کبالت

امروزه کبالت به دو صورت جامد و مایع و در رنگ های آبی و بنفش و… در صنایع مختلف از جمله رنگ و رزین یک ماده بسیار کاربردی بشمار میرود. با وجود کاربردهای فراوان این ماده در گذشته از آن تحت عنوان روح شیطان یاد میکردند، همچنین این عنصر معمولاً بیشتر به عنوان محصول جانبی استخراج مس و نیکل تولید می شود.

ویژگی

کبالت یک فلز کاهنده ضعیف است و توسط یک لایه غیر فعال دربرابر اکسایش محافظت میشود. کبالت، این ماده مقاوم در برابر سایش و خوردگی، که میزان 002/0%  پوسته زمین را به خود اختصاص داده ین رقم چیزی معادل 7/100/000 تن می شود ، و توانسته به عنوان سی و دومین عنصر فراوان در پوسته زمین شناخته شود. همچنین اکسید کبالت یک نیمه هادی نوعP و یک فرو مغناطیس سخت است این پودر سیاه رنگ (اکسید کبالت را میتوان به علت تفاوت اندازه ذرات به رنگ های خاکستری، سبز زیتونی و قرمز تیره نیز یافت کرد) یک ترکیب بلوری شش وجهی یا مکعبی است. اکسید کبالت میتواند سایر یون ها را ب خوبی جذب کند که این امر ب علت وجود ذرات کریستالی چهار ضلعی مشبک در آن است.

این ماده درشکل طبیعی خود به شکل کبالت 59 ( فقط یک ایزوتوپ پایدار) یافت میشود. این در حالی میباشد کبالت 60 که از لحاظ تجاری دارای اهمیت فراوان میباشد، زیرا در تولید پرتو های گاما با انرژی بالا نقش دارد، یک رادیولیزوتوپ است. ایم ماده در نوع غیر آلی نیز به عنوان ریز مغذی باکتری ها، جلبک ها و  قارچ ها میباشد. از دیگر ویژگی های مهم این ماده میتوان به بودن یک مرکز فعال برای گروهی از کوآنزیم ها تحت عنوان کوبالامین اشاره کرد. در نگاه اول شاید این نام برای شما آشنا نباشد، اما هنگامی که به یکی از معروف ترین نمونه های آن به نام ویتامین B12 اشاره میشود ضرورت این ماده برای تمامی حیوانات امری بسیار قابل درک خواهد بود. همانگونه که در قسمت فوق ذکر شده است کبالت به سبب خواص فیزیکی خود در تولید فلزات مختلف از جمله فولاد نقش اساسی دارد. متاسفانه علی رغم آنچه در مطالب فوق بیان  در گذشته این ماده تحت عنوان یک ماده معدنی کمیاب در دنیا در انبار ها نگهداری میشود.

تاریخچه

کبالت یک ماده معدنی میباشد، اسم این ماده از واژه آلمانی cobalt  یا kobold گرفته شده و به معنی روح شیطان است، علت این نامگذاری را میتوان چنین عنوان کرد که این ماده به علت سمی بودن سایر محصولات را آلوده و کم عیار میکرد. از این رو کارگران معدن نام  ”  روح شیطان ” یا (Evil spirit)  را بر آن نهادند.

میتوان از جورج برندت به عنوان کاشف کبالت (سال های 1695- 1768) یاد کرد. وی این ماده را به رنگ آبی در شیشهای که قبلا حاوی بیسموت (فلز ضعیف شکننده به شکل سفید بلورین و سنگین که اثر خفیفی از رنگ صورتی در آن موجود میباشد) بود، نشان داد. کانه های کبالت برای مدت های طولانی به عنوان عامل ایجاد رنگ آبی در شیشه سازی و سفالگری مورد استفاده قرار میگرفته است. برای بیان قدمت استفاده از این ماده به عنوان پیگمنت ابی میتوان به مقبره های مصری یا مهره های شیشه ای پارسی اشاره کرد.

همانطور که گفته شد کبالت یک ماده معدنی است پس به شکل سنگ معدن یافت میشود در نتیجه این ماده بصورت فلز آزاد وجود ندارد. استفاده از این  ماده به سال 1907 برمیگردد که در آن زمان یک سری آلیاژ های کبالت کروم به اسم استیلت طراحی شدند اگر کمی پیش برویم متوجه خواهیم شد که افزودن کبالت به برخی از آلیاژ های آهن، نیکل و آلومینیوم میتواند ویژگی آنها را به آهن ربای دائمی افزایش دهد که این نکته در سال 1930 مشاهده شد.

