถึง 350–550 ° C สำหรับ SMCO)

• การใช้งาน:

• • มอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
  • เซ็นเซอร์การบินและอวกาศ
  • การถ่ายภาพทางการแพทย์ (เอ็มอาร์ไอ)

• ผลงาน: แม่เหล็ก SMCO มักจะมีผลิตภัณฑ์พลังงาน 20–32 mgoe (Mega Gauss oversome)

โลหะผสมโคบอลต์-โครเมียม (CO-CR)

• คำอธิบาย: โลหะผสมที่เข้ากันได้ทางชีวภาพที่มีการสึกหรอสูงและความต้านทานการกัดกร่อน; มักใช้ในการใช้งานทางการแพทย์และทันตกรรม.
• คุณสมบัติ:

• • ไม่ใช่แม่เหล็ก, มีความแข็งแรงสูง
  • ความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีเยี่ยม

• การใช้งาน:

• • การปลูกถ่ายกระดูกและข้อ (สะโพก, หัวเข่า)
  • ขาเทียมทันตกรรม
  • ส่วนประกอบวาล์วหัวใจ

• ตัวอย่างอัลลอยด์: ASTM F75 (หล่อ CR-CR-MO), ASTM F799 (co-cr-mo wrought)

อัลลอยด์แข็ง (เช่น, สเตลไลท์)

• คำอธิบาย: โลหะผสมโคบอลต์ทนต่อการสึกหรอที่ใช้เป็นสารเคลือบผิวเพื่อยืดอายุหรือชีวิตส่วนหนึ่ง.
• คุณสมบัติ:

• • การต่อต้านการเสียดสีเป็นพิเศษ, การกัดเซาะ, และโกรธ
  • รักษาความแข็งสูงถึง 900 ° C

• การใช้งาน:

• • วาล์ว ที่นั่ง, ใบมีดตัด, เครื่องมือขุด
  • ส่วนประกอบเครื่องยนต์ในสภาพแวดล้อมที่สวมใส่สูง

โต๊ะ: เกรดโลหะผสมโคบอลต์ทั่วไป

7. การใช้งานอุตสาหกรรมโคบอลต์

โคบอลต์มีบทบาทสำคัญในภาคอุตสาหกรรมที่หลากหลายเนื่องจากร่างกายที่เป็นเอกลักษณ์, เคมี, และคุณสมบัติแม่เหล็ก.

ความสามารถในการทนต่ออุณหภูมิสูง, ต้านทานการกัดกร่อน, และเพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุอื่น ๆ ทำให้โคบอลต์ขาดไม่ได้ทั้งในอุตสาหกรรมไฮเทคและอุตสาหกรรมดั้งเดิม.

การจัดเก็บพลังงานและแบตเตอรี่

• การใช้งานหลัก: แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
• การทำงาน: โคบอลต์ใช้ในแคโทดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน-โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน โคบอลต์แมงกานีสนิกเกิล (NMC) และ อลูมิเนียมโคบอลต์นิกเกิล (NCA) นักเคมี.
• ประโยชน์:

• • ปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานและอายุการใช้งานแบตเตอรี่
  • เพิ่มเสถียรภาพทางความร้อนและโครงสร้าง

• ข้อมูลเชิงลึกของตลาด:

• • เกิน 60% ความต้องการโคบอลต์ถูกขับเคลื่อนโดยภาคแบตเตอรี่.
  • การใช้โคบอลต์ต่อรถยนต์ไฟฟ้า (EV) แบตเตอรี่มีตั้งแต่ 4 ถึง 14 กิโลกรัม, ขึ้นอยู่กับเคมี.

เครื่องยนต์และอวกาศและกังหัน

• การใช้งานหลัก: ซุปเปอร์อัลลี่ที่ใช้โคบอลต์
• การทำงาน: Superalloys ที่มีโคบอลต์ใช้ในส่วนประกอบเครื่องยนต์เจ็ท, กังหันก๊าซ, และมอเตอร์จรวด.
• ประโยชน์:

• • รักษาความแข็งแรงและความต้านทานการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง (สูงกว่า 1,000 ° C)
  • ทนต่อการออกซิเดชั่นและความร้อน

• ส่วนประกอบสำคัญ:

