Metallid

REE - haruldaste muldmetallide elemendid ja nende kasutamine

REE - haruldaste muldmetallide elemendid ja nende kasutamine



Nõudlus haruldaste muldmetallide elementide järele on kiiresti kasvanud, kuid nende esinemine mündikaevanduses on piiratud.


Haruldaste muldmetallide tootmine: Sellel graafikul on kujutatud haruldaste muldmetallide elementide tootmise ajalugu tonnides haruldaste muldmetallide oksiidi ekvivalendina aastatel 1950 kuni 2017. See näitab selgelt Ameerika Ühendriikide turuletulekut 1960ndate keskel, kui värvitelevisioon plahvatas nõudlust. Kui Hiina 1980ndate lõpus ja 1990ndate alguses hakkas haruldaste muldmetallide müüki väga madala hinnaga, olid USA miinid sunnitud sulgema, kuna nad ei saanud enam kasumit teenida. Kui Hiina 2010. aastal eksporti kärpis, tõusid haruldaste muldmetallide hinnad järsult. See motiveeris uut tootmist Ameerika Ühendriikides, Austraalias, Venemaal, Tais, Malaisias ja teistes riikides. 2016. aastal lõpetas USA-s haruldaste muldmetallide tootmine, kuna ainus allesjäänud kaevandus pandi hooldusele.

REE perioodiline tabel: Haruldaste muldmetallide elemendid on 15 lantaniidiseeria elementi, millele lisandub ütrium. Skandiumit leidub enamikus haruldaste muldmetallide maardlates ja seda klassifitseeritakse mõnikord haruldaste muldmetallide elemendiks. Pilt autorilt.

Mis on haruldaste muldmetallide elemendid (REE)?

Haruldased muldmetallid on seitsmeteistkümne keemilise elemendi rühm, mis esinevad perioodilisustabelis koos (vt pilti). Rühm koosneb ütriumist ja 15 lantaniidielemendist (lantaan, tseerium, praseodüüm, neodüüm, promeerium, samarium, eurooium, gadoliinium, terbium, düsproosium, holmium, erbium, tuulium, ytterbium ja luteetsium). Skandiumit leidub enamikus haruldaste muldmetallide maardlates ja seda klassifitseeritakse mõnikord haruldaste muldmetallide elemendiks. Rahvusvaheline Puhta ja Rakenduskeemia Liit sisaldab skandiumit nende haruldaste muldmetallide määratluses.

Haruldased muldmetallid on kõik metallid ja seda rühma nimetatakse sageli "haruldasteks muldmetallideks". Neil metallidel on palju sarnaseid omadusi ja see põhjustab nende leidmist geoloogilistes leiukohtades sageli kokku. Neid nimetatakse ka "haruldaste muldmetallide oksiidideks", kuna paljusid neist müüakse tavaliselt oksiidiühenditena.

Haruldaste muldmetallide kasutamine: See diagramm näitab haruldaste muldmetallide elementide kasutamist Ameerika Ühendriikides 2017. aastal. Paljud sõidukid kasutavad õhusaaste kontrollimiseks heitgaasisüsteemides haruldaste muldmetallide katalüsaatoreid. Haruldaste muldmetallide lisamine muudab suure hulga sulamid vastupidavamaks. Klaasi, graniiti, marmorit ja vääriskivisid poleeritakse sageli tseeriumoksiidipulbriga. Paljud mootorid ja generaatorid sisaldavad haruldaste muldmetallide elementidega magneteid. Digitaalsetes ekraanides, monitorides ja televiisorites kasutatavad fosforid on loodud haruldaste muldmetallide oksiididega. Enamik arvuti-, mobiiltelefoni- ja elektrisõidukite akusid on valmistatud haruldaste muldmetallidega.

Haruldaste muldmetallide kasutamine

Haruldased muldmetallid ja neid sisaldavad sulamid on kasutusel paljudes seadmetes, mida inimesed kasutavad iga päev, näiteks arvutimälus, DVD-des, laetavates akudes, mobiiltelefonides, katalüüsmuundurites, magnetides, luminofoorvalgustuses ja paljudes muudes.

