Cobalt

Cobalt (standardsprachlich Kobalt) gehört wegen seiner hohen Dichte zu den Schwermetallen. Wie viele andere sieht es metallisch grau glänzend aus. Es wird in den meisten modernen Batterien wie dem Lithium-Ionen-Akku oder den schon seit Jahren bekannten Nickel-Metallhydrid-Akkus eingesetzt. Für den menschlichen Organismus ist Cobalt wichtig, denn Vitamin B12 enthält Cobalt.

Wie könnte ich damit in Kontakt kommen?

Kobalt auf Periodensystem der Elemente. Bildquelle: natros-stock.adobe.com

Da Cobalt in einigen Alltagsanwendungen eingesetzt wird, kann man auch häufig damit in Kontakt kommen. Gitarrensaiten, Modeschmuck, Kosmetika und Dauermagnete können Cobalt enthalten. Auch Werkzeuge, die besonders großen Belastungen standhalten müssen, enthalten oft Cobalt (als Wolframcarbid-Cobalt). Cobalt verbessert die mechanischen Eigenschaften von Prothesen, man kann Cobalt dementsprechend im eigenen Körper haben. Tiefblaue Glasgegenstände enthalten oft Cobalt als Farbpigment.

Wie gefährlich ist das Material für Mensch und Umwelt?

Cobalt ist in niedriger Dosis für Mensch und Tier nicht gefährlich. Da es in Stahl, Glas oder Werkstoffen fest eingebunden eingesetzt wird, werden keine größeren Mengen an Cobalt oder seinen Verbindungen frei. Nimmt man größere Mengen an Cobalt auf, kann das allerdings zu Vergiftungen führen. Analog zu Nickel kann auch Cobalt eine Kontaktallergie auslösen.

Für die meisten Lebewesen, auch den Menschen, ist Cobalt in geringen Mengen lebenswichtig. Es ist in der Vitamin B12-Gruppe enthalten. Ein Mangel dieses Vitamins kann zu Veränderungen des Blutbilds, zur Schädigung des Zentralnervensystems und anderen Erkrankungen führen.

Fazit

Cobalt ist ein schönes Beispiel für den immer noch gültigen Satz nach Paracelsus „Die Dosis macht das Gift“: kleine Mengen sind lebenswichtig, größere Mengen können gesundheitsschädlich sein. Bei normalen Lebensbedingungen ist eine hohe Cobaltaufnahme unwahrscheinlich.

Nebenbei

Veganer sollten den Vitamin B12-Spiegel in ihrem Blut gelegentlich überprüfen lassen, denn in rein pflanzlicher Kost ist kein Vitamin B12 enthalten. Es kann aber über vegane Präparate zugeführt werden.

 

 

Eigenschaften & Anwendungen

Cobalt ist ein silbrig glänzendes Metall, das in vielen Metall-Legierungen und anderen Verbindungen wie Keramiken eingesetzt wird (vgl. auch unseren Artikel zu Wolframcarbid-Cobalt, einer Hartmetallverbindung, die dem Namen entsprechend besonders hart ist) . Mit Cobalt können die Temperatureigenschaften und die Korrosionsfestigkeit von Stahl verbessert und so die Verwendung in Flugzeug- oder Gasturbinen möglich gemacht werden. Darüber hinaus ist Cobalt selbst ferromagnetisch und kann als ein Bestandteil von Dauermagneten (Samarium-Cobalt-Magnet), verwendet werden. Auch Gitarrensaiten können aus Cobaltlegierungen bestehen.
In der chemischen Industrie wird Cobalt-legierter Stahl in Apparaten eingesetzt. Zudem gibt es eine Reihe von Cobalt-Katalysatoren, mit denen chemische Prozesse wie Entschwefelungen, aber auch die Herstellung synthetischer Kraftstoffe gesteuert werden können . Cobaltverbindungen spielen darüber hinaus als Farbstoffe in Keramik und Gläsern (Thénards Blau) eine Rolle.

