Информационный бюллетень ISE 2019

Редкие земли - важные ресурсы для высоких технологий

За последние четыре десятилетия разнообразие и важность редкоземельных элементов в сфере высоких технологий и защиты окружающей среды резко возросли. Многие из этих приложений очень специфичны, поскольку заменители редкоземельных элементов являются низшими или неизвестными, редкоземельные элементы приобрели технологическое значение, которое намного выше, чем ожидалось, из-за их относительной неизвестности. Хотя на самом деле они более распространены, чем многие известные промышленные металлы, редкоземельные элементы, как правило, сосредоточены на неиспользуемых рудных месторождениях. В результате большая часть мирового предложения поступает только из нескольких источников. Соединенные Штаты и Европа раньше в значительной степени обеспечивали себя редкоземельными элементами, но за последнее десятилетие стали зависимыми от импорта из Китая.

Редкоземельные элементы (редкоземельные элементы) образуют самую большую химически связную группу в периодической таблице. Хотя в целом неизвестно, редкие земли необходимы для многих сотен применений. Универсальность и специфика редких земель получила степень технологического, экологического и экономического значения, которая выше, чем можно было бы ожидать из-за их относительной незнакомости. В 1999 и 2000 больше, чем 90 редких земель происходило из месторождений в Китае.

Рисунок 1. Глобальное производство редкоземельных элементов (1 kt = 106 кг) от 1950 до 2000 в четырех категориях: США, почти исключительно из Горного перевала, Калифорния; Китай, из нескольких месторождений; все остальные страны вместе, в основном из луносодержащих россыпей; и глобальная сумма. Четыре периода производства узнаваемы: эра Monazite Placer, которая началась в конце 19-го века и внезапно закончилась в 1964; эра горного перевала, которая началась в 1965 и закончилась вокруг 1984; переходный период от 1984 до 1991; и китайская эра, которая началась около 1991. Источник изображения: USGS

Хотя редкоземельные элементы природного происхождения 15 (таблица 1) схожи по своим геохимическим свойствам, их индивидуальные проявления на Земле не одинаковы. В континентальной коре и ее редкоземельных отложениях присутствуют концентрации наиболее распространенных и редких распространенных порядков величины (рис. 2). Поскольку технологическое применение редкоземельных элементов в последние десятилетия возросло, спрос на некоторые из менее распространенных (и ранее совершенно неоспоримых редких земель) резко возрос.

Разнообразные ядерные, металлургические, химические, каталитические, электрические и оптические свойства редкоземельных элементов постоянно расширяются. Эти области применения варьируются от банальных (зажигалки, полировка стекла) до высокотехнологичных (флуоресцентные лампы, лазеры, магниты, батареи, магнитное охлаждение) до футуристических (высокотемпературная сверхпроводимость, безопасное хранение и транспортировка водорода для экономичности) углеводородов).

Некоторые применения редкоземельных элементов

Многие применения редкоземельных элементов характеризуются высокой специфичностью и высокой удельной стоимостью. Например, цветные электронно-лучевые трубки и жидкокристаллические дисплеи, используемые в компьютерных мониторах и телевизорах, используют европий как красный флуоресцентный свет; Замена не известна. Из-за относительно низкого потребления и высокого спроса цена в ЕС весьма высока - от 250 до 1,700 долларов США / кг (для Eu2O3) в последнее десятилетие.

Волоконно-оптические телекоммуникационные кабели предлагают гораздо больше, чем пропускная способность. Волоконно-оптические кабели могут передавать сигналы на большие расстояния, потому что они периодически содержат разнесенные длины волокон, легированных эрбием. Он используется в этих лазерных повторителях, несмотря на его высокую стоимость (700 USD / кг), поскольку он сам обладает необходимыми оптическими свойствами.

Специфика не ограничивается более экзотическими редкими землями, такими как ЕС или Он. Cer, самый распространенный и экономически эффективный редкоземельный элемент, имеет десятки применений, некоторые из которых весьма специфичны. Например, Ce-оксид уникально подходит в качестве полирующего агента для стекла. Эффект полировки CeO2 зависит как от его физических, так и от химических свойств, включая две доступные стадии окисления церия, Ce, 3 + и Ce4 +, в водном растворе. Практически все изделия из полированного стекла, от обычных зеркал и стекол до высокоточных стекол, оснащены CeO2.

Небольшие, легкие и легкие редкоземельные магниты используются в бытовой технике, аудио- и видеоаппаратуре, компьютерах. , автомобильные, коммуникационные системы и военная техника. Многие из последних технологических инноваций (такие как миниатюрные портативные накопители на несколько гигабайт и DVD-дисководы) были бы невозможны без редкоземельных магнитов.