Viimase kahekümne aasta jooksul on plahvatuslikult kasvanud nõudlus paljude objektide järele, mis vajavad haruldasi muldmetalle. Kakskümmend aastat tagasi oli mobiiltelefone väga vähe, kuid nende arv on tänaseks kasvanud üle 7 miljardi. Haruldaste muldmetallide kasutamine arvutites on kasvanud peaaegu sama kiiresti kui mobiiltelefonid.

Paljud akud on valmistatud haruldaste muldmetallide ühenditega. Nõudlust patareide järele suurendab nõudlus kaasaskantavate elektroonikaseadmete (nt mobiiltelefonid, lugejad, kaasaskantavad arvutid ja kaamerad) järele.

Haruldaste muldmetallide kasutamine Ameerika Ühendriikides

Keemilised katalüsaatorid55%
Keraamika ja klaasitootmine15%
Metallurgia ja sulamid10%
Klaasi poleerimine5%
Muud15%
(2017. aasta andmed USGS-ist)

Mitu kilo haruldasi muldmetallide ühendeid on akudes, mis toidavad iga elektrisõidukit ja hübriidelektrisõidukit. Energiasõltumatuse, kliimamuutuste ja muude probleemide tõttu suurendavad elektri- ja hübriidsõidukite müüki nõudmised haruldaste muldmetallide ühendite järele - veelgi kiiremini.

Haruldasi muldmetalle kasutatakse katalüsaatoritena, fosforitena ja poleerimisühenditena. Neid kasutatakse õhusaaste kontrollimiseks, elektrooniliste seadmete valgustatud ekraanide jaoks ja optilise kvaliteediga klaasi poleerimiseks. Kõigi nende toodete järele on oodata nõudluse kasvu.

Haruldaste muldmetallide elementide kõige olulisemate kasutusalade korral võib neid asendada muude ainetega; need asendajad on tavaliselt vähem tõhusad ja kulukad.

Alates 1950. aastatest kuni 2000. aastate alguseni oli tseeriumoksiid väga populaarne lapidary poleer. See oli odav ja väga tõhus. Hiljutised hinnatõusud on tseeriumoksiidi kasutamise peaaegu täielikult kõrvaldanud kivimite kallutamises ja lapitehasedes. Nüüd kasutatakse selle asemel muud tüüpi poleerimisvahendeid, näiteks alumiiniumi ja titaanoksiidi.

Haruldaste muldmetallide kaitseotstarbeline kasutamine

Lantaanöise nägemise kaitseprillid
Neodüümlaserkauguse otsijad, juhtimissüsteemid, side
Europiumfluorestsentsid ja fosforid lampides ja monitorides
Erbiumvõimendid fiiberoptilises andmeedastuses
Samariumpüsimagnetid, mis on stabiilsed kõrgetel temperatuuridel
Samariumtäpsusega juhitavad relvad
Samarium"valge müra" tootmine stealth-tehnoloogias

Kriitiline kaitsekasutus

Haruldased muldmetallid mängivad meie riigikaitses olulist rolli. Sõjaväes kasutatakse öösel nägemisprille, täpsusega juhitavaid relvi, sidevahendeid, GPS-seadmeid, akusid ja muud kaitseelektroonikat. Need annavad Ameerika Ühendriikide sõjaväele tohutu eelise. Haruldased muldmetallid on peamised koostisosad soomukites kasutatavate väga kõvade sulamite ja mürskude kokkupõrkel purunevate mürskude valmistamisel.

Mõnes kaitserakenduses saab haruldaste muldmetallide elementide jaoks kasutada asendajaid; need asendajad pole tavaliselt siiski nii tõhusad ja see vähendab sõjalist üleolekut. Haruldaste muldmetallide mitmete kasutusviiside kohta on esitatud lisatud tabel 5.

