世界地球日 | 矿产资源 地球家园的馈赠

　　——中国地质调查局成都矿产综合利用研究所科普文章选登

　　钴：国家重要战略资源

　　赖杨 梅亚军

　　一、钴元素基本特征

　　钴元素符号为Co，原子序数为27，相对原子量为58.9332，属于元素周期表中第四周期Ⅷ族元素，熔点1495℃，密度8.9g/cm³，硬度5.6，为钢灰色光泽的金属，具有稳定的强磁性，比较硬而脆，在硬度、抗拉强度、机械加工性能、热力学性质等电化学行为方面与铁和镍相类似，所以被统称为铁族元素。自然界中钴的存在形式有三种：独立钴矿物；呈类质同象或包裹体存在于某一矿物中；呈吸附形式存在于某些矿物表面。而最普遍就是以类质同象的形式赋存于某矿物中。

　　二、钴资源分布概况

　　世界已查明的陆地钴资源量约1500万吨，这些资源中大部分伴生于红土型镍矿床中，另一部分伴生于岩浆型铜镍硫化物矿床和砂岩型铜矿床中，少量伴生于多金属热液脉型矿床、矽卡岩型铁铜矿床、火山岩型铜矿床和大洋海底的锰结核及锰结核壳。2015年世界钴储量为710万吨，主要分布在刚果（金）、澳大利亚、古巴、赞比亚、俄罗斯、菲律宾、加拿大和新客里多尼亚等8个国家或地区，这些国家或地区的储量都在20万吨以上，合计621万吨，约占世界总储量的87.5%。中国钴矿资源储量少，基本上以伴生钴为主，至2008年底，我国钴矿查明基础储量约8.9万吨，开采利用的约占50%。我国钴产量低，大部分钴资源依靠进口。

　　三、形成钴矿的矿床类型有哪些？

　　在我国，钴元素主要以伴生元素富集于岩浆铜镍硫化物型矿床中，以及热液火山作用有关类型矿床中，而我国缺乏全球最重要的沉积型的铜钴矿床及红土型的镍钴矿床（分别占全球钴资源的41%和38％）。国内大部分钴来自与镁铁质-超镁铁质岩有关的铜镍硫化物矿床的开采利用，岩浆作用相关的富钴矿床也是我国重要的钴矿床类型之一，岩浆矿床的主要特点是钴含量较低，多为伴生矿床。例如，峨眉山火成岩系发育有超大型的镁铁质-超镁铁质岩有关的钒钛磁铁矿矿床，钒钛磁铁矿床中含有Fe、Ti、V、Cr、Ni、Co、Cu、Ca、Se、Te、Au、Ir、Ru、Rh和Pt等多种有价金属元素，主量元素铁、钒、钛正在被开发利用，而其他稀有分散元素及伴生元素并没有被开发利用。其中钴便是没有被完全开发利用的重要战略元素之一，钴具有比较强的亲铁性和亲硫性，在攀西某地区的钒钛磁铁矿中，钴元素主要以伴生状态赋存于黄铁矿、磁黄铁矿、紫硫镍矿和镍黄铁矿等硫化物中，少量以独立矿物硫钴镍矿和辉钴矿存在。

　　四、钴元素有何用途及重要意义

　　钴是一种重要的战略金属，随着新能源、新材料、绿色环保等新兴产业的迅速发展，钴成为很多国家的重要关键资源，钴主要用于制造可充电电池、超级合金、航天器材料及高端武器。与无钴电池相比，含钴三元动力电池在电池能量密度、充电速度、功耗、电池寿命等方面具有明显优势，随着新能源汽车的不断升级，含钴三元动力电池未来有着巨大的发展空间。在制作合金方面，钴的物理和化学性质决定了它是生产耐热合金、硬质合金、防腐合金、磁性合金和各种钴盐的重要原料。生活中我们使用的钢刀具如果含有一定量的钴，那么它的耐磨性和切削性能可以显著提高。含钴50%的合金即使加热到1000℃也不会失去其原有硬度，所以钴也成为制作燃气轮机的叶片、喷气发动机、火箭发动机和导弹部件中不可或缺的重要金属材料。

