فلز نیکل چیست و چه کاربردهای مهمی دارد؟

نیکل چیست

نیکل یک عنصر فلزی موجود در طبیعت با ظاهری براق و نقره ای. پنجمین عنصر رایج در زمین است و به وفور در پوسته و هسته زمین وجود دارد. به همراه آهن، یک عنصر رایج در شهاب سنگ ها است و حتی می توان فلز نیکل را در مقادیر اندک در گیاهان، حیوانات و آب دریا نیز مشاهده کرد. گرچه غلظتش ۸۰ پاره در میلیون است، با این حال هسته زمین اساساً از آلیاژ نیکل و آهن تشکیل شده.آلیاژ نیکل از گروه عناصر آهن و کبالت است و از نظر خواص مغناطیسی و فعالیت شیمیایی شبیه به آن ها می باشد. آلیاژ نیکل به دلیل این که دوام زیادی در آب و هوا داشته اکسید نمی شود با توجه به همین موردبرای تولید سکه‌های پول، فلز کاری برنج و آهن و همچنین برای ساخت ابزار آلات شیمیایی در آلیاژهای خاص مانند نقره آلمانی کاربرد دارد.

تاریخچه

نیکل در اشیاء تاریخی فلزی کشف شده که قدمت آنها به بیش از ۲۰۰۰ سال می رسد، مشاهده شده است.

اَکسل کِرونستد، شیمیدان سوئدی، برای اولین بار در سال ۱۷۵۱ آن را به عنوان یک عنصر شناسایی و تفکیک کرد. در قرن نوزدهم، به دلیل استفاده در آبکاری فلزی و در آلیاژهایی مانند «نقره-نیکل» (نقره آلمانی) که در آن با مس و روی عیار زده می شود (ترکیب می گردد)، زبان زد عام و خاص شد. این آلیاژ به جهت رنگش، «نقره- نیکل» نامگذاری شد، وگرنه حاوی هیچ نقره ای نیست.

در قرن پانزدهم، معدنچیان آلمانی یک سنگ معدن قهوه ای-قرمز رنگ را پیدا کردند که به عقیده آنها حاوی مس است. آنها این مس را «کوپفِرنیکل یا  مس شیطانی» نامیدند زیرا نمی توانستند مس را از آن جدا کنند.

ایالات متحده آمریکا اولین بار در سال ۱۸۵۷ سکه ها را با استفاده از آلیاژ مس و نیکل ضرب کرد. هنوز چیزی به عنوان نیکل خالص وجود خارجی نداشت، اما در سال ۱۸۸۱، از نیکل خالص برای ضرب سکه در سوئیس استفاده شد.

فولاد ضد زنگ در اوایل قرن بیستم کشف شد و مشاهده شد که نیکل در بسیاری از گریدهای مختلف فولاد ضد زنگ نقش حیاتی دارد و تا به امروز نیز همین روند ادامه دارد. مشخص شد که آلیاژهای مبتنی بر این عنصر از مقاومت فوق العاده در برابر خوردگی برخوردارند و می توانند در برابر درجه حرارت بالا مقاومت کنند که این باعث شد آنها مناسب استفاده در کارخانجات مواد شیمیایی باشند و امکان عملی سازی موتور جت فراهم آید. در نتیجه این تحولات، نیکل طی یک قرن گذشته با رشد بسیار شدید تقاضا مواجه شد. این وضعیت امروز نیز به دلیل نقش اساسی این عنصر در بسیاری از فناوری ها همچنان ادامه دارد.

خواص فیزیکی و شیمیایی

این عنصر دارای خواص فیزیکی و شیمیایی فوق العاده ای است که باعث می شود در صدها هزار محصول نقش اساسی ایفا کند. بیشترین کاربرد آن در آلیاژ است – به ویژه با کروم و سایر فلزات برای تولید فولادهای ضد زنگ و مقاوم در برابر حرارت.

یک عنصر فلزیِ طبیعیِ درخشانِ به رنگ سفید-نقره ای.

