Metāli

REE - retzemju elementi un to izmantošana



Strauji ir pieaudzis pieprasījums pēc retzemju elementiem, taču to sastopamība izrakteņu atradnēs ir ierobežota.


Retzemju elementu ražošana: Šajā tabulā parādīta retzemju elementu ražošanas vēsture (no tonnām retzemju oksīda ekvivalenta tonnās) no 1950. līdz 2017. gadam. Tas skaidri parāda Amerikas Savienoto Valstu ienākšanu tirgū 1960. gadu vidū, kad krāsu televīzija eksplodēja pēc pieprasījuma. Kad 80. gadu beigās un 90. gadu sākumā Ķīna sāka pārdot retzemju metālus par ļoti zemām cenām, mīnas Amerikas Savienotajās Valstīs bija spiestas slēgt, jo tās vairs nevarēja gūt peļņu. Kad Ķīna 2010. gadā samazināja eksportu, retzemju cenu strauji pieauga. Tas motivēja jaunu ražošanu Amerikas Savienotajās Valstīs, Austrālijā, Krievijā, Taizemē, Malaizijā un citās valstīs. 2016. gadā ASV retzemju ražošana tika pārtraukta, jo vienīgā atlikušā mīna tika nodota kopšanai un uzturēšanai.

REE periodiskā tabula: Retās Zemes elementi ir 15 lantanīdu sērijas elementi, kā arī itrijs. Skandijs ir sastopams lielākajā daļā retzemju elementu atradņu un dažreiz tiek klasificēts kā retzemju elements. Image by.

Kas ir retzemju elementi (REE)?

Retzemju elementi ir septiņpadsmit ķīmisko elementu grupa, kas periodiskajā tabulā sastopami kopā (sk. Attēlu). Grupa sastāv no itrija un 15 lantanīda elementiem (lantāna, cerija, prazeodīma, neodīma, prometija, samārija, eirija, gadolīnija, terbija, disprosija, holmija, erbija, thulium, ytterbium un lutetija). Skandijs ir sastopams lielākajā daļā retzemju elementu atradņu un dažreiz tiek klasificēts kā retzemju elements. Starptautiskā tīras un lietišķās ķīmijas savienība skandiju iekļauj to retzemju elementu definīcijā.

Visi retzemju elementi ir metāli, un šo grupu bieži sauc par “retzemju metāliem”. Šiem metāliem ir daudz līdzīgu īpašību, un tas bieži izraisa to atrašanu kopā ģeoloģiskos atradnēs. Tos sauc arī par “retzemju oksīdiem”, jo daudzus no tiem parasti pārdod kā oksīdu savienojumus.

Retzemju elementu lietojumi: Šajā diagrammā parādīts retzemju elementu izmantojums Amerikas Savienotajās Valstīs 2017. gadā. Daudzi transportlīdzekļi savās izplūdes sistēmās gaisa piesārņojuma kontrolei izmanto retzemju katalizatorus. Lielu skaitu sakausējumu padara izturīgākus, pievienojot retzemju metālus. Stikls, granīts, marmors un dārgakmeņi bieži tiek pulēti ar cērija oksīda pulveri. Daudzi motori un ģeneratori satur magnētus, kas izgatavoti ar retzemju elementiem. Fosfori, ko izmanto digitālajos displejos, monitoros un televizoros, tiek veidoti ar retzemju oksīdiem. Lielākā daļa datoru, mobilo tālruņu un elektrisko transportlīdzekļu akumulatoru ir izgatavoti no retzemju metāliem.

Retzemju elementu lietojumi

Retzemju metāli un sakausējumi, kas tos satur, tiek izmantoti daudzās ierīcēs, kuras cilvēki izmanto katru dienu, piemēram, datora atmiņā, DVD diskos, uzlādējamās baterijās, mobilajos tālruņos, katalītiskajos pārveidotājos, magnētos, dienasgaismas apgaismojumā un daudz kas cits.