За последние три десятилетия применение редких земель в окружающей среде значительно возросло. Эта тенденция, несомненно, сохраняется в условиях растущей обеспокоенности по поводу глобального потепления и энергоэффективности. Некоторые редкоземельные элементы являются важными компонентами как катализаторов крекинга для нефтяных жидкостей, так и катализаторов для контроля автомобильного загрязнения. Использование редкоземельных магнитов снижает вес автомобилей. Широкое внедрение новых энергоэффективных люминесцентных ламп (с использованием Y, La, Ce, Eu, Gd и Tb) для освещения в учреждениях может потенциально привести к сокращению выбросов углекислого газа в США. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ. авто на дороге. Масштабное применение технологии магнитного охлаждения (описанной ниже) может, таким образом, значительно снизить потребление энергии и выбросы CO2.

Ситуация в периодической таблице

Рисунок 2. Химическая периодическая таблица с редкоземельными элементами 16: лантаном, Лао Лу и Y, чье геохимическое поведение похоже на поведение более тяжелого лантаноида. Прометий не имеет долгоживущих изотопов и высвобождается на Земле только в исчезающе малых количествах. An представляет первые актинидные элементы 14; Lr - последний актинид.

Во многих применениях редкоземельные элементы обусловлены их относительно низкой токсичностью. Например, наиболее распространенные типы аккумуляторов включают в себя либо кадмий (Cd), либо свинец. Перезаряжаемые никель-гидридные батареи лантана (La-Ni-H) постепенно заменяют никель-кадмиевые батареи и могут в конечном итоге заменить свинцово-кислотные батареи в автомобилях. В то время как батареи La-Ni-H более дороги, они предлагают более высокую плотность энергии, лучшие свойства зарядки и разгрузки и меньше проблем с окружающей средой при утилизации или переработке. В качестве другого примера, красные и красно-оранжевые пигменты, полученные с La или Ce, заменяют обычные коммерческие пигменты, содержащие Cd или другие токсичные тяжелые металлы.

Следующим высокотехнологичным применением редкоземельных элементов для достижения зрелости может стать магнитное охлаждение. Шесть редкоземельных ионов от Gd3 + до Tm3 + обладают необычно большими магнитными моментами из-за наличия множества неспаренных электронов. Сообщается, что недавно разработанный сплав Gd5 (Si2Ge2) с «гигантским магнитокалорическим эффектом» вблизи комнатной температуры, как сообщается, позволит магнитному охлаждению стать конкурентоспособным с традиционным охлаждением сжатым газом. Эта новая технология может быть использована в холодильниках, морозильных камерах и системах кондиционирования воздуха для домашних хозяйств, грузовых автомобилей и автомобилей. Магнитное охлаждение намного более эффективно, чем сжатие газа, и не требует воспламеняющегося или токсичного хладагента, разрушающего озоновый слой Земли или способствующего глобальному потеплению.

Редкие Земли

"Редкие" элементы Земли - историческое неправильное название. Устойчивость этого термина отражает скорее незнакомость, чем истинную редкость. Наиболее распространенные редкоземельные элементы схожи по концентрации в корке с обычными промышленными металлами, такими как хром, никель, медь, цинк, молибден, олово, вольфрам или свинец (рис. 4). Даже два наименее распространенных редкоземельных элемента (Tm, Lu) почти в 200 раз более распространены, чем золото. Однако, в отличие от обычных основных и драгоценных металлов, редкоземельные элементы практически не концентрируются на полезных рудных месторождениях. В результате большая часть предложения редкоземельных элементов в мире поступает только из нескольких источников.

Различия в встречаемости отдельных редкоземельных элементов в верхней континентальной коре Земли (рис. 3, 4) представляют собой суперпозицию двух эффектов, одного ядерного и одного геохимического. Во-первых, редкоземельные элементы с четными атомными номерами (58Ce, 60Nd, ...) имеют большую космическую и земную частоту, чем соседние редкоземельные элементы с нечетными атомными номерами (57La, 59P, ...). Во-вторых, более легкие редкоземельные элементы более несовместимы (потому что они имеют больший ионный радиус) и поэтому более сконцентрированы в континентальной коре, чем более тяжелые редкоземельные элементы. В большинстве редкоземельных отложений первые четыре редкоземельных элемента - La, Ce, Pr и Nd - составляют от 80 до 99 от общего количества. Поэтому особенно желательны месторождения, содержащие относительно высокие уровни более редких и более ценных тяжелых редкоземельных элементов (тяжелые редкоземельные элементы: от Gd до Lu, Y) и Eu.

