Что такое редкоземельные элементы и почему они важны
Редкоземельные элементы - это общее название 17 специальных элементов, содержащих лантанид (лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, терб, диспроз, холм, эрб, тул, итерб и лютет), скандий и иттрий.
Они совместно встречаются в минералах и имеют сходные химические свойства. Традиционно их делят на легкие РЗЭ (LREE, La-Eu) и тяжелые РЗЭ (HREE, Gd-Lu и Y).
Еще 40 лет назад они никого не интересовали, но сегодня они необходимы для подключенного общества, которое использует их в мобильных телефонах, роботах, автомобилях... Неудивительно, что главы государств, военные аналитики, венчурные фонды и технопророки Кремниевой долины уже считают эти элементы нефтью 21 века.
История открытия
Существование этих элементов было известно минералогам с 18 века, но большинство из них никого не интересовало, потому что для них не было найдено промышленного применения.
Первым обнаруженным минералом, содержащим элементы из этой группы (включая церий и иттрий, наряду с железом и кремнием), был гадолинит, найденный шведским химиком-любителем Карлом Акселем Аррениусом в шахте Иттербю, давший название четырем из них (тербий, эрбий, иттербий, иттрий).
Уже в 1885 году Карл Ауэр фон Вельсбах запатентовал смесь 60 % оксида магния, 20 % оксида лантана и 20 % оксида иттрия под названием Actinophor.
Применение
Редкоземельные элементы являются важными минералами во многих секторах, от электроники до возобновляемых источников энергии.
Они нашли широкое применение в функциональных материалах, стали и цветных металлах благодаря своим особым оптическим, электрическим и магнитным свойствам. Они более ценны, чем золото или брильянты, так как играют важную роль в развитии аэрокосмической промышленности, военной техники, бытовой техники, новых энергосберегающих и экологических технологий.
Неодимовый магнит
Примеры применения редкоземельных элементов:
- скандий - металлические сплавы для аэрокосмической и космической промышленности;
- иттрий – люминофоры, керамика, металлические сплавы;
- лантан - аккумуляторы, рентгеновские пленки, катализаторы в процессах нефтепереработки;
- церий - катализатор, металлические сплавы;
- празеодим - примесный компонент сплавов, из которых изготавливают магниты (предотвращает коррозию);
- неодим - сильные неодимовые магниты, лазеры;
- прометий - источник бета-излучения;
- самарий - высокотемпературные магниты, стержни управления реактором;
- европ - жидкокристаллические дисплеи, люминесцентное освещение;
- гадолиний – для производства зеленого люминофора в ЭЛТ-экранах и сцинтилляторов в рентгенографии;
- тербий - люминофоры для ламп и дисплеев;
- диспрозий - сильные магниты, лазеры;
- гольмий - сильные магниты;
- эрб – лазеры, оптические усилители;
- тулий - керамические магнитные материалы;
- иттербий - оптические волокна, cолнечныt батареи;
- лютет - рентгеновская люминофория.
Например, неодим и самарий являются основными компонентами постоянных магнитов NdFeB и SmCo соответственно. Кроме того, произведение магнитной энергии материалов постоянного магнита из редкоземельных элементов намного выше, чем у феррита и материалов постоянного магнита Al-Ni-Co.
Таким образом, материалы с постоянными магнитами из редкоземельных элементов широко используются в электродвигателях с постоянными магнитами.
Тербий и диспрозий являются основными ингредиентами магнитострикционных материалов, а магнитострикционный коэффициент выше, чем у сплава Fe-Ni-Co. Магнитострикционные материалы из редкоземельных элементов широко используются в мощных излучающих гидролокаторах, датчиках и средствах связи.
Соединения редкоземельных металлов используются для люминофоров, которые производят видимый свет в люминесцентных лампах, экранах и дисплеях. До недавнего времени, например, большая часть мирового производства иттрия служила основным материалом для люминофоров в экранах цветных телевизоров.
Люминофоры, содержащие редкоземельные элементы, также используются для производства светодиодов для освещения.