Pēdējo divdesmit gadu laikā ir strauji palielinājies pieprasījums pēc daudzām precēm, kurām nepieciešami retzemju metāli. Pirms divdesmit gadiem tika izmantots ļoti maz mobilo tālruņu, taču šodien to skaits ir pieaudzis līdz vairāk nekā 7 miljardiem. Retzemju elementu izmantošana datoros ir pieaugusi gandrīz tikpat strauji kā mobilo tālruņu izmantošana.

Daudzas uzlādējamās baterijas ir izgatavotas ar retzemju savienojumiem. Pieprasījumu pēc baterijām veicina pieprasījums pēc pārnēsājamām elektroniskām ierīcēm, piemēram, mobilajiem tālruņiem, lasītājiem, portatīvajiem datoriem un kamerām.

Retzemju elementu izmantošana Amerikas Savienotajās Valstīs

Ķīmiskie katalizatori55%
Keramika un stikla izgatavošana15%
Metalurģija un sakausējumi10%
Stikla pulēšana5%
Cits15%
(2017. gada dati no USGS)

Vairākas mārciņas retzemju savienojumu ir akumulatoros, kas darbina katru elektrisko transportlīdzekli un hibrīdelektrisko transportlīdzekli. Runājot par enerģētisko neatkarību, klimata izmaiņām un citiem jautājumiem, kas veicina elektrisko un hibrīdo transportlīdzekļu tirdzniecību, pieprasījums pēc baterijām, kas izgatavotas ar retzemju savienojumiem, palielināsies vēl straujāk.

Retzemju slāņi tiek izmantoti kā katalizatori, fosfori un pulēšanas savienojumi. Tos izmanto gaisa piesārņojuma kontrolei, apgaismotiem ekrāniem uz elektroniskām ierīcēm un optiskas kvalitātes stikla pulēšanai. Paredzams, ka visiem šiem produktiem pieaugs pieprasījums.

Retās zemes elementiem to svarīgākajos lietojumos var aizstāt citas vielas; tomēr šie aizvietotāji parasti ir mazāk efektīvi un dārgi.

Kopš piecdesmitajiem gadiem līdz 2000. gadu sākumam cērija oksīds bija ļoti populāra lapidāru pulēšana. Tas bija lēts un ļoti efektīvs. Nesenais cenu pieaugums ir gandrīz izslēdzis cerija oksīda izmantošanu akmeņu veidošanā un lapdaru mākslā. Tagad tā vietā tiek izmantoti citi pulēšanas veidi, piemēram, alumīnijs un titāna oksīds.

Retzemju elementu izmantošana aizsardzībā

Lantānsnakts redzamības brilles
Neodīmslāzera diapazona meklētāji, vadības sistēmas, sakari
Europiumdienasgaismas un fosfora lampās un monitoros
Erbijspastiprinātāji optiskās šķiedras datu pārraidē
Samārijspastāvīgie magnēti, kas ir stabili augstā temperatūrā
Samārijsprecīzi vadāmi ieroči
Samārijs"baltā trokšņa" ražošana slepenajā tehnoloģijā

Kritiska aizsardzība

Retzemju elementiem ir būtiska loma mūsu valsts aizsardzībā. Militāros nolūkos tiek izmantotas nakts redzamības aizsargbrilles, precīzi vadāmi ieroči, sakaru ierīces, GPS aprīkojums, baterijas un cita aizsardzības elektronika. Tie dod Amerikas Savienoto Valstu militārajām priekšrocībām milzīgas priekšrocības. Retzemju metāli ir galvenās sastāvdaļas, lai izgatavotu ļoti cietus sakausējumus, ko izmanto bruņumašīnās, un šāviņus, kas sadragā pēc trieciena.

Dažos aizsardzības gadījumos retzemju elementiem var izmantot aizstājējus; tomēr šie aizvietotāji parasti nav tik efektīvi, un tas mazina militāro pārākumu. Vairāki retzemju elementu lietojumi ir apkopoti pievienotajā tabulā 5.