• • ใบพัดกังหัน, ใบพัด, ห้องเผาไหม้

เครื่องมือตัดและวัสดุทนต่อการสึกหรอ

• การใช้งานหลัก: คาร์ไบด์ซีเมนต์และเหล็กความเร็วสูง
• การทำงาน: โคบอลต์ทำหน้าที่เป็นสารยึดเกาะในคาร์ไบด์ซีเมนต์และเพิ่มความแข็งในเหล็กความเร็วสูง.
• ประโยชน์:

• • ปรับปรุงความทนทานของเครื่องมือและความต้านทานต่อการเสียรูปภายใต้ความร้อน
  • ยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือภายใต้เงื่อนไขการตัดความเร็วสูงหรือแรงดันสูง

• ตัวอย่าง:

• • บิตสว่าน, โรงงานปลาย, ตาย, เครื่องมือขุด

ตัวเร่งปฏิกิริยาในอุตสาหกรรมเคมีและปิโตรเลียม

• การใช้งานหลัก: ตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการสังเคราะห์และการกลั่น
• ประเภทของแอปพลิเคชันตัวเร่งปฏิกิริยา:

• • การสังเคราะห์ Fischer-Tropsch: ผลิตไฮโดรคาร์บอนเหลวจาก syngas (ร่วม + h₂)
  • การทำน้ำ (HDS): กำจัดกำมะถันจากน้ำมันดิบเพื่อผลิตเชื้อเพลิงสะอาด

• ประโยชน์:

• • ประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาสูงและความทนทานภายใต้สภาพแวดล้อมทางเคมีที่รุนแรง

อุปกรณ์การแพทย์และชีวการแพทย์

• การใช้งานหลัก: โลหะผสมโคบอลต์-โครเมียม
• การทำงาน: ใช้สำหรับการปลูกถ่าย, ขาเทียม, และเครื่องมือผ่าตัดเนื่องจากความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ยอดเยี่ยม.
• ตัวอย่าง:

• • สะโพกและหัวเข่าเทียม
  • ขดลวด, รากฟันเทียม

• กรณีพิเศษ:

• • โคบอลต์ -60 (CO-60): ไอโซโทปกัมมันตรังสีที่ใช้ในการรักษาด้วยรังสีมะเร็งและการทำหมันอุปกรณ์ทางการแพทย์

แม่เหล็กและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ถาวร

• ประเภท:

• • แม่เหล็ก Alnico: ใช้ในมอเตอร์ไฟฟ้า, เซ็นเซอร์, และกีตาร์ไฟฟ้า
  • โคบอลต์สะมาเรียม (SMCO): แม่เหล็กโลกหายากที่มีการบีบบังคับและความมั่นคงสูง

• ประโยชน์:

• • ประสิทธิภาพของแม่เหล็กที่เสถียรที่อุณหภูมิสูง
  • ความต้านทานการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

• การใช้งาน:

• • เครื่องมือการบินและอวกาศ, เครื่องเอ็มอาร์ไอ, วิทยาการหุ่นยนต์, อุปกรณ์เสียง

เม็ดสี, กระจก, และเซรามิกส์

• สารประกอบโคบอลต์ที่ใช้:

• • โคบอลต์ออกไซด์ (co₃o₄) และ โคบอลต์อลูมิเนต (ถ่านหิน)

• การทำงาน:

• • ใช้ในการผลิต สีน้ำเงินโคบอลต์, คอกม้า, เม็ดสีที่มีชีวิตชีวา

• การใช้งาน:

• • เซรามิกศิลปะ, กระจกยานยนต์, กระเบื้องสถาปัตยกรรม
  • แอปพลิเคชั่นแก้วไฮเทคเนื่องจากคุณสมบัติการดูดซับ UV

8. ความปลอดภัย, การจัดการ, และพิษวิทยาของโคบอลต์

ในขณะที่โคบอลต์ขาดไม่ได้ในเทคโนโลยีสมัยใหม่มากมาย, มันมีสุขภาพหลายอย่าง, ความปลอดภัย, และความเสี่ยงด้านสิ่งแวดล้อมหากไม่ได้รับการจัดการอย่างเหมาะสม.

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับพิษวิทยาของมัน, ขีด จำกัด การเปิดรับแสง, และแนวทางปฏิบัติในการจัดการที่ปลอดภัยเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับอุตสาหกรรมที่ใช้โคบอลต์ในการขุด, การผลิต, และการประมวลผล.