Лантан используется в крекинге нефти. Катализатор, содержащий смесь оксида лантана и оксида кальция, также используется, например, в производстве биодизеля.
Сплав для хранения водорода из редкоземельных элементов демонстрирует преимущества хорошей стабильности, высокой эффективности поглощения водорода и отсутствия загрязнения, что делает его широко используемым в области аккумуляторов, тормозов и охлаждения.
Добавление редкоземельных элементов в сталь может модифицировать включения и усиливать микролегирование, что может значительно улучшить усталостные характеристики подшипниковой стали.
Кому принадлежат запасы редкоземельных элементов
Хотя значительное содержание редкоземельных элементов можно найти в сотнях минералов, только некоторые из них имеют экономическое значение. Это бастназит, лопарит, монацит, ксенотим и фергусонит.
Из-за своих геохимических свойств редкоземельные элементы обычно рассеяны и нечасто обнаруживаются в виде концентрированных редкоземельных минералов, в результате промышленно эксплуатируемые рудные месторождения являются очень редкими.
Крупнейшим в мире производителем редкоземельных элементов является Китай, который производит 140000 тонн редкоземельных элементов ежегодно. На втором месте США, производство которых составляет 38000 тонн.
На нижней ступени пьедестала находится Мьянма с добычей 30000 тонн. За ними следуют Австралия, Мадагаскар, Индия, Россия, Таиланд, Вьетнам и Бразилия, которые за год производят редкоземельные элементы соответственно на 17000, 8000, 3000, 2700, 2000 и 1000 тонн соответственно.
Говорят, что архитектор экономического чуда Китая 1980-х годов Дэн Сяопин сказал, что если на Ближнем Востоке есть нефть, то в Китае есть редкоземельные металлы.
В последние десятилетия редкоземельные элементы пользовались спросом в основном в Юго-Восточной Азии, куда переместилось производство электроники. Только Китай потребляет от 70 до 80 процентов всего их мирового производства.
Общее мировое потребление чистых элементов этого типа продолжает ежегодно расти. Поэтому не исключено, что в будущем даже запасов Китая не хватит миру, не говоря уже о том, что добыча редкоземельных элементов, как правило, представляет значительный риск для окружающей среды.
Так для получения килограмма ванадия необходимо очистить восемь с половиной тонн породы, 16 тонн за килограмм церия, 150 за один из галлия, 250 за один лютеция... Кроме того, возникает проблема, что делать с водой, содержащей кислоты и тяжелые металлы после очистки.
В этой ситуации внимание геологов и промышленных стратегов обращается к Гренландии, а именно к месторождениям сырья в районе Кванефьельда.
Здесь, помимо запасов урана и цинка, также имеется значительное присутствие редкоземельных элементов. Их запасы здесь оцениваются примерно в два миллиона тонн, чего хватило бы как минимум на 10 лет будущего прогнозируемого мирового потребления.
Первоначально добыча на этом месторождении была запрещена в 1988 году, но в 2013 году датский парламент снова разрешил ее.
Опыт добычи в полярных условиях также будет важен для будущей аналогичной добычи в Антарктиде, где также недавно были зарегистрированы следы редкоземельных элементов. Перспективные залежи этих элементов также обнаружены на морском дне.
Альтернативными источниками редкоземельных элементов могут быть летучая зола угольных электростанций и переработка электронных устройств.
Например, сообщается, что компания Honda будет извлекать редкоземельные металлы из старых NiMH аккумуляторов и со временем будет использовать для их извлечения другие продукты, которые также содержат их.
Это еще один интересный вариант. Например, компания Ford отреагировала на рост цен на редкоземельные металлы снижением их доли в новых типах аккумуляторов (новые литиевые аккумуляторы могут вообще обходиться без них). Они также вдвое сократили потребление диспрозия в моторных магнитах для гибридных автомобилей. Обе эти меры впоследствии снизили себестоимость автомобилей.
Ключевой фактор - чистота металлов
Чистота редкоземельных металлов является ключевым фактором, влияющим на характеристики функциональных и конструкционных материалов. Например, высокая концентрация кислорода в редкоземельных металлах может ослабить собственную коэрцитивную силу материалов постоянных магнитов.