Kas sa teadsid? Enamik Ameerika Ühendriikides kasutatavast skandiumist läheb alumiiniumisulamist pesapallikurikastesse ja muudesse spordivahenditesse. Scandiumit kasutatakse ka pooljuhtides ja erialavalgustuses.

Kas need elemendid on tõesti "haruldased"?

Haruldased muldmetallid pole nii "haruldased", nagu nende nimigi viitab. Tuulium ja luteetsium on kaks kõige harvem esinevat haruldaste muldmetallide elementi - kuid nende kõigi koorikute keskmine arvukus on peaaegu 200 korda suurem kui kulla 1 kooriku arvukus. Neid metalle on aga väga raske kaevandada, kuna neid on ebatavaline leida. kontsentratsioonides, mis on piisavalt ökonoomseks ekstraheerimiseks.

Kõige arvukamad haruldaste muldmetallide elemendid on tseerium, ütrium, lantaan ja neodüüm 2. Neil on keskmine kooriku sisaldus, mis on sarnane tavaliselt kasutatavate tööstusmetallidega nagu kroom, nikkel, tsink, molübdeen, tina, volfram ja plii 1. Taas on nad leidub ekstraheeritavates kontsentratsioonides harva.

Kas sa teadsid? Tuulegeneraatorites kasutatakse haruldaste muldmetallide magneteid. Mõned suured turbiinid vajavad kahte tonni haruldaste muldmetallide magneteid. Need magnetid on väga tugevad ja muudavad turbiinid väga tõhusaks. Haruldaste muldmetallide magneteid kasutatakse turbiinides ja generaatorites paljudes alternatiivse energia rakendustes.

Kas sa teadsid? Haruldaste muldmetallide hinnad ja nõudlus on viimase kümnendi jooksul järsult tõusnud. Hiina toodab umbes 90% tarnest. Austraalias ja USA-s olevad hoiused hakkavad taas tööle ja uurimine paljudes uutes valdkondades edeneb.

Haruldaste muldmetallide rasked ja kerged elemendid: Haruldased muldmetallid jagunevad sageli "rasketeks haruldasteks maadeks" ja "kergeteks haruldasteks maadeks". Lantaan, tseerium, praseodüüm, neodüüm, promeedium ja samarium on "haruldased kerged muldmetallid". Ütrium, euroopia, gadoliinium, terbium, düsproosium, holmium, erbium, tuulium, üterbium ja luteetsium on "rasked haruldased muldmetallid". Kuigi ütrium on kergem kui haruldaste muldmetallide elemendid, kuulub see raskete haruldaste muldmetallide rühma selle keemiliste ja füüsikaliste seoste tõttu looduslike maardlate raskete haruldaste muldmetallidega.

Kas sa teadsid? Igal hübriid- ja elektrisõidukil on suur aku. Iga aku valmistamiseks kasutatakse mitu kilo haruldasi muldmetallide ühendeid. Eeldatakse, et elektrisõidukite kasutamine suureneb kiiresti energiasõltumatuse, kliimamuutuste ja muude probleemide tõttu. See suurendab nõudlust haruldaste muldmetallide järele.

Kas sa teadsid? Enamikus väikestes elektroonikaseadmetes kasutatakse väikestes kogustes haruldaste muldmetallide metalle. Nendel seadmetel on lühike kasutusiga ja REE ringlussevõtt toimub harva. Igal aastal visatakse miljardeid.

