Kim loại coban: Của cải, Công dụng, và tầm quan trọng công nghiệp

1. Giới thiệu

Cobalt theo dõi nguồn gốc của nó đến đầu thế kỷ 18, Được đặt tên từ tiếng Đức Kobold hoặc Goblin,Một cái gật đầu với những người khai thác thất vọng khi quặng từ chối tạo ra đồng nhưng được giải phóng hơi độc hại.

Hôm nay, Cobalt không thể thiếu trong công nghệ hiện đại: Nó ổn định pin lithium - ion, làm mất đi những siêu hợp với khả năng phục hồi nhiệt độ cực cao, ổ đĩa chất xúc tác hóa học chính, và truyền đạt màu xanh đậm mang tính biểu tượng của gốm sứ và sắc tố.

2. Cobalt là gì?

Cobalt là một yếu tố hóa học với biểu tượng CO và số nguyên tử 27.

Nằm trong nhóm 9 của bảng tuần hoàn, Nó rất khó, màu xám bạc, Kim loại chuyển tiếp sắt từ.

Là một kim loại chuyển tiếp, Cobalt thể hiện nhiều trạng thái oxy hóa và tạo thành nhiều hợp chất, đóng góp vào một loạt các ứng dụng của nó.

Trong tự nhiên, Cobalt không được tìm thấy ở dạng thuần túy của nó nhưng chủ yếu liên quan đến quặng niken và đồng.

Hiệp hội này có nghĩa là hầu hết các sản xuất coban là sản phẩm phụ của các hoạt động khai thác niken và đồng.

Cộng hòa Dân chủ Congo (DRC) là nhà sản xuất coban lớn nhất thế giới, Kế toán cho khoảng 70% sản xuất toàn cầu trong những năm gần đây.

Các quốc gia sản xuất coban lớn khác bao gồm Nga, có dự trữ coban đáng kể liên quan đến các khoản tiền gửi kim loại nhóm-đồng bạch cầu của nó, và Úc, được biết đến với quặng mang coban chất lượng cao.

3. Thuộc vật chất & Tính chất hóa học của coban

Cobalt là một khó khăn, bóng loáng, Bạc kim loại chuyển tiếp màu xám với một bộ đặc điểm vật lý và hóa học làm nền tảng cho việc sử dụng công nghiệp đa dạng của nó:

4. Sản xuất coban và tinh chế

Cobalt chủ yếu được chiết xuất dưới dạng sản phẩm phụ từ quặng đồng và niken-cobalt.

Hai kỹ thuật khai thác chính được sử dụng cho quặng mang coban là Khai thác dưới lòng đất Và Khai thác hố mở.

Khai thác dưới lòng đất thường được sử dụng cho các cơ thể quặng sâu hơn, Cung cấp nồng độ quặng tốt hơn nhưng chi phí hoạt động cao hơn.

Ngược lại, Khai thác hố mở phù hợp hơn với các khoản tiền gửi gần bề mặt và thường hiệu quả hơn về chi phí cho sản xuất quy mô lớn.

Khi quặng được trích xuất, nó trải qua một loạt các quá trình luyện kim Để tách và thanh lọc nội dung coban:

Pyrometallurgy

Kỹ thuật nhiệt độ cao này liên quan đến:

• luyện kim: Quặng được làm nóng bằng chất khử để tách kim loại khỏi vật liệu xung quanh. Quá trình này thường được sử dụng cho quặng sunfua.
• Rang: Chuyển đổi sunfua kim loại thành oxit bằng cách sưởi ấm với sự hiện diện của oxy, cho phép phục hồi dễ dàng hơn trong các bước tiếp theo.

Thủy đồng

Một phương pháp chọn lọc hơn và được áp dụng rộng rãi hơn để chiết xuất coban, Đặc biệt là từ quặng đá ong và oxy hóa. Các bước chính bao gồm:

• Sunfat lọc: Quặng được xử lý bằng axit sunfuric để hòa tan coban, cùng với các kim loại có giá trị khác như niken và đồng.
• Sự kết tủa: Thuốc thử hóa chất được sử dụng để tách coban có chọn lọc khỏi dung dịch Leach, thường sản xuất coban hydroxit hoặc sulfate như chất trung gian.