Рисунок 3. Цены и частота редкоземельных элементов. Цены указаны за 1999 или 2000 в долларах США за килограмм Редкоземельный металл выражается в двух формах: (1) 2 25 95 - 99.99; (2) от 0.1 до 0.45 кг металлического блока с чистотой 99.9. две типичные редкоземельные руды - высококачественная карбонатитовая руда из Горного перевала, Калифорния, и латеритная ионно-адсорбционная руда из южного Китая - являются верхней континентальной земной корой Земли. z Атомный номер. Источник изображения USGS

Диаграмма, показывающая частоту химических элементов в верхней континентальной коре Земли в зависимости от атомного номера, показывает рисунок 4. Частота (атомная доля) химических элементов в верхней части континентальной коры Земли как функция атомного номера. Многие из предметов размещены в (частично перекрывающихся) категориях, разделенных на: (1) скальные элементы (основные элементы в зеленой зоне и вторичные элементы в светло-зеленой зоне); (2) Редкоземельные элементы (лантаноиды, La-Lu и Y; (3) Основные промышленные металлы (по всему миру  производство 3x107 кг / год; выделено жирным шрифтом); (4) драгоценные металлы (курсив); и (5) девять самых редких «металлов» - шесть элементов платиновой группы плюс Au, Re и Te (металлоид). Источник изображения: USGS

Ресурсы редкоземельных элементов

От открытия редкоземельных элементов (в период 1794-1907) до середины 1950 некоторые из редкоземельных элементов были получены в монацитсодержащих россыпях и жилах, пегматитах и ​​карбонатитах, а также побочных продуктах урана. и ниобиальная добыча. В течение этого времени средние и тяжелые редкие земли были преимущественно химическими раритетами.

В 1949 году карбонатитовая атака с исключительным содержанием легких редкоземельных элементов (от 8 до 12 оксидов редкоземельных элементов [REO]) была обнаружена на горном перевале в верховьях пустыни Мохаве в Калифорнии (рис. 5). Редкие земли на горном перевале в основном происходят из Bastnäsit, (Ce, La, Nd, ...) CO3F и связанных с ним минералов. До 1966 года это единственное первоклассное месторождение (принадлежащее Molycorp, Inc.) было основным источником редкоземельных элементов в Соединенных Штатах. Раннее развитие в значительной степени поддерживалось внезапным спросом в ЕС, вызванным коммерциализацией цветного телевидения. Со средним содержанием 9.3 тонны (Мт) REO (с пределом 5) горный перевал - единственное крупное месторождение руды, которое разрабатывается исключительно на основе содержания в нем редкоземельных элементов. В горных рудах преобладают легкие редкоземельные элементы (рис. 3, 6). Тем не менее, большие количества обработанной руды и развитие методов экстракции растворителем для крупномасштабного разделения отдельных редкоземельных элементов друг от друга позволили извлечь несколько средних редкоземельных элементов. Повышенная доступность, в свою очередь, привела к появлению приложений для этих ранее экзотических элементов.

От 1965 до середины 1980 горный перевал был доминирующим источником редких земель, а Соединенные Штаты и Европа были в значительной степени самодостаточны в редких землях. После 1985 производство редкоземельных элементов в Китае резко возросло (рис. 1). Китайское производство редкоземельных элементов в основном происходит из двух источников. Баян Обо во Внутренней Монголии. Это месторождение имеет геологическое сходство как с карбонатитовыми редкоземельными месторождениями, так и с гидротермальными оксидами железа (Cu-Au редкоземельные), а также с олимпийской плотиной, Австралия, и Кируной, Швеция. Оценки в Bayan Obo - от 3 до 6 REO; Вы по крайней мере 40 Mt. Вторым основным источником редких земель в Китае является ионная адсорбция в латеритовых корках выветривания, образовавшихся на гранитных и сиенитовых породах в тропическом южном Китае. Эти оксидные руды характеризуются относительно высокой долей тяжелых редкоземельных элементов (рис. 6) и, в частности, простым извлечением редкоземельных элементов.

Таким образом, в последние годы на количество редактируемых редкоземельных месторождений, которые уже серьезно ограничены геохимическими свойствами редкоземельных элементов, повлияли факторы окружающей среды и регуляторные факторы. Монацит, самый распространенный редкоземельный минерал, обычно содержит повышенный уровень тория. Это слабо радиоактивное вещество, но оно сопровождается высокорадиоактивными дочерними интермедиатами, особенно радием, которые могут накапливаться во время обработки. В других низкосодержащих минералах, в частности, встречается бастнасит.