Laborsituation, Hand mit Handschuh zeigt auf ein Tablet, auf dem chemische Element Co = Kobalt zu sehen ist. Bildquelle: ngellodeco - stock.adobe.com

Chemisches Element Kobalt Co @ angellodeco - stock.adobe.com

Mit mehr als 45 % und damit dem größten Anteil an der Cobalt-Produktion (Stand 2017, Tendenz steigend) spielt Cobalt heute eine entscheidende Rolle als Bestandteil des Elektrodenmaterials in Nickel-Metallhydrid-, Nickel-Cadmium- und Lithium-Ionen-Batterien. Während die ersten Lithium-Ionen-Akkumulatoren aus Lithium-Cobalt-Dioxid (LiCoO2) bestanden, werden heute die sogenannten NMC (Nickel-Mangan-Cobalt)-Lithium-Mischoxide eingesetzt . Dabei versucht man immer mehr vom Cobalt wegzukommen, da es unter teils sehr fragwürdigen Arbeitsbedingungen (Kinderarbeit, Sklavenarbeit) abgebaut wird. Seit Langem sind Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Batterien, die ebenfalls Cobalt enthalten, auf dem Markt.
Für Mensch und Tier ist Cobalt ein entscheidender Bestandteil des Vitamins B12 (genauer der Cobalamine). Vitamin B12 ist wichtig für das Nervensystem, die Zellteilung und die Blutbildung. Der Körper braucht also geringe Mengen an Cobalt, das somit zu den essentiellen Elementen gehört. Der menschliche Körper kann Vitamin B12 nicht selbst produzieren, es muss über die Nahrung aufgenommen werden. Eine Reihe weiterer Enzyme enthalten ebenfalls Cobalt .

Cobalt wird häufig in orthopädischen Implantaten eingesetzt, weil es unter physiologischen Bedingungen als Element in Legierungen stabil ist . In der Behandlung von Krebserkrankungen aber auch für die Desinfektion von medizinischen Geräten und zur Haltbarmachung von Nahrungsmitteln wird die Gammastrahlung von radioaktivem 60Co Nuklid verwendet. Wegen des breiten Einsatzes dieses Radionuklids ist es eines der wichtigsten überhaupt .

Natürliches Vorkommen von Cobalt

Cobalt kommt in der Natur als Erz vor, es muss bergmännisch abgebaut und aufbereitet werden, bis es als Metall vorliegt. Cobalt-haltige Erze enthalten häufig zusätzlich weitere Metalle wie Kupfer, Nickel und Chrom, sodass der Abbau der Erze wegen aller dieser Metalle betrieben wird. Bislang noch nicht abgebaut wird Cobalt aus den auf dem Meeresboden vorkommenden Manganknollen, die neben dem namensgebenden Metall Mangan auch Cobalt und weitere wertvolle Metalle enthalten. Sollte ein solcher Abbau begonnen werden, drohen unerforschte Ökosysteme schwer beschädigt zu werden.
Der weltweit größte Produzent von Cobalt ist der Staat Kongo. Für dieses Land wird der Abbau der Cobalterze besonders kritisch gesehen, weil zahlreiche unkontrollierte Minen zu häufigen Todesfällen, auch von dort illegal arbeitenden Kindern führen. Weitere, weit weniger bedeutende Abbaugebiete liegen in Russland, Australien und Kuba .

Herstellung von Cobalt

Die Gewinnung von Cobalt hängt stark von der Art des vorliegenden Erzes ab. Es werden viele verschiedene industrielle Verfahren angewendet, die immer mit erheblichem Energieaufwand einhergehen, da Cobalt oft als Cobaltoxid, -sulfid oder -arsenid in Gemischen mit anderen Metalloxiden oder -salzen vorliegt. Aus dieser Mischung kann Cobalt erst durch den Einsatz von Hilfsmitteln wie Kohle, Silikaten oder elektrischem Strom von anderen Stoffen abgetrennt und als metallisches Cobalt oder reines Cobaltoxid gewonnen werden. Oft sind die Metalle, mit denen Cobalt vermischt ist, ebenfalls wertvoll, sodass bei den Aufbereitungsverfahren mehrere weitere Wertstoffe, z.B. Kupfer oder Nickel, gleichzeitig gewonnen werden können .

Gewinnung

Cobalt und seine Verbindungen werden zum Großteil als Nebenprodukt in Nickel- und Kupferlagerstätten abgebaut. Deshalb lassen sich viele Nachhaltigkeitsindikatoren für metallisches Cobalt und Cobaltverbindungen schwer oder gar nicht bestimmen. Reine Cobalt-Abbaustätten machen nur einen geringen Anteil aus, z.B. in der Demokratischen Republik Kongo. Nach dem Kongo wird in Australien und Kuba das meiste Cobalt abgebaut. Der Großteil des Abbaus erfolgt im Tagebau, aber auch untertage. Zum Teil wird Cobalt auch aus Abraum gewonnen, welcher zum Zeitpunkt des Abbaus nicht für die Cobaltgewinnung genutzt wurde, sondern lediglich für die Nickel- oder Kupfergewinnung. Generell wird ein steigender Bedarf an Cobalt, für allem für Batterien, prognostiziert. Ca. 40 % des weltweit hergestellten Cobalts findet Anwendung außerhalb des Batterie-Sektors.

