معرفی فلز تانتالم

تاریخچه فلز تانتالم :

تانتالم در سال 1802 در سوئد توسطAnders- Ekeberg  کشف شد. در سال 1809 تحقیقاتی در خصوص مقایسه با فلز Niobium انجام گرفت و در نهایت در سال 1854 تفاوت های این دو عنصر به طور کامل مشخص شد. برای دهه ها تکنولوژی تجاری مورد استفاده برای جدا سازی تانتالم از Niobium روش Crystallization of potassium hepta fluoro tentalate  بوده است که بوسیله Jean Charles در سال 1866 مطرح شده. تانتالم در هیدرو فلوئوریک اسید و اسیدهای که حاوی فلوئور هستند حل کرد.   

معرفی فلز تانتالم :

تانتالم خالص یک فلز درخشان نقره ای رنگ می باشد. تانتالم در دمای زیر 150 درجه سانتیگراد هیچگونه واکنشی نمی دهد و به دلیل وجود یک لایه اکسید شده بر روی سطح خود نسبت به خوردگی مقاوم می باشد. تانتالم یک عنصر شیمیایی با نماد Ta و عدد اتمی 73 می باشد. در گذشته آنرا با اسم تانتالیوم می شناختند. تانتالم یک فلز کم یاب و سخت می باشد در حالت خالص نقره ای رنگ و در حالت ناخالص به رنگ آبی می باشد این فلز جزء فلزهای نسوز نیز طبقه بندی می شود.

خواص فیزیکی عنصر تانتالم به شرح زیر می باشد.

خواص فیزیکی تانتالم

 امروز کمتر فلزی را می‌شناسیم که مقاومت آن در برابر خوردگی به اندازه تانتالم بالا باشد. تانتالم در طبیعت به شکل خالص یافت نمی‌شود و معمولاً‌ از کانی تانتالیت استخراج می‌شود.

کشورهایی مانند کنگو و رواندا، به دلیل داشتن معادن تانتالم و اهمیت آن در صنعت الکترونیک درگیر جنگ های داخلی شده اند. نمودار تولید جهانی تانتالم از سال 1970تا سال 2015 به شرح زیر می باشد.

 تولید جهانی تانتالم از سال 1970تا سال 2015

بر اساس نمودار فوق از سال 2000 تولید تانتالم روند صعودی داشته است و در سال 2005 به بیشترین میزان خود رسیده است. معدن اصلی تانتالم در استرالیا است. جاییکه بزرگترین تولید کننده فلزات خاص می باشد. در سال 2005 استرالیا بزرگترین تولید کننده تانتالم در جهان بوده است. تانتالم در تایلند و مالزی نیز تولید می شود. در شکل زیر کشورهای تولید کننده تانتالم در سال 2015 ارائه شده است.

تولید کنندگان تانتالم در سال 2015

در سال 2015، بزرگترین تولید کننده تانتالم کشور رواندا بوده است. تولید تانتالم در جهان از آغاز قرن بیست و یکم، به طور عمده توسط استرالیا و برزیل انجام می گرفت اما از سال 2007 تا سال 2014، منابع اصلی تولید تانتالم به طور چشم گیری  توسط رواندا و برخی دیگر از کشورهای آفریقایی انجام گرفت. منابع تامین کننده تانتالم در آینده بر اساس ظرفیت کشورهای عربستان سعودی، مصر، چین، موزامبیک، کانادا، استرالیا، ایالات متحده فنلاند و برزیل می باشند. بر اساس استخراج با نرخ های فعلی تا 50 سال آینده منابع تانتالم به پایان می رسد و نیاز به بازیافت آن افزایش می یابد.

تولید فلز تانتالم :

جداسازی تانتالیوم از سنگ معدن آن یکی از فرآیندهای جداسازی جدی در صنعت متالورژی است. مشکل اصلی این است که کانی تانتالیوم حاوی مقادیر قابل توجهی از نیوبیوم هستند. که دارای خواص شیمیایی تقریبا یکسان با آن است. برای رسیدگی به این چالش، تعداد زیادی از روش ها برای جداسازی توسعه داده شده است. امروزه جداسازی توسط هیدرومتالورژی به دست می آید. استخراج با شسته شدن سنگ معدن با اسید هیدروفلوئوریک ، اسید سولفوریک یا اسید هیدروکلریک آغاز می شود. این مرحله باعث می شود  تا تانتالم و نیوبیم را  از ناخالصی های مختلف غیر فلزی سنگ جدا کند. واکنش انجام شده به شرح زیر است.