Vai tu zināji? Lielākā daļa skandija, ko izmanto Amerikas Savienotajās Valstīs, nonāk alumīnija sakausējumu beisbola nūjās un citā sporta aprīkojumā. 3. Skandiju izmanto arī pusvadītājos un speciālajā apgaismojumā.

Vai šie elementi tiešām ir "reti"?

Retzemju elementi nav tik reti sastopami, kā to norāda nosaukums. Tūlijs un lutecijs ir divi viszemāk sastopamie retzemju elementi - taču katram no tiem ir garozas vidējais pārpalikums, kas ir gandrīz 200 reizes lielāks nekā 1. zelta garozā. Tomēr šos metālus ir ļoti grūti iegūt, jo ir neparasti tos atrast. koncentrācijās, kas ir pietiekami augstas ekonomiskai ieguvei.

Visizplatītākie retzemju elementi ir cerijs, itrijs, lantāns un neodīms 2. Viņiem ir vidējā garozas koncentrācija, kas ir līdzīga parasti izmantotajiem rūpnieciskajiem metāliem, piemēram, hromam, niķelim, cinkam, molibdēnam, alvai, volframam un svinam 1. Atkal tie ir reti sastopamas ekstrahējamās koncentrācijās.

Vai tu zināji? Vēja turbīnās tiek izmantoti retzemju magnēti. Dažām lielām turbīnām nepieciešami divi tonnas retzemju magnētu. Šie magnēti ir ļoti spēcīgi un padara turbīnas ļoti efektīvas. Retzemju magnēti tiek izmantoti turbīnās un ģeneratoros daudzos alternatīvās enerģijas pielietojumos.

Vai tu zināji? Cenas un pieprasījums pēc retzemju materiāliem pēdējās desmit gadu laikā ir dramatiski pieaugušas. Ķīna saražo aptuveni 90% no piegādes. Noguldījumi Austrālijā un ASV tiek atjaunoti, un daudzās jaunās jomās notiek izpēte.

Smago un vieglo retzemju elementi: Retzemju elementi bieži tiek sadalīti pa "smagajām retzemēm" un "vieglajām retzemēm". Lantāns, cerijs, prazeodīms, neodīms, prometiijs un samārijs ir "retās retzemju zemes". Yttrium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium un lutetium ir "retās retzemju zemes". Kaut arī itrijs ir vieglāks par vieglajiem retzemju elementiem, tas ir iekļauts smago retzemju grupā, jo tam ir ķīmiskas un fizikālas saistības ar smagajiem retzemju slāņiem dabīgajos nogulumos.

Vai tu zināji? Katram hibrīdajam elektriskajam un elektriskajam transportlīdzeklim ir liela baterija. Katra baterija tiek izgatavota, izmantojot vairākas mārciņas retzemju savienojumu. Paredzams, ka elektrisko transportlīdzekļu izmantošana strauji palielināsies, ko noteiks enerģētiskā neatkarība, klimata izmaiņas un citas problēmas. Tas palielinās pieprasījumu pēc retzemju materiāliem.

Vai tu zināji? Nelielā daudzumā retzemju metālu tiek izmantoti lielākajā daļā mazo elektronisko ierīču. Šīm ierīcēm ir īss kalpošanas laiks, un REE pārstrāde tiek veikta reti. Katru gadu tiek izmesti miljardi.

Pasaules mīnu ieguve un rezerves(2017. gada aprēķini)

ValstsRažošana
(Metriskas tonnas)
Rezerves
(Metriskas tonnas)
Savienotās Valstis--1,400,000
Austrālija20,0003,400,000
Brazīlija2,00022,000,000
Kanāda--830,000
Ķīna105,00044,000,000
Grenlande--1,500,000
Indija1,5006,900,000
Malāvija--140,000
Malaizija30030,000
Krievija3,00018,000,000
Dienvidāfrika--860,000
Taizeme1,600nav pieejams
Vjetnama10022,000,000
Kopā pasaulē (noapaļota)130,000120,000,000