Maailma miinitootmine ja varud(2017. aasta kalkulatsioonid)

RiikTootmine
(Tonni)
Reservid
(Tonni)
Ühendriigid--1,400,000
Austraalia20,0003,400,000
Brasiilia2,00022,000,000
Kanada--830,000
Hiina105,00044,000,000
Gröönimaa--1,500,000
India1,5006,900,000
Malawi--140,000
Malaisia30030,000
Venemaa3,00018,000,000
Lõuna-Aafrika--860,000
Tai1,600pole saadaval
Vietnam10022,000,000
Kogu maailmas (ümardatud)130,000120,000,000

Haruldaste muldmetallide tootmise ja kaubanduse ajalugu

Enne 1965

Enne 1965. aastat oli haruldaste muldmetallide järele suhteliselt vähe nõudlust. Sel ajal toodeti suurem osa maailma tarnest India ja Brasiilia platsimaardlatest. 1950ndatel sai Lõuna-Aafrika juhtiv haruldaste muldmetallide monasiidimaardlaid tootvaks tootjaks. Sel ajal tootis Californias asuv Mountain Pass kaevanduses Precambriumi karbonatiidist väheses koguses haruldaste muldmetallide oksiide.

Värvitelevisioon sütitab nõudlust

Nõudlus haruldaste muldmetallide elementide järele plahvatas esimest korda 1960. aastate keskel, kui turule tulid esimesed värvitelerid. Europium oli värvipiltide valmistamisel oluline materjal. Mountain Pass kaevandus hakkas tootma bastnasiidist euroopiumi, mis sisaldas umbes 0,1% euroopiumi. See ettevõtmine tegi Mountain Pass'i kaevandusest maailma suurima haruldaste muldmetallide tootja ja pani USA juhtivtootjaks.

Hiina siseneb turule

Hiina alustas märkimisväärses koguses haruldaste muldmetallide oksiidide tootmist 1980. aastate alguses ja temast sai 1990. aastate alguses maailma juhtiv tootja. 1990-ndate ja 2000-ndate aastate alguses tugevdas Hiina pidevalt oma haaret maailma haruldaste muldmetallide oksiiditurul. Nad müüsid haruldasi muldmetalle nii madala hinnaga, et Mountain Pass ja paljud teised kogu maailmas ei suutnud konkureerida ja lõpetasid tegevuse.

Kaitse- ja tarbeelektroonika nõudlus

Samal ajal tõusis maailma nõudmine kiiresti, kuna haruldased muldmetallid olid mõeldud mitmesugusteks kaitse-, lennundus-, tööstus- ja tarbeelektroonikatoodeteks. Hiina kasutas oma turgu valitsevat seisundit ja hakkas eksporti piirama ning võimaldama haruldaste muldmetallide oksiidide hindadel tõusta ajaloolisele tasemele.

Hiina kui suurim haruldaste muldmetallide tarbija

Lisaks sellele, et Hiina on maailma suurim haruldaste muldmetallide materjalide tootja, on ta ka domineeriv tarbija. Nad kasutavad haruldasi muldmetalle peamiselt elektroonikatoodete tootmisel kodu- ja eksporditurgudel. Jaapan ja USA on haruldaste muldmetallide materjalide suuruselt teine ​​ja kolmas tarbija. Võimalik, et Hiina vastumeelsus haruldaste muldmetallide müümise vastu on nende lisandväärtust tootva tootmissektori kaitse.

Hiina tootmise domineerimise Apex?

Hiinlaste turgu valitsev seisund võib olla haripunkt aastal 2010, kui nad kontrollisid umbes 95% maailma haruldaste muldmetallide tootmisest ja paljude haruldaste muldmetallide oksiidide hinnad olid mõne aasta jooksul tõusnud üle 500%. See oli ärkamine haruldaste muldmetallide tarbijatele ja kaevuritele kogu maailmas. USA, Austraalia, Kanada ja teiste riikide kaevandusettevõtted hakkasid vanu haruldaste muldmetallide väljavaateid ümber hindama ja uusi otsima.

Kõrge hind sundis tootjaid tegema ka kolme asja: 1) otsima võimalusi, kuidas vähendada iga toote tootmiseks vajalike haruldaste muldmetallide sisaldust; 2) otsib haruldaste muldmetallide asemel alternatiivseid materjale; ja 3) töötada välja alternatiivtooted, mis ei vaja haruldasi muldmetallide elemente.