Cobaltmine in Bou-Azzer @ cornfield -stock.adobe.com

Cobaltmine in Bou-Azzer @ cornfield -stock.adobe.com

 

Ressourcenverbrauch bei Aufbereitung

Für die Förderung von Cobalt wird in einigen Ländern Regenwald gerodet, einerseits um Abbauflächen zugänglich zu machen, andererseits, um mit dem Holz Schächte abzusichern. Bei der Förderung besteht ein hoher Wasserverbrauch pro Tonne gefördertem Erz. Der Energieverbrauch für die Weiterverarbeitung der Erze ist hoch. Die Abraumhalden verursachen einen hohen Flächenverbrauch.

Auf vielen früheren Abbauflächen hat keine Renaturierung oder Rekultivierung stattgefunden (z.B. verschlammte Flüsse). Grund dafür sind auch die Vielzahl an kleineren Abbaustätten mit unterschiedlichen Betreibern, die keine klaren Verantwortlichkeiten erkennen lassen.

Sicherheit

Es wird von Gesundheitsgefährdungen durch Staub berichtet, der während der Förderung im Tagebau entsteht. Beim Einatmen kommt es zu Lungenreizungen. Wie für andere Materialien auch, wirkt der Staub umso stärker, je kleiner die Partikel sind. Ebenso ist eine hautsensibilisierende Wirkung von Cobalt und seinen Verbindungen beschrieben. Cobalt ist für Wasserorganismen sowohl kurz- als auch langfristig giftig.

Weitere Sicherheitsbedenken bei der Cobaltförderung betreffen die Transportsicherheit von Abbauprodukten (z.B. Uran und die damit verbundene Radioaktivität) und Prozesschemikalien (z.B. Säuren). Leckagen von Pipelines bzw. Unfälle treten gelegentlich auf und können zu einer Gesundheitsgefährdung der Bevölkerung führen. Nebenprodukte beim Cobaltabbau können radioaktives Uran und Arsen sein.

Emissionen

Der CO2-Ausstoß pro Tonne gefördertes und aufbereitetes Erz beträgt je nach Lagerstätte 20 – 620 kg CO2. Ungefähr 80 % des weltweit geförderten Cobalts werden in China weiterverarbeitet, dadurch fallen weitere Emissionen durch den Transport an. Die zur Förderung genutzten Fahrzeuge und Maschinen verursachen ca. 50 % der CO2-Emissionen bei der Förderung.

Neben der hohen Staubbildung beim Erzabbau treten während der Verhüttung auch Schwefeldioxidemissionen („Saurer Regen“) auf, die nicht in allen Förderstätten durch Filteranlagen entfernt werden. Beim Abbau untertage entstehen saure Grubenwässer. Als Folge früherer Förderaktivitäten sind viele Gewässer im Umfeld von Förderstätten mit Metallen (z.B. Arsen) belastet. Der Abraum hat zur Verschlammung vieler Flüsse geführt, die Jahrzehnte brauchen, um sich zu generieren.

In einigen Förderstätten weist der Abraum Radioaktivität durch einen hohen Urangehalt auf.

Soziale Aspekte

Vor allem im informellen Kleinbergbau wird punktuell über Kinderarbeit berichtet, die mit einem Verlust von Gesundheit und Bildungschancen für die betroffenen Kinder einhergeht. Ebenso treten Unfälle in nicht zureichend abgesicherten Stollen vor allem im Kleinbergbau auf. Korruption tritt ebenfalls auf und die Kleinbergbauern haben nur wenige Rechte gegenüber den Zwischenhändlern (z.B. bei Preisverhandlungen).

Die unternehmerische Konzentration der Bergwerksförderung von Cobalt wird als hoch eingestuft. Das bedeutet, dass von den Gewinnen der Cobaltförderung nur wenige profitieren. Die Wertschöpfung in den Abbauländern lässt sich nur schwer nachvollziehen, da China jedoch die Weiterverarbeitung (Raffinade) dominiert, kann davon ausgegangen werden, dass die meisten Abbauländer lediglich am Materialwert verdienen.