Tinh chế

Tinh chỉnh là điều cần thiết để có được Cobalt có độ tinh khiết cao phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp và công nghệ:

• Chiết xuất dung môi: Dung môi hữu cơ được sử dụng để chiết xuất có chọn lọc các ion coban từ pha nước, loại bỏ các tạp chất như sắt một cách hiệu quả, mangan, và đồng.
• Điện hóa: Bước thanh lọc cuối cùng, trong đó một dòng điện trực tiếp được truyền qua dung dịch chứa coban để gửi kim loại coban nguyên chất (99.8%–9999%) lên catốt.

5. Lớp coban và hình thức

Cobalt có sẵn trong một loạt các lớp và hình thức thương mại, Mỗi được thiết kế phù hợp cho sử dụng công nghiệp cụ thể tùy thuộc vào độ tinh khiết cần thiết, cấu trúc vật lý, và thành phần hóa học.

Những biến thể này hỗ trợ các ứng dụng trong sản xuất pin, Hợp kim nhiệt độ cao, thiết bị điện tử, chất xúc tác, và vật liệu từ tính.

Dưới đây là sự cố của các lớp và hình thức coban phổ biến nhất:

6. Hợp kim chính

Các thuộc tính độc đáo của Cobalt, chẳng hạn như sức mạnh nhiệt độ cao, chống ăn mòn, Hiệu suất từ ​​tính, và sự kháng cự - làm cho nó là một yếu tố thiết yếu trong nhiều hợp kim tiên tiến.

Superalloys dựa trên Cobalt

• Sự miêu tả: Những hợp kim này được thiết kế để chịu được nhiệt độ khắc nghiệt và môi trường oxy hóa, Làm cho chúng trở nên lý tưởng cho động cơ tuabin và các thành phần hàng không vũ trụ.
• Thành phần điển hình: Co-Cr-W, Co-Ni-Cr, và Co - Mo - NI hợp kim.
• Của cải:

• • Độ bền nhiệt độ cao (> 1000°C)
  • Quá trình oxy hóa và chống ăn mòn tuyệt vời
  • Hiệu suất mệt mỏi nhiệt tốt

• Ứng dụng:

• • Máy bay phản lực động cơ Tua bin và Vanes
  • Tua bin khí công nghiệp
  • Lớp lót đốt và tấm chắn nhiệt

• Ví dụ Hợp kim: Haynes 188, Vệ tinh 21, Mar-M509

Thép tốc độ cao chứa coban (HSS)

• Sự miêu tả: Cobalt được thêm vào HSS để cải thiện độ cứng màu đỏ, các công cụ cho phép duy trì độ cứng ở nhiệt độ cao trong quá trình cắt.
• Lớp điển hình: M42 (8% có)
• Của cải:

• • Tăng cường độ cứng nóng và khả năng chống mài mòn
  • Cải thiện khả năng duy trì tiên tiến dưới tải cao

• Ứng dụng:

• • Dụng cụ cắt, cuộc tập trận, nhà máy cuối, Sơn
  • Công cụ hình thành kim loại và nhựa

• Ghi chú: M42 HSS đã trở thành một tiêu chuẩn về gia công chính xác do hàm lượng coban của nó.

Nam châm vĩnh cửu dựa trên coban

• Các loại:

• • Alnico (Nhôm, NickelTHER Cobalt): Cường độ từ cao và điện trở nhiệt độ
  • Samarium coban (SMCO): Nam châm coban đất hiếm với sự ổn định và chống ăn mòn tuyệt vời

• Của cải:

• • Sản phẩm cưỡng chế và năng lượng cao
  • Ổn định nhiệt tuyệt vời (Lên đến 350 bóng550 ° C cho SMCO)

• Ứng dụng:

• • Động cơ và máy phát điện
  • Cảm biến hàng không vũ trụ
  • Hình ảnh y tế (MRI)

• Hiệu suất: Nam châm SMCO thường có một sản phẩm năng lượng 20 trận32 MgoE (Mega Gauss quá mức)

Hợp kim coban-crom (Đồng cr)

• Sự miêu tả: Hợp kim tương thích sinh học với độ mòn cao và khả năng chống ăn mòn; thường được sử dụng trong các ứng dụng y tế và nha khoa.
• Của cải:

• • Không có từ tính, cường độ cao
  • Khả năng tương thích sinh học tuyệt vời

• Ứng dụng:

• • Cấy ghép chỉnh hình (hông, đầu gối)
  • Chân giả nha khoa
  • Thành phần van tim

• Ví dụ Hợp kim: ASTM F75 (Cast Co-Cr-Mo), ASTM F799 (Co-Cr-mo rèn)