Редкоземельные металлы низкой чистоты могут вызвать засорение сопла и нестабильную работу в процессе непрерывной разливки стали.
В частности, магнитострикционные материалы и материалы для распыления требуют чистоты редкоземельных металлов выше 99,99%. Чистота редкоземельных металлов должна превышать 99,95% в постоянных магнитных материалах.
В последние годы подготовка и очистка высокочистых редкоземельных металлов привлекает все больше внимания со стороны правительств и экспертов.
Соответствующие ведомства США, Японии и других стран даже отнесли продукцию с редкоземельными элементами к числу ключевых стратегических элементов развития военной техники и наукоемких производств.
С развитием науки и техники редкоземельные металлы высокой чистоты играют решающую роль в строительстве национальной экономики и повседневной жизни.
Добыча, выделение и очистка редкоземельных элементов
С широким применением редкоземельных металлов растущий спрос на редкоземельные металлы высокой чистоты стимулировал быстрое развитие технологии их добычи, выделения и очистки.
В настоящее время электролиз расплавленных солей и термическое восстановление металлов являются обычными методами их получения. В принципе, эти два метода могут извлекать все виды редкоземельных элементов.
Легкие редкоземельные металлы, такие как La, Ce, Pr и Nd, производятся электролизом расплавленных солей для учета экономических факторов стоимости, таких как инвестиции в основной капитал, сырье и потребление энергии.
Метод термического восстановления металла больше подходит для получения тяжелых редкоземельных металлов, таких как Gd, Tb и Y, с высокими температурами плавления и кипения.
Будь то электролиз расплавленной соли или термическое восстановление металлов, чистота редкоземельных металлов находится в диапазоне 95,5–99,5%, что не может удовлетворить требования к материалам с высокими эксплуатационными характеристиками.
В настоящее время методы очистки в основном включают вакуумную перегонку, дуговую плавку, зонную плавку и твердофазную электромиграцию.
За последние 60 лет разработки были достигнуты замечательные достижения в научных исследованиях и промышленном применении редкоземельных элементов, что сформировало относительно хорошо развитую промышленную систему их добычи, подготовки и очистки. Но в то же время следует также отметить, что во многих сферах есть вопросы, требующие решения.
Добыча редкоземельных элементов создает довольно серьезные экологические проблемы. Проблемы этого процесса в основном связаны с первыми двумя фазами добычи: первая включает удаление верхнего слоя почвы, транспортировку в пруды для выщелачивания и добавление химических реагентов для разделения металлов, которые могут создавать загрязнения воздуха и грунтовых вод.
Вторая часть процесса включает в себя бурение в земле, вставку труб из ПВХ и резины для перекачивания химикатов для вымывания редкоземельных элементов.
Проблемы те же, что и на первом этапе, с той разницей, что многие материалы остаются внутри шахт. Заброшенные участки добычи создают дополнительные проблемы, поскольку химические вещества продолжают поглощаться грунтовыми водами.
Электролиз расплавленной соли и термическое восстановление металлов обладают высокой эффективностью и выходом, но низкая чистота редкоземельных металлов и высокое потребление энергии, как правило, не являются незначительными.
Способность редкоземельных металлов к глубокой очистке недостаточна, а индустриализация ограничивается использованием вакуумной дистилляции, что трудно удовлетворить потребности развития высоких технологий. Следовательно, выросла цена на высокочистые редкоземельные металлы, ограничивающая их применение. Поэтому в ближайшем будущем в фокусе внимания будут находится следующие направления:
- Концентрация примеси редкоземельного металла должна быть дополнительно снижена, чтобы обеспечить исходный материал высокой чистоты для процесса очистки.
- Следует выбрать комбинацию различных методов очистки для удаления примесей с учетом видов и использования редкоземельных металлов.
- Должны быть разработаны и исследованы методы очистки, подходящие для массового производства, такие как вакуумная левитация и электронно-лучевая плавка.