Das gewichtete Länderrisiko für die Herkunftsländer von Cobalt, in welches die Indikatoren der Weltbank eingehen (Worldwide Governance Indicators) zeigt ein hohes Risiko an. Das bedeutet, dass in Punkten wie z.B. politischer Stabilität, Mitspracherecht, Sicherheit und Korruptionsbekämpfung in vielen Förderländern Verbesserungsbedarf besteht.

Für eine verantwortungsvolle Metall-Produktion gewinnt die Sorgfaltspflicht in den Lieferketten in der EU zunehmend an Bedeutung (siehe dazu auch https://de.wikipedia.org/wiki/Lieferkettensorgfaltspflichtengesetz). Das Gesetz schreibt die Dokumentation oder Zertifizierung von Sozialstandards und Arbeitsschutz vor, zunächst aller-dings nur für Unternehmen mit mehr als 3000 Mitarbeitenden.

Entsorgung und Recycling

Cobalt ist derzeit noch in vielen Lagerstätten verfügbar. Materialrecycling findet bisher nur zu einem geringen Anteil statt, im Jahre 2019 lag die Rate bei ca. 10 %. Es wird jedoch eine Steigerung dieser Rate erwartet, auch bedingt durch die gesetzlichen Vorgaben für Recyclingratenbei Batterien. Die Europäische Batterieverordnung legt für Cobalt eine Recyclingrate von 90% im Jahr 2027 fest. Die Rückgewinnung von Cobalt aus Batterien erlaubt den direkten Wiedereinsatz als Kathodenmaterial (kein Downcycling). Allerdings findet keine vollständige Rückgewinnung statt.

Wie lässt sich das Material nachhaltiger gestalten?

Es gibt einen Trend zur teilweisen oder vollständigen Substitution von Cobalt in Kathoden, beispielsweise durch das seltene Erde-Element Neodym. Generell ist die längere Nutzung von Akkus in vielen elektronischen Geräten (z.B. Smartphones) ein Beitrag zur Nachhaltigkeit, ebenso wie die Rückgabe von Geräten mit Akkus für Recycling.

Die CO2-Emission von Fahrzeugen und Maschinen während der Förderung soll durch eine Elektrifizierung der Flotten reduziert werden.

Gerade die sozialen Aspekte der Nachhaltigkeit lassen sich durch eine Verbesserung der Transparenz in den Lieferketten erzielen. Verschiedene internationale Organisationen arbeiten an Herkunftsnachweisen für Cobalt (Zertifizierungen), die teilweise auch schon angewandt werden. Diese stellen sicher, das bestimmte Sozial- und Sicherheitsstandards in den Abbaubetrieben eingehalten werden.

1.
Kobayashi, M.; Shimizu, S. Cobalt Proteins. European Journal of Biochemistry 1999, 261, 1–9, doi:https://doi.org/10.1046/j.1432-1327.1999.00186.x.
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Brune, M. Verfahren Zur Entschwefelung von Flüssigen Handelsüblichen Brennstoffen Für Die Anwendung in Brennstoffzellensystemen Durch Partielle Verdampfung Und Anschließende Hydrierende Entschwefelung; KIT Scientific Publishing, 2014; ISBN 3-86644-572-5.
1.
Siyamend Al Barazi DERA Rohstoffinformationen, Rohstoffrisikobewertung – Kobalt; 2018; ISBN 978-3-943566-49-9.
1.
Pagani, S.; Liverani, E.; Giavaresi, G.; De Luca, A.; Belvedere, C.; Fortunato, A.; Leardini, A.; Fini, M.; Tomesani, L.; Caravaggi, P. Mechanical and in Vitro Biological Properties of Uniform and Graded Cobalt‐chrome Lattice Structures in Orthopedic Implants. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials 2021, 109, 2091–2103.
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Healy, B.J.; Van Der Merwe, D.; Christaki, K.E.; Meghzifene, A. Cobalt-60 Machines and Medical Linear Accelerators: Competing Technologies for External Beam Radiotherapy. Clinical Oncology 2017, 29, 110–115.
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Hollemann, A.F. Lehrbuch Der Anorganischen Chemie. de Gruyter Verlag Berlin, 1976,  81-90. Auflage, ISBN 3-11-005962-2. 1976.

Weitere Materialien


Wolframcarbid-Cobalt
Wolframcarbid
Quantenpunkte
Platin
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