Retzemju ražošanas un tirdzniecības vēsture

Pirms 1965. gada

Pirms 1965. gada bija relatīvi mazs pieprasījums pēc retzemju elementiem. Tajā laikā lielāko daļu pasaules krājumu ražoja no Indijas un Brazīlijas noguldītājiem. Piecdesmitajos gados Dienvidāfrika kļuva par vadošo retzemju monazītu atradņu ražotāju. Tajā laikā Kalifornijas kalnu raktuvē Kalifornijā tika ražots neliels daudzums retzemju oksīdu no Prekambrijas karbonatīta.

Krāsu televīzija aizdedzina pieprasījumu

Pieprasījums pēc retzemju elementiem pirmo reizi eksplodēja 60. gadu vidū, kad tirgū ienāca pirmie krāsu televizori. Europium bija būtisks materiāls krāsu attēlu iegūšanai. Mountain Pass mīna sāka ražot europium no bastnasīta, kas saturēja aptuveni 0,1% europium. Šīs pūles padarīja Mountain Pass mīnu par lielāko retzemju ražotāju pasaulē un izvirzīja ASV par galveno ražotāju.

Ķīna ienāk tirgū

Ķīna astoņdesmito gadu sākumā sāka ražot ievērojamu daudzumu retzemju oksīdu un 1990. gadu sākumā kļuva par pasaules vadošo ražotāju. Deviņdesmitajos gados un 2000. gadu sākumā Ķīna stabili nostiprināja savu pozīciju pasaules retzemju oksīdu tirgū. Viņi pārdeva retzemju metālus par tik zemām cenām, ka Mountain Pass mīna un daudzi citi visā pasaulē nespēja konkurēt un pārtrauca darbību.

Aizsardzības un patērētāju elektronikas pieprasījums

Tajā pašā laikā pasaules pieprasījums strauji palielinājās, jo retzemju metāli tika izstrādāti visdažādākajiem aizsardzības, aviācijas, rūpniecības un plaša patēriņa elektronikas izstrādājumiem. Ķīna izmantoja savu dominējošo stāvokli un sāka ierobežot eksportu un ļāva retzemju oksīdu cenām paaugstināties līdz vēsturiskajam līmenim.

Ķīna kā lielākais retzemju patērētājs

Papildus tam, ka Ķīna ir lielākais retzemju materiālu ražotājs pasaulē, tā ir arī dominējošā patērētāja. Retzemju metālus galvenokārt izmanto elektronikas izstrādājumu ražošanā vietējam un eksporta tirgum. Japāna un Savienotās Valstis ir otrie un trešie lielākie retzemju materiālu patērētāji. Iespējams, ka Ķīnas nevēlēšanās pārdot retzemju metālus ir to pievienotās vērtības ražošanas nozares aizsardzība.

Ķīnas ražošanas Apex dominance?

Iespējams, ka ķīniešu dominance sasniedza kulmināciju 2010. gadā, kad viņi kontrolēja aptuveni 95% no pasaules retzemju saražotās produkcijas, un dažu gadu laikā daudzu retzemju oksīdu cenas bija pieaugušas virs 500%. Tā bija pamošanās retzemju patērētājiem un kalnračiem visā pasaulē. Kalnrūpniecības uzņēmumi Amerikas Savienotajās Valstīs, Austrālijā, Kanādā un citās valstīs sāka pārvērtēt vecās retzemju perspektīvas un meklēt jaunas.

Augstās cenas arī lika ražotājiem izdarīt trīs lietas: 1) meklēt veidus, kā samazināt retzemju elementu daudzumu, kas vajadzīgs katra produkta ražošanai; 2) meklē alternatīvus materiālus izmantošanai retzemju elementu vietā; un 3) izstrādā alternatīvus produktus, kuriem nav nepieciešami retzemju elementi.