ขีด จำกัด การเปิดรับอาชีพ

หน่วยงานกำกับดูแลเช่น OSHA, NIOSH, และ ACGIH ได้กำหนดขีด จำกัด การเปิดรับแสงเพื่อให้แน่ใจว่าสภาพการทำงานที่ปลอดภัย:

ผลกระทบต่อสุขภาพของการสัมผัสโคบอลต์

โคบอลต์สามารถเข้าสู่ร่างกายผ่านการสูดดม, การกลืนกิน, หรือสัมผัสกับผิวหนัง.

ความรุนแรงของผลกระทบต่อสุขภาพขึ้นอยู่กับรูปแบบของโคบอลต์ (เกี่ยวกับโลหะ, เกลือที่ละลายน้ำได้, หรือไอโซโทปกัมมันตรังสี) และระยะเวลาของการเปิดรับแสง.

ระยะสั้น (เฉียบพลัน) ผล:

• การระคายเคืองระบบทางเดินหายใจ: การไอ, เสียงฮืด ๆ
• ผื่นผิวหนังหรือผิวหนังอักเสบจากการสัมผัส
• การระคายเคืองตา

ระยะยาว (เรื้อรัง) ผล:

• ปอดโคบอลต์: โรคปอดคั่นระหว่างหน้าจากการสูดฝุ่นโคบอลต์/ควัน
• cardiomyopathy (ความเสียหายของกล้ามเนื้อหัวใจ) ด้วยการเปิดรับระบบสูง
• การตอบสนองที่แพ้และโรคหอบหืด
• ผลกระทบของสารพิษต่อระบบประสาทที่เป็นไปได้ด้วยการสัมผัสขนาดสูงเป็นเวลานาน

การก่อมะเร็ง:

• หน่วยงานวิจัยระหว่างประเทศเพื่อการวิจัยโรคมะเร็ง (IARC) จำแนกสารประกอบโคบอลต์และโคบอลต์เป็น กลุ่ม 2B: “ อาจเป็นสารก่อมะเร็งต่อมนุษย์” ตามหลักฐานที่ จำกัด ของมนุษย์และการศึกษาสัตว์ที่เพียงพอ.

โคบอลต์กัมมันตภาพรังสี (โคบอลต์ -60)

โคบอลต์ -60 (⁶⁰co) เป็นไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีสังเคราะห์ที่ใช้ใน:

• การรักษาด้วยรังสี (การรักษาโรคมะเร็ง)
• การทำหมันของอุปกรณ์ทางการแพทย์
• การถ่ายภาพรังสีอุตสาหกรรม

อันตราย:

• ปล่อยรังสีแกมม่าพลังงานสูง
• อาจทำให้รังสีถูกไฟไหม้, ความเสียหายของดีเอ็นเอ, และเพิ่มความเสี่ยงมะเร็ง
• จะต้องจัดเก็บและขนส่งภายใต้แนวทางการกำกับดูแลที่เข้มงวด (เช่น, การป้องกันตะกั่ว, ตู้คอนเทนเนอร์ที่ปลอดภัย)

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดเพื่อความปลอดภัยโคบอลต์

9. เปรียบเทียบกับองค์ประกอบที่เกี่ยวข้อง

โคบอลต์แบ่งปันคุณสมบัติหลายอย่างกับองค์ประกอบใกล้เคียงในตารางธาตุ, เหล็กโดยเฉพาะ (เฟ), นิกเกิล (ใน), และแมงกานีส (มน).

การเปรียบเทียบโคบอลต์กับองค์ประกอบเหล่านี้ช่วยในการเน้นคุณสมบัติและข้อดีที่เป็นเอกลักษณ์ในการใช้งานอุตสาหกรรมต่างๆ.

10. บทสรุป

โคบอลต์เป็นโลหะสำคัญที่รู้จักกันในจุดหลอมเหลวสูง, ความต้านทานการกัดกร่อน, และคุณสมบัติแม่เหล็ก.

มันมีบทบาทสำคัญในซูเปอร์อัลลอย, แม่เหล็กถาวร, และแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน, ทำให้มันสำคัญสำหรับการบินและอวกาศ, พลังงานสะอาด, และอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์.