Hợp kim cứng (ví dụ., Vệ tinh)

• Sự miêu tả: Hợp kim cobalt chống mòn được sử dụng làm lớp phủ bề mặt để mở rộng công cụ hoặc một phần tuổi thọ.
• Của cải:

• • Đặc biệt chống mài mòn, xói mòn, và giận dữ
  • Giữ độ cứng lên đến 900 ° C

• Ứng dụng:

• • Van chỗ ngồi, Cắt lưỡi, Công cụ khai thác
  • Các thành phần động cơ trong môi trường trang phục cao

Bàn: Lớp hợp kim coban chung

7. Ứng dụng công nghiệp của Cobalt

Cobalt đóng một vai trò quan trọng trong một loạt các lĩnh vực công nghiệp do thể chất độc đáo của nó, hóa chất, và tính chất từ ​​tính.

Khả năng chịu được nhiệt độ cao của nó, Chống ăn mòn, Và nâng cao hiệu suất của các vật liệu khác làm cho Cobalt không thể thiếu trong cả ngành công nghệ cao và truyền thống.

Lưu trữ năng lượng và pin

• Sử dụng chính: Pin lithium-ion
• Chức năng: Coban được sử dụng trong catốt của pin lithium-ion, đặc biệt là trong Cobalt mangan niken (NMC) Và Niken coban nhôm (NCA) Hóa chất.
• Những lợi ích:

• • Cải thiện mật độ năng lượng và thời lượng pin
  • Tăng cường sự ổn định về nhiệt và cấu trúc

• Cái nhìn sâu sắc thị trường:

• • Qua 60% nhu cầu coban được thúc đẩy bởi lĩnh vực pin.
  • Sử dụng coban trên mỗi chiếc xe điện (Ev) Pin dao động từ 4 ĐẾN 14 kg, tùy thuộc vào hóa học.

Động cơ hàng không vũ trụ và tuabin

• Sử dụng chính: Superalloys dựa trên Cobalt
• Chức năng: Các siêu hợp chất chứa coban được sử dụng trong các thành phần động cơ phản lực, Tua bin khí, và động cơ tên lửa.
• Những lợi ích:

• • Duy trì sức mạnh và khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao (Trên 1000 ° C.)
  • Chịu được sự mệt mỏi oxy hóa và nhiệt

• Thành phần chính:

• • Cánh tuabin, Vanes, buồng đốt

Công cụ cắt và vật liệu chống hao mòn

• Sử dụng chính: Cacbua xi măng và thép tốc độ cao
• Chức năng: Cobalt đóng vai trò là chất kết dính trong cacbua xi măng và tăng cường độ cứng trong thép tốc độ cao.
• Những lợi ích:

• • Cải thiện độ bền của công cụ và khả năng chống biến dạng dưới nhiệt
  • Mở rộng tuổi thọ công cụ trong điều kiện cắt tốc độ cao hoặc áp suất cao

• Ví dụ:

• • Khoan bit, nhà máy cuối, dập cái chết, Công cụ khai thác

Chất xúc tác trong ngành công nghiệp hóa học và dầu khí

• Sử dụng chính: Các chất xúc tác để tổng hợp và tinh chế
• Các loại ứng dụng xúc tác:

• • Tổng hợp Fischer-Tropsch: Sản xuất hydrocarbon chất lỏng từ Syngas (Đồng + H₂)
  • Hydrodesulfurization (HDS): Loại bỏ lưu huỳnh khỏi dầu thô để sản xuất nhiên liệu sạch

• Những lợi ích:

• • Hiệu quả và độ bền xúc tác cao trong môi trường hóa học khắc nghiệt

Thiết bị y tế và y sinh

• Sử dụng chính: Hợp kim coban-crom
• Chức năng: Được sử dụng cho cấy ghép, chân tay giả, và các dụng cụ phẫu thuật do khả năng tương thích sinh học tuyệt vời của chúng.
• Ví dụ:

• • Hông và đầu gối nhân tạo
  • Stent, cấy ghép nha khoa

• Trường hợp đặc biệt:

• • Cobalt-60 (CO-60): Một đồng vị phóng xạ được sử dụng trong xạ trị ung thư và thiết bị y tế

Nam châm và thiết bị điện tử vĩnh viễn

• Các loại:

• • Nam châm Alnico: Được sử dụng trong động cơ điện, cảm biến, và guitar điện
  • Samarium coban (SMCO): Nam châm đất hiếm với sự ép buộc và ổn định cao