Ta2O5 + 14 HF → 2 H2[TaF7] + 5 H2O

واکنش نیوبیوم مشابه واکنش فوق است و به شرح زیر می باشد

Nb2O5 + 12 HF → 2 H[NbF6] + 5 H2O

کمپلکس تانتالم و نیوبیوم بوسیله حلال ( همچون سیکلوهگزان، اکتانول) و از طریق جداسازی مایع –مایع جدا می شود در این روش به طور کامل ناخالصی های موجود را از بین می برد. سپس مرحله جداسازی تانتالم از نیوبیوم است که با کاهش قدرت پیوند یونی بوسیله مخلوط اسیدی به دست می آید و باعث حل شدن نیوبیوم و حذف آن می شود در این شرایط  اکسی فلوراید تشکیل می شود پس از حذف نیوبیوم محلول H2TaF7 خالص شده، با آمونیاک خنثی می شود تا هیدرات اکسید تانتالیم به صورت جامد تشکیل شده وآمده تبدیل به پنتا اکسید تانتالم کلسیده می باشد.

کاربرد های تانتالم :

تانتالم از لحاظ شیمیایی  پایدار است و در 300 درجه سانتیگراد در هوا اکسید می شود این فلز در بسیاری از زمینه های کلينيکي به عنوان صفحه ‌و جزئي از آلياژهاي تيتانيوم در زمينه‌هاي دندانپزشکي و ارتوپدي کاربرد چشمگیری دارد. با اين حال، هزينه نسبتاً بالاي توليد تانتالم، پذيرش وسيع‌ آن را محدود کرده ‌است. متاسفانه، علی رغم نتایج بالینی عالی، اين فلز به دلیل چگالی بسيار بالايي که دارد، دارای چندین محدودیت ذاتی (تخلخل حجمی پایین، مدول نسبی بالای الاستیسیته ،مشخصات اصطکاکی پایین) می باشد. به همین دلیل تکنیک هایی  برای  تولید ساختارهای متخلخل و تشکیل نانو لایه های تانتالم و اکسید آن بر روی زیر لایه های دیگر (سیلیکون، تیتانیوم و آلیاژهای آن) گسترش یافته است. تانتالم متخلخل یک نوع جدیدی از بیومتریال قابل کاشت در جراحی ارتوپدیک است که بسیار مشابه با ساختار استخوان است. بطور قابل ملاحظه ای این فلز هدایت کننده سلولهای استخوانی می باشد. همچنین استحکام فشاری و مدول الاستیک این ایمپلنت متخلخل مشابه با استخوان طبیعی است، که به طور تئوریکی تنش محافظتی و تمرکز تنش را کاهش می دهد. همچنین ایمنی قابل قبولی در کاربردهای بالینی دارد. این فلز متخلخل دارای حفرات مرتبط با هم پیوسته است که به آن اجازه میدهد که عروق سازی و یک جریان آزاد نسبی مواد غذائی به داخل یک ایمپلنت انجام شود. جذب پروتئین‌ها روی سطوح جامد و سخت، اهمیت زیادی در زمینه‌های ایمپلنت پزشکی، بیوسنسورها و بیوشیمی دارد. از این رو لایه تانتالم پوشش داده شده، علاوه بر افزایش خواص آبدوستی، قادر است با جذب پروتئین سبب تسریع رشد بافت و کاهش واکنش های مضر شود. همچنین این لایه از رهایش عناصر آلیاژی سمی نظیر وانادیوم و نیکل در محیط فیزیولوژیکی ممانعت می کند. از طريق شکل‌گيري يک لايه آپاتيت، در سيال شبيه‌سازي شده بدن، تانتالم نشان داده است که به طور بيولوژيکي به استخوان پيوند مي‌خورد. علاوه بر این برای اهداف تشخیصی در پزشکی، فلز تانتالم به واسطه خواص رادیوپسیته ای خوبی که دارد، توانایی بالایی برای رادیوگرافی و ارزیابی خلل و فرج استخوان و تشخیص پوسیدگی دندان دارد. بنابراین تانتالم به علت زیست سازگاری و خصوصیات بیولوژیکی و مکانیکی مطلوبی که دارد، به صورت ایمن در بیماران برای سالها به عنوان ، صفحات جراحی جمجمه و ایمپلنت های دندانی و ارتوپدی استفاده می شود. از تانتالم به طور گسترده در ساخت آلیاژها استفاده می شود و به دلیل ویژگی بی اثر بودن، یک ماده بسیار ارزشمند برای تجهیزات آزمایشگاهی و جایگزین مناسبی برای پلاتین می باشد همچنین این ماده کاربرد زیادی در محصولات الکترونیکی همچون ساخت خازن، تلفن همراه ، DVD ،کامپیوتر، کنسول های بازی، مورد استفاده قرار می گیرد. تانتالم به خاطر نقطه ذوب بالا در موتور هواپیماها و محیط‌های دارای دمای بالا کاربرد دارد.