نحوه استخراج

این محصول غالبا به عنوان محصول جانبی استخراج مس و نیکل حاصل میشود پس میتوان نتیجه گرفت که استخراج کبالت و تامین آن تا حد زیادی وابستگی به امکان اقتصادی برای استخراج مس و ینکل در یک بازار معین دارد. پس طی مراحل مذکور نیاز به جداسازی کبالت از مس و نیکل میباشد برای این منظور میتوان از روش های گوناگونی از جمله شناورسازی کف استفاده کرد که در نهایت منجر به غنی سازی سنگ معدن کبالت میشود. البته تبیین این روش ها به غلظت کبالت و ترکیب دقیق سنگ معدن ارتباط دارد

شکل های فراوری شدن

پس از تولید کبالت از روش هایی چون الکترولیز کلرید کبالت یا رسوب دهی شیمیایی و… استفاده میشود تا اکسید کبالت در 3 نوع تولید و در دسترس قرار گیرد. به عنوان نوع اول میتوان از اکسید کبالتII (CoO) نام برد که در حالت پودری سیاه رنگ و در حالت گرانوله مایل به قرمز و یا سبز می باشد. همچنین با دارا بودن نقطه ذوب ℃ ۱۹۳۳ و جرم مولی ۷۴.۹۳۲۶ g/mol در صنایع سرامیک سازی برای تولید لعاب آبی رنگ و در صنایع شیمیایی برای تولید نمک کبالت (II) استفاده می شود. نوع دوم اکسید کبالت، تری اکسید دی کبالت (Co3O4) با نقطه ذوب ℃ 895 و جرم مولی 8646.165 g/mol میباشد. و نهایتا نوع سوم این اکسید (Co3O4)، ترکیبی معدنی با رنگ سیاه و ساختار چهار ضلعی مشبک است، پس نتیجتا موجب افزایش جذب یون توسط کبالت می شود از این رو از فروش خوبی برخوردار است. کبالت پس از پشت سر گذاشتن مراحل فوق الذکر میتواند به شکل مایع یا پودر یا جامد ( جامد بودن این محصول تنها به فرم پودری خلاصه نشده بلکه میتوان از آن در صنایع زینتی نیز استفاده کرد) مورد استفاده مصارف گوناگون در صنعت های مختلف قرار بگیرد.

در ادامه بخشی از کاربرد های این محصول در صنایع مختلف را بررسی خواهیم کرد.

کاربرد

همانطور که گفته شد کبالت یک ماده سمی است و در نتیجه قابلیت استعمال ندارد با این حال مسئله مورد توجه این است که این ماده یکی از اجزا اصلی متابولیسم بدن تمامی موجودات زنده است. اکسید کبالت برای تولید رنگ و لعاب سازی به میزان زیادی کاربردی ب شمار میرود که موجب به استفاده از آن برای تولید کاتالیست، رنگدانه های شیمیایی اکسیدان، ابر رسانا، مواد فعال الکترود شیشه، رنگ چینى و در سنسورهای دما و گاز و… میشود.

کاتالیست ها

از این مواد می توان در حذف گوگرد موجود در نفت و گاز و خالص سازی آن ها در پالایشگاه ها بهره گرفت زیرا کاتالیست های بر پایه کبالت و مولیبدن نقش مهمی در حذف گوگرد دارند. همچنین این کاتالیست ها در فرایندهایی که مونوکسید کربن در آن ها شرکت داشته باشند، نقش مهمی دارند. از جمله در فرایند تبدیل مونوکسید کربن به سوخت مایع استفاده می شود.

 کبالت و استفاده های پزشکی

در گذشته این محصول موجب مرگ بسیاری از کارگران معادن شده است، اما اکنون یک ابزار اصلی در علم پزشکی شناخته میشود زیرا توانایی ساطع کردن اشعه گاما را دارد و از این رو در پرتو درمانی ( رادیوگرافی)  و برای درمان بیماری سرطان و همچنین ساخت ویتامین های  B1, B12که به ترتیب عدم آن موجب کم خونی و اختلال در عضلات قلب و مغزو اعصاب میشود، مورد استفاده قرار میگیرد. همچنین در مسمومیت های سیانیدی از نمک های تزریقی کبالت استفاده میشود.

قطعات الکتریکی

کبالت به عنوان یکی از اجزا اصلی باتری های قابل شارژ مخصوصا باتری های لیتیومی کاربرد دارد از نمونه کاربرد باتری های قابل شارژ میتوان به باتری گوشی، لپ تاپ و… اشاره کرد. از دیگر کاربردی های کبالت در حوزه قطعات الکتریکی میتوان از، استفاده از اکسید کبالت سیاه رنگ Co3O4 برای کلکتور های خورشیدی دما بالا، اکسید کبالت (II) برای ساخت ترمیستور برای بهبود مقاومت الکتریکی و حرارتی و همچنین استفاده از کبالت به عنوان ماده اصلی پوشش های نوار های ضبط مغناطیسی مثل نوار کاست و ویدئو، نام برد.

اکسید کبالت و صنایع رنگسازی

این ماده برای تولید نمک های کبالت مثل نیترات کبالت و کلرید کبالت استفاده میشود که کلرید کبالت برای تشخیص رطوبت هوا نیز استفاده میشود زیرا این ماده در اثر وجود رطوبت در هوا تغییر رنگ خواهد داد و نیترات کبالت برای ساخت رنگ مورد استفاده قرار  میگیرد.

