2023/09/19
人們已在距今2000多年的金屬人工制品中發現了鎳。鎳元素最早是由瑞典礦物學家阿·科隆斯杰特于1751年發現并分離的。到了19世紀,鎳憑借在電鍍及“鎳銀合金”(德國銀:鎳與銅和鋅結合)等合金中的應用廣為人知。這種合金得名于其顏色,但實際上根本不含銀!
鎳的名稱源自撒克遜詞語“Kupfernickel”,即“假銅”,因為15世紀的采礦者認為這種棕紅色的礦石看起來像銅,但開采起來非常困難,而且認為它對身體有毒性(實際上有毒的是砷)。
1857年,美國首次在鑄幣中使用鎳銅合金。其中的“鎳”并非純鎳,直到1881年純鎳才在瑞士用于鑄幣。不銹鋼是在20世紀初發現的,而鎳在很多普通等級的不銹鋼中發揮了非常有利的作用——現在仍是如此。人們發現鎳基合金具有優良的耐腐蝕性和耐高溫性,因此它常被化工廠使用,也讓噴氣發動機得以實現。憑借這些開發成果,鎳的需求量在20世紀增長迅猛,而且這個勢頭延續至今。
作為地球上第五種最豐富的自然元素,鎳對于某些植物的生命是必須的。在隕石,地球深處和近地表礦石中都可以發現鎳。鎳在環境中的天然含量隨地理位置的不同而顯著不同。鎳是植物類食物的成分之一。農作物中富含鎳,所以它出現在我們每天所吃的食品中,尤其是豆類、豌豆、扁豆、可可產品(巧克力)和燕麥。我們每天會攝取150-300微克的鎳。
01金屬鎳
鎳是一種有光澤、銀白色的天然金屬元素。鎳是地球上第五豐富的元素,而且廣泛存在于地殼中。但大部分鎳存在于無法觸及的地核中。
金屬鎳的主要特性
高熔點(1453℃)
耐腐蝕、耐氧化、有催化性
延展性極高
容易鑄成合金
在室溫下有磁性
可通過電鍍沉積
名稱 | 鎳 |
化學符合 | Ni |
原子序數 | 28 |
原子量 | 58.71 |
熔點 | 1453℃ |
沸點 | 2730℃ |
密度 | 8.90克/立方厘米(25℃) |
居里溫度 | 253℃ |
憑借這些特性,鎳在消費、工業、軍事、交通運輸、航天、船舶和建筑領域的30多萬種制品中被廣泛使用。最主要的用途是鑄造合金――尤其是與鉻及其他金屬鑄成合金以生產不銹鋼和耐熱鋼。這些鋼材被用于制作炊具、洗碗槽等,還被用在建筑物、食品加工設備、醫療器械和化工廠等中。
約有65%的鎳產量用于生產不銹鋼。另有20%的產量在其他鋼合金及有色金屬合金中使用――往往用于高度專業化的工業、航天和軍事應用。約有9%的產量用于電鍍,還有6%的產量用于其他用途,包括鑄幣、電子器件以及便攜設備和混合動力車的電池。上述應用中,在不降低性能或提高成本的情況下無法用其他材料取代鎳。
鎳對于維持植物健康至關重要。因此,它自然存在于大多數蔬菜、水果和堅果以及用它們生產的食品中——例如巧克力和葡萄酒。
02鎳的生產
鎳主要以氧化物、硫化物和硅酸鹽的形式自然存在。23個國家對鎳礦石進行開采,25個國家對鎳礦石進行冶煉或精煉。主要生產國為俄羅斯、加拿大、新喀里多尼亞、澳大利亞、印度尼西亞、古巴、中國、南非、多米尼加共和國、博茨瓦納、哥倫比亞、希臘和巴西。挪威、芬蘭、法國、日本和英國也有大型鎳精煉廠。原鎳是以鐵鎳合金、氧化鎳及其他化學品的形式生產和使用的,以純金屬鎳形式生產和使用的數量也差不多。鎳很容易從諸多應用中被回收利用,而且有大量的再生鎳或“廢”鎳用于對新采鎳的補充。
全世界新鎳或原鎳的年產量和使用量只有140萬噸左右,而銅的年產量和使用量為1000萬噸,鋼的年產量和使用量接近8億噸。有很多種不同的鎳礦石,而且從這些礦石中提取鎳及其他金屬的方式也多種多樣。
03為什么選擇鎳
含鎳材料在我們的日常生活中發揮著重要作用——食品制作設備、手機、醫療器械、交通運輸、建筑物、發電……選擇含鎳材料是因為它們與其他材料相比具有更好的耐腐蝕性、韌性、高低溫強度和多種特殊的磁性和電子性質。最重要的含鎳材料為鐵、鎳與鉻合金,其中不銹鋼(含鎳量一般為8%-12%)數量最大。鎳基合金——如含鎳量較高的不銹鋼,用在標準較為嚴格的地方(燃氣輪機和一些化工廠)。另外,鐵鎳合金被用在電子器件和專業工程領域;銅鎳合金用于鑄幣和船舶工程。日常使用的含鎳合金約有3000種。每年約90%的新鎳被購買用于生產合金,這其中的三分之二用于生產不銹鋼。
金屬鎳以“鍍鎳”或“無電鍍鎳鍍層”或“電鑄成型”的形式制成耐磨裝飾鍍層和工程鍍層。金屬鎳與鉻表層配合使用時一般稱“鍍鉻”。如果與碳化硅結合,則稱“復合電鍍”。鎳是一些充電電池系統的關鍵組分,這些系統用于電子器件、電動工具、交通運輸和應急電源,如今最重要的是鎳氫電池(NiMH)。
鎳還是提高化學反應效率的多種催化劑的主要成分。
鎳使用量每年增長約4%,而含鎳不銹鋼的使用量每年增長約6%。目前使用量增長最快的國家是剛開始迅速工業化的國家,尤其是亞洲國家。在這些國家,含鎳材料被用于翻新基礎設施,滿足工業和日常材料需求。大多數含鎳產品都有很長的使用壽命,平均使用壽命約為25-35年。含鎳產品往往能以最佳方案解決實際問題,且總成本較低,同時能更高效地利用資源(包括能源)。使用壽命終結時,可回收和再生含鎳產品以供將來使用,且能重復使用。鎳是全球再生程度最高的材料之一,它主要以合金的形式被回收和再生。不銹鋼產品中大約一半的鎳來自回收和再生。
鎳對很多國家具有極大的經濟和戰略價值,這從相關終端使用行業的高度多樣化即可看出。鎳的交易場所為倫敦金屬交易所??偛吭O在葡萄牙里斯本的國際鎳業研究組織是一家政府間機構,負責發布每月鎳供需統計數據,同時也是鎳業動態資料和觀點的交流論壇。
鎳及鎳化合物在某些情形下可能與毒性、致癌性和皮膚過敏有關。與鎳危害有關的大多數實際風險發生在鎳生產和精煉中采用的某些復雜工藝中。這些風險都已被人熟知,且通過具體的工作場所監管措施得到管控。在業界人士看來,使用鎳、含鎳合金或含鎳產品一般不會產生重大風險,但珠寶首飾中鎳和某些鎳合金的使用除外。鎳的使用在改善健康、安全和環境保護中起到的實際作用很大。