Šo centienu rezultātā ir samazinājies retzemju materiālu daudzums, ko izmanto dažu veidu magnētos, un pāreja no retzemju apgaismojuma izstrādājumiem uz gaismas diožu tehnoloģiju. Amerikas Savienotajās Valstīs ir samazinājies vidējais retzemju metālu patēriņš uz vienu saražotā izstrādājuma vienību, bet ir pieaudzis pieprasījums pēc vairāk produktiem, kas ražoti ar retzemju elementiem. Rezultāts ir lielāks patēriņš.

Ķīna Resursu pirkšana ārpus Ķīnas

Ķīnas uzņēmumi ir iegādājušies retzemju resursus citās valstīs. 2009. gadā Ķīnas krāsaino metālu ieguves uzņēmums nopirka kontrolpaketi Lynas Corporation - Austrālijas uzņēmumā, kuram ir viens no augstākajiem retzemju elementu ieguves apjomiem ārpus Ķīnas. Viņi arī iegādājās Balubas raktuvi Zambijā.

Retzemju ieguve ārpus Ķīnas

Raktuves Austrālijā sāka ražot retzemju oksīdus 2011. gadā. 2012. un 2013. gadā tās piegādāja aptuveni 2–3% no pasaules produkcijas. 2012. gadā Mountain Pass mīna tika atjaunota ražošanā, un ASV 2013. gadā saražoja apmēram 4% no pasaules retzemju elementiem. Ražošana Brazīlijā, Malaizijā, Krievijā, Taizemē un Vjetnamā turpinājās vai palielinājās.

Jaunie derīgo izrakteņu resursu novērtējumi, ko veica Amerikas Savienoto Valstu ģeoloģiskais dienests, atklāja nozīmīgus resursus ārpus Ķīnas. Lai arī Ķīna ir pasaules līdere retzemju ražošanā, tās kontrolē tikai aptuveni 36% no pasaules rezervēm. Tas dod iespēju citām valstīm kļūt par nozīmīgiem ražotājiem tagad, kad Ķīna nepārdod retzemju materiālus zem ražošanas izmaksām.

REE ražošanas diagramma: Šajā tabulā parādīta Ķīnas dominējošā pozīcija retzemju elementu ražošanā laikposmā no 1994. līdz 2017. gadam. 1990. gados Amerikas Savienotās Valstis bija ievērojams ražotājs, bet Ķīnas pārdotie materiāli par zemām cenām piespieda raktuves ASV un citās valstīs, kas nedarbojās. Tā kā Ķīna ierobežoja eksportu un cenas strauji pieauga 2009. un 2010. gadā, Austrālijas un ASV mīnas atkal sāka darboties. Diagramma, izmantojot datus no Amerikas Savienoto Valstu ģeoloģijas dienesta.

Dominējošā pasaules producenta briesmas

Piedāvājums un pieprasījums parasti nosaka preces tirgus cenu. Piegāžu sarūkot, cenas aug. Cenām paaugstinoties, tie, kas kontrolē piegādi, vilina pārdot. Kalnrūpniecības uzņēmumi uzskata augstas cenas par iespēju un mēģina attīstīt jaunus piegādes avotus.

Izmantojot retzemju elementus, laiks starp ieguves uzņēmuma lēmumu iegādāties īpašumu un ražošanas sākšanu var būt vairāki gadi vai ilgāks. Nav ātrs veids, kā atvērt jaunu ieguves īpašumu.

Ja viena valsts kontrolē gandrīz visu saražoto un pieņem stingru lēmumu neeksportēt, tad visu preču piegādi var ātri pārtraukt. Tā ir bīstama situācija, kad jaunu piegādes avotu izstrāde prasa tik ilgu laiku.

Ķīna 2010. gadā ievērojami ierobežoja to retzemju eksportu. Tas tika darīts, lai nodrošinātu retzemju metālu piegādi vietējai ražošanai un vides apsvērumu dēļ. Šīs Ķīnas pārmaiņas izraisīja panikas pirkšanu, un dažas retzemju zemes cenas strauji pieauga. Turklāt Japāna, ASV un Eiropas Savienība sūdzējās Pasaules Tirdzniecības organizācijai par Ķīnas ierobežojošo retzemju tirdzniecības politiku.