می توانید ویژگی های اصلی آن را در جدول زیر ملاحظه کنید

حدود ۶۹٪ از این عنصر برای ساخت فولادهای ضد زنگ استفاده می شود. ۱۵٪ دیگر در سایر آلیاژهای فولادی و غیر آهنی استفاده می شود – غالباً برای کاربردهای بسیار تخصصی صنعتی ، هوافضا و نظامی. حدود ۸٪ در آبکاری و ۳٪ دیگر در چدن ریزی و ریخته گری. حدود ۳٪ در باتری های مورد استفاده در قطعات الکترونیکی و در باتری های مورد استفاده در تجهیزات قابل حمل و خودروهای هیبریدی استفاده می شود و تقریباً ۲٪ از آن به استفاده در مواد شیمیایی، کاتالیزور و ماده رنگرزی اختصاص می یابد.

آلیاژها

نیکل با بیشتر فلزات مانند مس، کروم، آهن و مولیبدنوم به راحتی آلیاژ می شود. افزودن آن به سایر فلزات، خواص آلیاژ حاصل را تغییر می دهد و می توان از آنها برای خلق خصوصیات مورد نظر مانند بهبود خوردگی یا مقاومت در برابر اکسیداسیون، افزایش کارایی در دمای بالا یا ضرایب پایین تر انبساط حرارتی استفاده کرد.

در ادامه اطلاعاتی در مورد برخی از انواع آلیاژ نیکل ارائه شده است.

• آلیاژ آهن و نیکل: کارکرد آلیاژ آهن و نیکل در جایی است که خاصیت مورد نظر نرخ پایین انبساط حرارتی است. ^® Invar 36که با نام های تجاری ^®­Nilo 6 یا ^® Pernifer 6نیز فروخته می شود، یک ضریب انبساط حرارتی را نشان می دهد که حدود یک­دهم انبساط حرارتی فولاد کربنی است. این درجه بالای پایداری بُعدی، این نوع آلیاژ را مناسب استفاده در موارد همچون تجهیزات اندازه گیری دقیق یا میله های ترموستات می سازد. دیگر آلیاژهای آهن-نیکل با غلظت حتی بیشتر نیکل در کاربردهایی که خواص مغناطیسی نرم از جمله ترانسفورماتورها، القاگرها یا دستگاههای ذخیره سازی حافظه مهم هستند، استفاده می شود.

• آلیاژ مس و نیکل: آلیاژهای مس و نیکل در برابر خوردگی ناشی از آب شور یا آب دریا بسیار مقاوم هستند و در نتیجه مناسب کاربردهای دریایی اند. به عنوان نمونه، ^®­Monel 400 که تحت نام های تجاری Nickelvac 400® یا Nicorros 400®  نیز به فروش می رسد، می تواند در سیستم های لوله کشی دریایی، محورهای پمپ و دریچه های آب دریا مورد استفاده قرار گیرند. این آلیاژ از منظر حداقل غلظت، ۶۳٪ نیکل و ۳۴-۳۴٪ مس دارد.

• آلیاژ مولیبدنوم و نیکل: آلیاژهای مولیبدنوم و نیکل مقاومت شیمیایی بالایی در برابر اسیدهای قوی و سایر کاهنده ها مانند اسید هیدروکلریک، کلرید هیدروژن، اسید سولفوریک و اسید فسفریک دارند. ترکیبات شیمیایی برای آلیاژی از این نوع مانند آلیاژ B-2 دارای غلظت مولیبدن ۲۹-۳۰٪ و غلظت نیکل بین ۶۶-۷۴٪ است. این آلیاژها در پمپ ها و دریچه ها، واشرها، مخازن تحت فشار، مبدل های حرارتی و محصولات لوله کشی استفاده می شوند.

• آلیاژ کروم و نیکل: ارزش این نوع آلیاژ به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی، مقاومت در برابر دمای بالا و مقاومت الکتریکی بالا است. به عنوان مثال، آلیاژ NiCr 70/30، همچنین به عنوان Ni70Cr30 ، Nikrothal 70 ، Resistohm 70 و X30H70 شناخته می شود، دارای نقطه ذوب ۱۳۸۰ درجه سانتیگراد و مقاومت الکتریکی ۱.۱۸ میکرو اهم/متر است. در ساخت اِلمان های گرمایشی مانند در توسترها و سایر بخاری های با مقاومت الکتریکی از آلیاژهای نیکل-کروم استفاده می شود.