کبالت و صنعت رنگ و شیشه

کبالت همچنین به عنوان خشک کن نیز استفاده میشود به طوری که کبالت آبی و سبز رنگ به صورت پوشش هایی برای لعاب های چینی و سرامیک ها و رنگدانه برای شیشه ها استفاده می شود. این عنصر عامل خشک کننده در رنگ ها، جوهرها و براق کننده هاست و در صورت نبود آن، رنگ روی سطوح بسیار دیر خشک می شود.

ابزار برش و تراش

کبالت در اغلب فولاد های ابزاری کار گرم و کار سرد به این جهت که قابلیت سختی فولاد های ابزار پرسرعت را زیاده کرده و از این رو میتواند بازدهی این ابزار هارا در هنگام برشکاری افزایش دهد، مورد استفاده قرار میگیرد.

کبالت و کاربرد های کشاورزی

همانطور که در قسمت های قبل ذکر شده است با وجود سمی بودن این ماده ولی وجود آن برای برای متابولیسم موجودات زنده یک امر مهم بشمار میرود زیرا وجود این ماده در خاک آنزیم های رشد آنان را فراهم کرده و سلامت جانوران و گیاهان را تضمین میکند.

معادن

در قسمت های  قبل ذکرشده است که کبالت به صورت محصول جانبی از معادن مس و نیکل بدست میاید پس میتوان نتیجه گیری کرد که کبالت معدن مجزایی ندارد بلکه بخشی از آن از معادن مس و بخشی دیگر از معادن نیکل به دست میایند. اما شایان ذکر است که مقدار اندکی کبالت(1000 تا 2000 تن در سال) از معادن کانه های آرسینکی در کشور غرب سالانه بدست میاید.

بزرگترین معدن استخراج کبالت شهر کوچک کنگو در قلب آفریقا میباشد. منطقه کاپربلت که در کشور زامبیا و کنگو قرار گرفته از لحاظ اقتصادی منطقه ای استراتژیک محسوب می شود که بیش از یک سوم ذخایر جهانی کبالت و 10 درصد ذخایر جهانی مس را در خود جای داده است. به طوری که نیمی از کل ذخایر کبالت جهان را در اختیار دارد ( حدود 3500000 تن) البته فارغ از استخراج کبالت در حدود 20% یک آلیاژ کبالت دار از منابع ثانویه ساخته شده.

با وجود اینکه ایران دارای مقادیر بالایی از ذخایر کبالت نیست اما در برخی از نقاط کشورمان معادن این عنصر شناسایی شده است. از جمله این مکان ها میتوان به وجود ذخایر کبالت در کاشان، قمصر، منطقه نیدر در استان فارس، معادن بایچه باغ در آذربایجان شرقی و فرومد در سبزوار اشاره کرد.

عوامل موثر بر عرضه و قیمت جهانی کبالت

این فلز دارای معدن مجزا نمیباشد بلکه به عنوان محصوا جانبی از معادن مس و نیکل استخراج میشود پس یک ارتباط مستقیم بین تغییرات قیمت این فلزات یا تغییرات قیمت معدن کاری و تغییر قیمت جهانی کبالت وجود دارد. از جهت دیگر کشورهای زامبیا و کنگو نیمه از تولید جهانی کبالت را به خود اختصاص داده اند در نتیجه تغییرات در تولید این ماده مرتبط با ثبات اقتصادی و وضعیت این کشورها است از این مطلب میتوان نتیجه گرفت در صورت بروز جنگ های ایالتی و قبیله ای و ایجاد مشکلات اقتصادی قیمت این عنصردستخوش تغییرات خواهد شد.

هشدار

از گذشته تا به حال تمامی ترکیبات کبالت سمی به شمار رفته است، هرچند به طور محتمل اغلب ترکیبات کبالت به میزان زیادی سمی نیستند اما بهتر است در استفاده از این محصول جوانب احتیاط را رعایت کرد، به طور مثال فلز کبالت پودر شده دارای خطر آتش سوزی میباشد و همچنین کبالت 60 اشعه گاما را به صورت قوی ارسال میکند و تماس با آن خطر ابتلا به سرطان را افزایش میدهد، همچنین بلع کبالت 60 میزانی از کبالت را وارد بدن میکند که به کندی از  بافت های بدن خارج میشود. کبالت 60 در مقابله‌های اتمی ، عاملی خطرساز است، چون ارسالهای نوترونی مقداری از آهن را به این ایزوتوپ رادیواکتیو تبدیل می‌کند. از این ماده همچنین در طراحی تسلیحات اتمی نیز استفاده میشود زیرا برخی از آن ها به گونه ای طراحی میشوند که مقداری از این ماده (کبالت60) را ب عنوان ذرات رادیواکتیو در محیط پراکنده شود که گاها آنهار بمب کبالت یا بمب کثیف مینامند. فارغ از استفاده از خطرات استفاده از این محصول در جنگ ها استفاده غلط از واحد های رادبو تراپاتیک پزشکی یا سرقت از آنها به نوبه خود میتوانند خطرآفرین باشند.