Selle jõupingutuse tulemuseks on teatud tüüpi magnetides kasutatavate haruldaste muldmetallide materjalide koguse vähenemine ja üleminek haruldaste muldmetallide valgustustoodetelt valgusdioodide tehnoloogiale. Ameerika Ühendriikides on haruldaste muldmetallide keskmine tarbimine valmistatud toote ühiku kohta vähenenud, kuid nõudlus suurenenud toodete järele, mis on valmistatud haruldaste muldmetallide elementidega, on suurenenud. Tulemuseks on suurem tarbimine.

Hiina ressursside ostmine väljaspool Hiinat

Hiina ettevõtted on haruldaste muldmetallide ressursse ostnud teistes riikides. 2009. aastal ostis Hiina värviliste metallide kaevandusettevõte enamusosaluse Austraalia ettevõttes Lynas Corporation, mille haruldaste muldmetallide väljundite arv on väljaspool Hiinat üks suuremaid. Nad ostsid ka Sambia Baluba kaevanduse.

Haruldaste muldmetallide tootmine väljaspool Hiinat

Austraalias asusid kaevandused haruldaste muldmetallide oksiide tootma 2011. aastal. 2012. ja 2013. aastal tarnisid nad umbes 2–3% kogu maailma toodangust. 2012. aastal jõudis Mountain Pass kaevandusse taas tootmine ja 2013. aastal toodeti Ameerika Ühendriikides umbes 4% maailma haruldaste muldmetallide elementidest. Brasiilias, Malaisias, Venemaal, Tais ja Vietnamis tootmine jätkus või suurenes.

Ameerika Ühendriikide geoloogiakeskuse korraldatud uutes maavaravarude hinnangutes tuvastati väljaspool Hiinat olulised ressursid. Kuigi Hiina on haruldaste muldmetallide tootmises maailmas juhtiv, kontrollivad nad ainult umbes 36% maailma varudest. See annab teistele riikidele võimaluse saada olulisteks tootjateks nüüd, kui Hiina ei müü haruldaste muldmetallide materjale alla tootmiskulude.

REE tootmisskeem: See diagramm näitab Hiina domineerimist haruldaste muldmetallide tootmisel aastatel 1994 kuni 2017. Ameerika Ühendriigid olid 1990ndatel märkimisväärsed tootjad, kuid Hiina müüdavad madala hinnaga materjalid sundisid USA-s ja teistes riikides kaevandusi töötama. Kuna Hiina piiras eksporti ja hinnad tõusid kiiresti 2009. ja 2010. aastal, aktiviseerusid Austraalia ja USA kaevandused uuesti. Graafik, kasutades Ameerika Ühendriikide geoloogiakeskuse andmeid.

Domineeriva maailmaprodutsendi ohud

Pakkumine ja nõudlus määravad tavaliselt kauba turuhinna. Tarnete kahanedes hinnad tõusevad. Kuna hinnad tõusevad, on pakkumist kontrollivatel isikutel kiusatus müüa. Kaevandusettevõtted näevad kõrgeid hindu kui võimalust ja üritavad välja töötada uusi tarneallikaid.

Haruldaste muldmetallide korral võib mäetööstusettevõtte kinnisvara omandamise otsuse tegemise ja tootmise alguse vahele kuluda mitu aastat või kauem. Uue kaevanduse kinnistu avamiseks pole kiiret viisi.

Kui üks riik kontrollib peaaegu kogu toodangut ja teeb kindla otsuse mitte eksportida, saab kogu kauba pakkumise kiiresti katkestada. See on ohtlik olukord, kui uute tarneallikate väljatöötamine võtab nii kaua aega.

2010. aastal piiras Hiina märkimisväärselt nende haruldaste muldmetallide eksporti. Seda tehti selleks, et tagada haruldaste muldmetallide tarnimine koduseks tootmiseks ja keskkonnakaitsega seotud põhjustel. See Hiina ümberpaigutus kutsus esile paanika ostmise ja mõned haruldaste muldmetallide hinnad tõusid plahvatuslikult. Lisaks kaebasid Jaapan, USA ja Euroopa Liit Maailma Kaubandusorganisatsioonile Hiina piirava haruldaste muldmetallide kaubanduspoliitika osas.