Retzemju oksīdi: Šie retzemju oksīdi tiek izmantoti kā izsekojamie līdzekļi, lai noteiktu, kuras ūdenstilpnes daļas iznīcina. 4. Pulksteņa rādītāja virzienā no augšējā centra: prazeodīms, cerijs, lantāns, neodīms, samārijs un gadolīnijs. Attēls: Peggy Greb, USDA attēlu galerija.

Pasaules retzemju minerālu resursi

"Retās zemes ir salīdzinoši bagātīgas Zemes garozā, bet atklātās koncentrācijas ir mazāk izplatītas nekā lielākajā daļā citu rūdu. ASV un pasaules resursi galvenokārt ir bastnäsīta un monazīta sastāvā. Bastnäsīta atradnes Ķīnā un Amerikas Savienotajās Valstīs veido lielāko procentuālo daļu no pasaules retzemju ekonomikas resursi, savukārt monazīta atradnes Austrālijā, Brazīlijā, Ķīnā, Indijā, Malaizijā, Dienvidāfrikā, Šrilankā, Taizemē un ASV veido otro lielāko segmentu.

Apatīts, cheralīts, eudialīts, loparīts, fosforīti, retzemju nesošie (jonu adsorbcijas) māli, sekundārais monazīts, izlietotā urāna šķīdumi un ksenotīms veido lielāko daļu no atlikušajiem resursiem. Tiek uzskatīts, ka neatklāti resursi ir ļoti lieli, salīdzinot ar paredzamo pieprasījumu. "Citēts no Amerikas Savienoto Valstu ģeoloģijas dienesta minerālpreču kopsavilkuma 2.

Retzemju elementu atsauces
1 Retzemju elementi - kritiski resursi augsto tehnoloģiju jomā: Amerikas Savienoto Valstu ģeoloģiskais dienests, faktu lapa 087-02.
2 Retās zemes: Džozefs Gambogi, Amerikas Savienoto Valstu ģeoloģiskais dienests, minerālpreču kopsavilkumi, 2017. gads.
3 Retās zemes: Džozefs Gambogi, Amerikas Savienoto Valstu ģeoloģijas dienests, Minerals Yearbook 2011.
4 Retzemju pieeja augsnes erozijas izsekošanai: Amerikas Savienoto Valstu Lauksaimniecības departaments, Lauksaimniecības pētījumu dienests.
5 Ķīnas dūzis caurumā: retzemju elementi: Sindija A. Hērsta, Nacionālās aizsardzības universitātes prese.
6 Retzemju elementu ģeoloģija: "Amerikas Savienoto Valstu galvenie retzemju elementu noguldījumi - iekšzemes noguldījumu kopsavilkums un globālā perspektīva."
7 Retzemju elementi un nacionālā drošība: Ārējo attiecību padomes ziņojums par enerģētiku, 2014. gads.

Retzemju elementa perspektīva

Paredzams, ka nākamajos desmit gados strauji pieaugs pieprasījums pēc automobiļiem, plaša patēriņa elektronikas, energoefektīva apgaismojuma un katalizatoriem. Paredzams, ka palielināsies pieprasījums pēc retzemju magnētiem, tāpat kā pieprasījums pēc atkārtoti uzlādējamām baterijām. Paredzams, ka jaunievedumi medicīnas tehnoloģijās palielinās ķirurģisko lāzeru, magnētiskās rezonanses attēlveidošanas un pozitronu emisijas tomogrāfijas scintilācijas detektoru izmantošanu.

Retās zemes elementi tiek plaši izmantoti visās šajās rūpniecības nozarēs, tāpēc pieprasījumam pēc tiem vajadzētu palikt lielam.


Skatīties video: Thorium: An energy solution - THORIUM REMIX 2011 (Oktobris 2021).