دسترس پذیری

دو اصطلاح «ذخایر» و «منابع» برای توصیف در دسترس بودن مواد خام استفاده می شود.

«منابع یک ماده معدنی عبارت است از تراکم یا وجود آن ماده در پوسته زمین با توجه به نفع اقتصادی اش آنهم در شکل، درجه، کیفیت و کمیت و اینکه که چشم اندازهای معقولی برای استخراج اقتصادی احتمالی در آینده وجود دارد یا نه. ذخایر یک ماده معدنی عبارت است از بخش به لحاظ اقتصادی قابل استخراج یک منبع معدنی اندازه گیری شده و یا نشانه گذاری شده.»

ذخایر حاکی از افزایش سطح دانش و اطمینان است. شرکت های فعال در حوزه استخراج معدن به طور مداوم با اکتشاف، منابع را به ذخایر تبدیل می کنند. بنابراین، در بیشتر موارد، محدودیتِ در دسترس بودن مواد خام بیشتر ظرفیت تولید کافی در یک بازه زمانی کوتاه برای تأمین افزایش شدید تقاضا سروکار دارد تا وجود مواد خام کافی در زمین.

منابع نیکل جهان در حال حاضر تقریباً ۳۰۰ میلیون تن تخمین زده شده است.

استرالیا، اندونزی، آفریقای جنوبی، روسیه و کانادا بیش از ۵۰٪ از منابع جهانی این عنصر را به خود اختصاص داده اند. تراکم های اقتصادی آن در ذخایر سنگی سولفید و لاتریت وجود دارد.

علیرغم این واقعیت که تقریباً ۸۰ درصد از کل نیکل به لحاظ تاریخی در طول ۳ دهه استخراج شده است، به ذخایر و منابع آن نیز افزوده شده است. پارامترهای مختلف در این تحول نقش دارند، از جمله کسب اطلاعات بیشتر در مورد ذخایر جدید در مناطق دور افتاده و افزایش فعالیت های اکتشافیِ شرکت های معدن کاری. فن آوری های پیشرفته در استخراج، ذوب و پالایش و همچنین افزایش ظرفیت، امکان فرآوری سنگ معدن نیکلِ با گرید پایین را فراهم می آورد. بنابراین تنزل گریدهای سنگ معدن لزوماً نشانه ای از کاهش منابع نیست، بلکه بازتاب نوآوری و پیشرفت های صورت گرفته در فناوری استخراج معدن و فرآوری است.

همچنین حدس زده می شود که ذخایر قابل توجهی از این عنصر در اعماق اقیانوس ها وجود داشته باشد. برآمدگی های از جنس منگنز، که در اعماق اقیانوس ها مشاهده می شوند، حاوی مقادیر قابل توجهی از نیکل هستند. برآوردهای اخیر حاکی از وجود بیش از ۲۹۰ میلیون تن نیکل در این ذخایر است. پیش بینی می شود که توسعه فن آوری های استخراج در اعماق اقیانوس ها دسترسی به این منابع را در آینده تسهیل بخشد.

در ادامه دو نقشه جغرافیا را مشاهده می کنید که اولی مربوط به کشورهای دارای بیشترین منابع و دومی مربوط به کشورهای بیشترین ذخایر است.

منابع

ذخایر

استخراج و تولید

این عنصر به طور طبیعی اساساً به عنوان اکسیدها، سولفیدها و سیلیکات ها وجود دارد. فرم اولیه به عنوان نیکل آهنی، اکسید نیکل و سایر مواد شیمیایی و نیز به عنوان فلز نیکل کم و بیش خالص تولید و مورد استفاده قرار می گیرد. سالانه بیش از دو میلیون تن نیکل جدید یا اولیه در جهان تولید و مورد استفاده قرار می گیرد.

انواع مختلفی از سنگ معدنی نیکل وجود دارد که نیازمند استفاده از تکنیک های مختلف برای استخراج است.

سنگ های معدنی مذکور در حال حاضر در بیش از ۲۵ کشور دنیا استخراج می شود. در زیر نقشه ای از کشورهایی که در آنجا روند استخراج و تولید می شود، آورده شده است.