• Những lợi ích:

• • Hiệu suất từ ​​tính ổn định ở nhiệt độ cao
  • Kháng ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt

• Ứng dụng:

• • Dụng cụ hàng không vũ trụ, Máy MRI, người máy, Thiết bị âm thanh

Sắc tố, Thủy tinh, và gốm sứ

• Các hợp chất coban được sử dụng:

• • Oxit coban (Co₃o₄) Và coban aluminate (Than₂o₄)

• Chức năng:

• • Được sử dụng để sản xuất Cobalt Blue, một ổn định, Sắc tố sôi động

• Ứng dụng:

• • Gốm sứ nghệ thuật, Kính ô tô, gạch kiến ​​trúc
  • Các ứng dụng thủy tinh công nghệ cao do tính chất hấp thụ tia cực tím

8. Sự an toàn, Xử lý, và độc tính của coban

Trong khi coban là không thể thiếu trong nhiều công nghệ hiện đại, nó đặt ra một số sức khỏe, sự an toàn, và rủi ro môi trường nếu không được quản lý đúng cách.

Hiểu hồ sơ độc tính của nó, giới hạn tiếp xúc, Và thực hành xử lý an toàn là điều cần thiết cho các ngành công nghiệp sử dụng coban trong khai thác, chế tạo, và xử lý.

Giới hạn tiếp xúc nghề nghiệp

Các cơ quan quản lý như OSHA, Niosh, và ACGIH đã thiết lập các giới hạn phơi nhiễm để đảm bảo điều kiện làm việc an toàn:

Tác động sức khỏe của phơi nhiễm coban

Cobalt có thể xâm nhập vào cơ thể thông qua đường hô hấp, ăn vào, hoặc tiếp xúc với da.

Mức độ nghiêm trọng của các hiệu ứng sức khỏe phụ thuộc vào dạng coban (kim loại, muối hòa tan, hoặc đồng vị phóng xạ) và thời gian tiếp xúc.

Ngắn hạn (Cấp tính) Các hiệu ứng:

• Kích thích hô hấp: ho, khò khè
• Phát ban da hoặc viêm da từ tiếp xúc
• Kích ứng mắt

Dài hạn (Mãn tính) Các hiệu ứng:

• Phổi coban: Bệnh phổi kẽ từ hít phải bụi coban
• Bệnh cơ tim (tổn thương cơ tim) Với phơi nhiễm hệ thống cao
• Phản ứng dị ứng và hen suyễn
• Có thể có tác dụng gây độc thần kinh với phơi nhiễm liều cao kéo dài

Chất gây ung thư:

• Cơ quan nghiên cứu về ung thư quốc tế (IARC) phân loại các hợp chất coban và coban là Nhóm 2B: Có thể gây ung thư cho con người, dựa trên bằng chứng hạn chế của con người và các nghiên cứu đầy đủ động vật.

Cobalt phóng xạ (Cobalt-60)

Cobalt-60 (⁶⁰Co) là một đồng vị phóng xạ tổng hợp được sử dụng trong:

• Xạ trị (Điều trị ung thư)
• Khử trùng thiết bị y tế
• X quang công nghiệp

Nguy hiểm:

• Phát ra tia gamma năng lượng cao
• Có thể gây bỏng bức xạ, Thiệt hại DNA, và tăng nguy cơ ung thư nếu bị xử lý sai
• Phải được lưu trữ và vận chuyển theo hướng dẫn quy định nghiêm ngặt (ví dụ., dẫn dắt che chắn, Container an toàn)

Thực tiễn tốt nhất cho an toàn coban

9. So sánh với các yếu tố liên quan

Cobalt chia sẻ một số đặc điểm với các yếu tố lân cận trong bảng tuần hoàn, đặc biệt là sắt (Fe), niken (TRONG), và mangan (Mn).

So sánh coban với các yếu tố này giúp làm nổi bật các thuộc tính và lợi thế độc đáo của nó trong các ứng dụng công nghiệp khác nhau.

10. Phần kết luận

Cobalt là một kim loại quan trọng được biết đến với điểm nóng chảy cao, chống ăn mòn, và tính chất từ ​​tính.

Nó đóng một vai trò quan trọng trong các siêu hợp, nam châm vĩnh cửu, và pin lithium-ion, làm cho nó quan trọng đối với không gian vũ trụ, năng lượng sạch, và các ngành công nghiệp điện tử.