　　钴还可用于石油和化学加工的催化剂和永磁铁磁性材料，钴不仅是制造合金的重要金属，而且也是各种高级颜料的重要原料，钴的一些化合物，在不同状态和温度下，呈现出不同的颜色，从而满足人们对不同颜色染料的需求。钴60（⁶⁰Co）也是广泛使用的γ射线源，在医疗中常用钴产生的γ射线治疗癌症。人体内的钴约10%是以维生素的形式存在，并且钴元素能刺激人体骨髓的造血系统，促使血红蛋白的合成以及红细胞数目的增加。体内参与生理作用的钴基本上是以维生素B₁₂的形式，钴是维生素B₁₂的组成部分。反刍动物可以在肠道内将摄入的钴合成为维生素B₁₂，而人体却不能合成。

　　钴是国家重要的战略资源。我国钴矿产大量依赖进口，存在较大的供应风险，所以我国应加大钴资源的勘探和开发力度，并提高伴生钴资源的综合利用率，确保国家钴资源供应安全。

　　稀土是“土”吗？它有什么作用？

　　客昆 龚大兴

　　一、稀土是“土”吗？

　　稀土并不是“土”，而是包括化学元素周期表中的15种镧系元素——镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu），以及与镧系元素密切相关的两个元素钪（Sc）和钇（Y）共十七种金属元素的总称。最早发现稀土的是芬兰化学家加多林，因为18世纪发现的稀土矿物较少，当时只能用化学法制得少量不溶于水的氧化物，历史上习惯地把这种氧化物称为“土”，因而得名稀土。

　　二、稀土储量及分布概述

　　全球稀土储量丰富，主要分布在中国、俄罗斯、越南及巴西四国，资源占全球90%左右。中国稀土资源储量丰富，有资源储量、产量、销售量三项世界第一，同时，中国还是唯一一个能够提供全部17种稀土金属的国家，国内稀土资源具有明显“北轻南重”的分布特点。

　　三、稀土有什么作用？

　　稀土是宝贵的战略资源，有“工业味精”“新材料之母”之称，广泛应用于尖端科技领域和军工领域。目前，稀土在永磁、发光、催化剂、电热材料、建筑陶瓷、屏敝材料、荧光粉激活剂等先进装备制造业、新能源、新兴产业等高新技术产业中是不可缺少的原材料，还广泛应用于电子、石油化工、治金、机械、新能源、轻工、环境保护、农业等方面。

　　四、贵州新型稀土“沉积型稀土”的发现及意义

　　“沉积型稀土”是中国地质调查局成都矿产综合利用研究所于2019年在贵州省毕节市威宁县哲觉镇一带发现，地表多处可见矿体露头，矿体形态呈层状、似层状，严格受控于沉积地层，矿体紧邻中-晚二叠世峨眉山玄武岩组（P2-3em）风化壳之上、晚二叠世宣威组（P3x）下部铝土质黏土岩-粉砂质泥岩-凝灰岩碎屑岩建造。沉积型稀土与离子吸附型稀土不同，沉积型稀土并不以离子交换和配位络合形式吸附于高岭石表面，用传统的铵盐体系及硫酸体系直接浸出率极低（0.02%-24%）；通过数轮技术攻坚，最终形成了“焙烧-选择性酸浸”专利技术及“无焙烧液相复分解转化-选择性酸浸”两套新技术，使得沉积型稀土浸出率达到90%，同时铝、铁、钛、硅等主要杂质浸出率＜5%，有效解决了该矿无法采用选矿方法进行富集回收的难题。该工艺具备流程短、选择性强，绿色高效的特点，无污染、无放射性。

　　中国地质调查局成都矿产综合利用研究所聚焦国家重大需求、贯彻落实创新型国家建设目标、国家能源资源安全战略，以解决稀土资源勘查开发技术装备“卡脖子”重大问题、支撑关键矿产安全保障和抢占产业技术创新制高点为目的，突破急需紧缺稀土绿色勘查开发核心技术，构建稀土绿色勘查开发技术装备保障体系，通过探索新的管理体制和运行机制，汇集全国优势创新力量和创新团队，建成开放共享、运行高效、国际一流的技术创新中心，打造一个全球稀土勘查开发技术创新高地，培育一个具有国际影响力的行业领军企业，带动一批科技型中小企业成长壮大，催生一批发展潜力大、带动作用强的创新型产业集群，形成一个面向全球的技术交流、服务和创新人才的培养基地，全面提升我国在全球稀土资源勘查开发企业版图和创新格局中的位势，最终形成“战略研究作支撑、技术研发助转化”的具有国际领先水平的稀土资源应用技术创新中心，精心打造中国地质调查局稀土资源应用技术创新中心有限公司实体，实现科学-技术-产品的可持续发展模式。