کاربردها

کاربردهای این عنصر فلزی را می توان به دو دسته ی کاربرد اولیه و کاربرد نهایی تقسیم بندی کرد.

کاربرد اولیه

استفاده اولیه از نیکل به عنوان تبدیل محصولات حاوی این عنصر به محصولات واسطه ای تعریف می شود که مبنایی را برای محصولات نهایی حاوی نیکل شکل می دهد. تقریباً در کلیه موارد، این محصولات دست اول قبل از آماده شدن جهت استفاده تحت فرآوری بیشتر قرار می گیرند.

استفاده اولیه نیکل

کاربرد نهایی

به دلیل خاصیت فیزیکی و مکانیکی برجسته، این عنصر در طیف گسترده ای از بخش های صنعتی و غیر صنعتی استفاده می شود.

استفاده نهایی نیکل

تأثیر اجتماعی-اقتصادی

داده های اقتصادی-اجتماعی به دست آمده، حاکی از اهمیت صنایع در کل زنجیره ارزش، از استخراج معدن تا استفاده نهایی و بازیافت است. این داده ها معیارهای مهم مانند اشتغال یا ارزش افزوده را اندازه گیری می کنند. آنها به عنوان مبنایی برای مدل سازی اثرات مثبت و منفیِ تحولات بازار یا طرح های نظارتی عمل می کنند.

در اروپا، یک ارزیابی اقتصادی-اجتماعی از ۱۲ اقتصاد معتبر که در آنجا تولید یا استفاده قابل توجهی از نیکل صورت می گیرد، انجام شد. در این کشورها، کل ارزش افزوده این صنعت و زنجیره های ارزش آن ۴۳ میلیارد یورو تخمین زده شده است. علاوه بر این، تولید حاصله و صنایع وابسته حدود ۱۳۰ میلیارد یورو است، یعنی حدود ۷۵۰۰۰۰ شغل به طور مستقیم یا غیرمستقیم به این عنصر وابسته است(با استناد به داده های ۲۰۱۷).

در سطح جهانی، زنجیره ارزش این عنصر از مشاغل متعددی پشتیبانی می کند که بسیاری از آنها مشاغل تولیدیِ با مهارت بالا هستند.

پایداری و بازیافت

* پایداری

جامعه بیشتر و بیشتر به پایداری اهمیت می دهد و باید بیشتر در مورد موادی که به آینده پایدار کمک می کنند، اطلاعات بیشتری کسب کند. نیکل یکی از این مواد است.

این عنصر را نمی توان ایجاد و نابود کرد. ویژگی های آن – مقاومت در برابر خوردگی، پایداری در دمای بالا، استحکام، انعطاف پذیری، سفتی، بازیافت پذیری و همچنین خصوصیات کاتالیزوری و الکترومغناطیسی به دستیابی به پایداری کمک می کند. اشکال مختلف این عنصر غالباً از دیدها دور مانده، اما صدها نقش در هزاران محصول و برنامه کاربردی که هر روز از آنها استفاده می کنیم، ایفا می کند.

اگرچه نقش آن غالباً از نظرها پنهان است، اما در توانمندسازی بسیاری از فن آوری های مورد نیاز برای پایداری اثرگذار است. از این گذشته، این عنصر از بسیاری جهات در دستیابی به بسیاری از اهداف توسعه پایدار سازمان ملل(SDGs) نقش دارد.

* بازیافت

امکان مصرف و به اتمام رساندن این عنصر فلزیِ طبیعی وجود ندارد. مانند بسیاری از فلزات دیگر، کاملاً قابل بازیافت است. می تواند دوباره و دوباره و بدون از دست دادن کیفیت خود بازیافت شود، و به مدل اقتصاد مدور (CE) کمک کند.

از آنجا که محصولات حاوی نیکل دارای ارزش هستند، زیرساخت هایی برای جمع آوری و فرآوری آنها وجود دارد. جمع آوری، طبقه بندی، آماده سازی، حمل و نقل و استفاده از آهن آلات قراضه مشاغل زیادی ایجاد می کند و به ارزش اقتصادی می افزاید.