Haruldaste muldmetallide oksiidid: Neid haruldaste muldmetallide oksiide kasutatakse märgistajatena, et teha kindlaks, millised vesikonna osad erodeeruvad. 4. Päripäeva keskelt päripäeva: praseodüüm, tseerium, lantaan, neodüüm, samarium ja gadoliinium. Pildi autor: Peggy Greb, USDA pildigalerii.

Maailma haruldaste muldmetallide maavarad

"Haruldased muldmetallid on maapõues suhteliselt rikkalikult, kuid avastatud mineraalide kontsentratsioonid on vähem levinud kui enamiku muude maakide puhul. USA ja maailma ressursid asuvad peamiselt bastnäsiidis ja monasiidis. Bastnäsiidi maardlad moodustavad Hiinas ja Ameerika Ühendriikides suurima protsendi. maailma haruldaste muldmetallide majandusressursid, samas kui suuruselt teine ​​segment on monasiidimaardlad Austraalias, Brasiilias, Hiinas, Indias, Malaisias, Lõuna-Aafrikas, Sri Lankal, Tais ja Ameerika Ühendriikides.

Apatiit, keraliit, eudialyte, lopariit, fosforiidid, haruldaste muldmetallide kandvad (ioonide adsorptsiooni) savid, sekundaarne monasiit, kasutatud uraanilahused ja ksenotime moodustavad suurema osa ülejäänud ressurssidest. Arvatakse, et avastamata ressursid on oodatava nõudlusega võrreldes väga suured. "Tsiteeritud Ameerika Ühendriikide geoloogiakeskuse mineraaltoodete kokkuvõttest 2.

Haruldaste muldmetallide viited
1 Haruldased muldmetallid - kõrgtehnoloogia kriitilised ressursid: Ameerika Ühendriikide geoloogiakeskus, teabeleht 087-02.
2 Haruldased muldmetallid: Joseph Gambogi, Ameerika Ühendriikide geoloogiakeskus, mineraaltoodete kokkuvõtted, 2017.
3 Haruldased muldmetallid: Joseph Gambogi, Ameerika Ühendriikide geoloogiakeskus, mineraalide aastaraamat 2011.
4 Haruldaste muldmetallide lähenemine mullaerosiooni jälgimisele: Ameerika Ühendriikide põllumajanduse osakond, põllumajandusuuringute teenistus.
5 Hiina äss augus: haruldased muldmetallid: Cindy A. Hurst, National Defense University Press.
6 Haruldaste muldmetallide geoloogia: Vabariik "Ameerika Ühendriikide peamised haruldaste muldmetallide hoiused - kodumaiste hoiuste ja globaalse perspektiivi kokkuvõte."
7 Haruldaste muldmetallide elemendid ja riiklik julgeolek: Välissuhete nõukogu 2014. aasta energiaaruanne.

Haruldaste muldmetallide ülevaade

Ülemaailmne nõudlus autode, tarbeelektroonika, energiatõhusa valgustuse ja katalüsaatorite järele kasvab eeldatavasti järgmise kümnendi jooksul kiiresti. Eeldatakse, et haruldaste muldmetallide nõudlus kasvab, nagu ka nõudlus laetavate akude järele. Eeldatakse, et meditsiinitehnoloogia uued arengud suurendavad kirurgiliste laserite, magnetresonantstomograafia ja positronemissioontomograafia stsintillatsiooni detektorite kasutamist.

Haruldaste muldmetallide elemente kasutatakse kõigis neis tööstusharudes laialdaselt, seega peaks nõudlus nende järele jääma kõrgeks.


Vaata videot: Our Miss Brooks: Department Store Contest Magic Christmas Tree Babysitting on New Year's Eve