　　“双碳”经济下蓬勃发展的稀土材料

　　邓善芝

　　稀土元素由于其特殊的4f电子层结构，使其在磁性、光学上具有一系列特殊的性质，在荧光材料、电光源材料、永磁材料等多种材料中起着至关重要的作用。在“双碳”经济下，能源结构变革促进稀土材料行业新一轮增长需求。

　　一、节能电机的关键材料——钕铁硼永磁材料

　　钕铁硼永磁材料是将镨、钕混合稀土金属与过渡金属（如钴、铁）组成的合金，用粉末冶金方法压型烧结，经磁场充磁后制得的一种磁性材料。其性能优于金属永磁材料和铁氧体永磁材料，是当前综合性能最高的磁体，也是应用最广的磁性材料。

　　钕铁硼材料生产的稀土永磁电机，具有节能与节约空间优势，与传统异步电机相比，稀土永磁电机具有高效率、高功率因数、高功率密度、温升低、可靠性高等优点，相对于感应电机等传统电机节能 15%-20%。

　　高性能钕铁硼磁材可以应用于各种型号的电机，在新能源汽车、变频家电、节能电梯和风力发电等领域应用前景广泛。“双碳”政策推进下，低能耗电机的推广促进钕铁硼永磁材料产业的快速发展。

　　二、稀土环保催化剂应用

　　“碳达峰碳中和”目标的提出，要求最大程度地降低发展过程对环境的影响。环保催化剂是指用直接或间接的方法处理有毒、有害物质，使之无害化或减量化，以保护和改善周围环境所用的催化剂。稀土脱硝催化剂和稀土尾气净化催化剂是该领域的重要组成部分，可有效降低企业污染物、汽车尾气的排放对环境的影响。

　　根据用于处理的有毒、有害物质不同，环保催化剂可分为用于处理氮氧化物的催化剂，处理一氧化碳和碳氢化合物的催化剂，处理挥发性有机物（VOC）焚化催化剂，污水的催化处理催化剂等，如应用于燃烧环节的催化剂，能够实现高温脱硝，从而节约燃料或者实现余热回收利用，一台采用稀土脱硝催化剂的120平方米烧结机，每年可节约5370吨标准煤，折合二氧化碳约14445吨。

　　稀土催化剂的另一项重要应用为汽车尾气净化催化剂。在双碳经济下，国家不断提高相应的排放要求，加强了低排放标准柴油车的严格限制，稀土尾气净化催化剂的使用可有效减少碳排放量，助力我国碳排放指标的实现。

　　三、储氢材料

　　伴随全球对化石能源危机意识的增强，近年来新能源汽车飞速发展。无论是新兴车企迅速壮大，还是传统车企的主动转型，都向外界传达出汽车行业电气化时代的到来。各国政府接连出台燃油汽车停售时间表。采用稀土储氢合金作为氢源供应的燃料电池具有综合使用成本低，经济性强，且输出功率恒定，工作性能更佳，充能快捷，效率更高等优点，可弥补锂电池在工程车辆、充电速率等方面的不足，有望在“难以减排领域”得到大规模应用，实现交通领域的深度脱碳。

　　稀土储氢合金制备的镍氢电池，具有安全性高，循环寿命长性能稳定的特点，可推广至大规模电力装备储能、氢能源汽车等领域，并将在推动新型能源利用和环保型经济发展中发挥重要作用。

　　四、双碳目标助力稀土行业发展

　　“双碳”经济对碳排放提出了前所未有的高要求，在全球“碳中和”目标的大背景下，传统行业面临颠覆性革命。稀土作为工业“味精”，在其他工业领域中也遍布身影，“碳中和”将进一步推动产业升级，除钕铁硼永磁材料、稀土储氢电池、稀土环保催化剂的应用之外，具有隔热、保温、降耗的稀土涂料、轻质稀土合金等稀土新材料的需求也将得到进一步的增长。

　　随着绿色变革大潮的到来，稀土行业将拥有更大的舞台。