Проблемы с поставками редкоземельных элементов

В последние годы шахта была спорадически занята. Из-за экологических и нормативных проблем, связанных с основным трубопроводом сточных вод, установка для отделения редкоземельных элементов (извлечение растворителя) была остановлена. В настоящее время Mountain Pass производит только бастназитовые концентраты и продает их. Даже после того, как ситуация с регулированием была прояснена, рыночные факторы поставили под угрозу долгосрочную жизнеспособность Mountain Pass как поставщика отдельных редкоземельных элементов для высокотехнологичных применений.

Фото с редкоземельным элементом шахты горного перевала

Molycorp Mine, Кларк Маунтин

Кларк Маунтин

Molycorp шахта

В 1999 и 2000 годах почти все (более 90) отдельных редкоземельных элементов, используемых в США и Европе, были импортированы либо напрямую из Китая, либо из стран, которые импортировали свои корма для растений из Китая. Удивительно быстрый переход от самообеспеченности примерно до 1990 г. к почти полной зависимости от импорта из одной страны теперь связан с рядом причинных факторов. Это включает гораздо более низкие затраты на рабочую силу и нормативные требования в Китае, чем в США и Европе. Продолжение расширения электронной и другой обрабатывающей промышленности в Азии; благоприятное количество, размер и благоприятное содержание тяжелых редкоземельных элементов в китайских месторождениях; и текущие экологические и нормативные проблемы на горном перевале. В настоящее время Китай доминирует на мировых рынках редкоземельных элементов (рис. 1) и поднимает ряд важных вопросов о поставках редкоземельных элементов для США, Европы и ЕС:

(1) Соединенные Штаты и Европа рискуют потерять свое давнее лидерство во многих областях редкоземельных технологий. Перенеся свой опыт в технологии обработки и применения редкоземельных элементов из США и Европы в Азию, Китай смог создать значительную отрасль производства редкоземельных элементов, в которой все другие страны могут производить руду и нефтепродукты. Министерство науки и технологий Китая недавно объявило о новой национальной программе фундаментальных исследований. Среди первых 15 проектов, получивших финансирование, было «Фундаментальные исследования редкоземельных материалов» (Science, 18 декабря 1998 г., стр. 2171).

2. Системы наведения ракет, электронные контрмеры, обнаружение подводных мин, противоракетная оборона, измерение расстояний, космический спутник системы электропитания и связи становятся все более важными.

(3) Доступность китайских редкоземельных элементов на рынках США зависит от постоянной стабильности внутренней политики и экономики Китая, а также от его отношений с другими странами.

(4) Хотя текущие низкие цены на редкоземельные элементы, вызванные обильным предложением из Китая, давят на производителей, в частности на Molycorp Mountain Pass, низкие цены также стимулируют разработку новых приложений. Например, в недавнем тексте по химии говорится, что «... в течение многих лет основным применением лютеция было изучение поведения лютеция ...» Известно несколько многообещающих приложений для Lu, но большинство из них связано с высокими затратами. Если бы цена Lu упала с многих тысяч долларов за килограмм (рис. 3), несомненно, последовали бы дополнительные высокотехнологичные приложения, даже для этих наименее распространенных редкоземельных элементов. Насколько велика роль Соединенных Штатов и Европы в будущем расширении технологий и рынков редкоземельных элементов, остается важным, но открытым вопросом.

Рисунок 6. Доли отдельных редкоземельных элементов в двух представительных рудах: Bastnäsit, где преобладают La, Ce и Nd, где от Eu до Lu плюс Y - только 0.4; и латеритная ионно-адсорбционная руда с преобладанием Y. Синие и светло-синие сектора обозначают лантаноиды с прямой или нечетной рудой или атомным номером (см. Рис. 2, 3). Иттрий отмечен зеленым. Источник изображения: USGS

Редкоземельные элементы необходимы для разнообразных и растущих областей применения высоких технологий, которые составляют важную часть промышленной экономики Соединенных Штатов и Европы. Долгосрочная нехватка или недоступность редкоземельных элементов будет существенными изменениями во многих аспектах западного общества. Таким образом, известные и потенциальные источники информации становятся все более важными вопросами для ученых и политиков в государственном и частном секторах.

Источники: Геологическая служба США | Геологический отдел | Команда минеральных ресурсов | Министерство внутренних дел | Роскилл | Институт редких земель и металлов

Пожалуйста, подписывайтесь на нас: