Pierwiastki ziem rzadkich (REE) to grupa 17 chemicznie podobnych pierwiastków kluczowych dla wielu gałęzi przemysłu wysokich technologii. Pierwiastki te obejmują 15 lantanowców układu okresowego oraz skand i itr, które zwykle występują w tym samym złoża rudy i wykazują podobne właściwości chemiczne. Pomimo swojej nazwy, REE występują stosunkowo dużo w skorupie ziemskiej, ale ich stężenia są niskie, co sprawia, że ​​ich wydobycie jest trudne ekonomicznie.

Krótka historia i odkrycie

Odkrycie REE rozpoczęło się pod koniec XVIII wieku. Pierwszym odkrytym minerałem ziem rzadkich był gadolinit, związek ceru, itru, żelazo, krzem i inne pierwiastki wydobywane we wsi w Szwecji. W ciągu następnego stulecia zidentyfikowano wszystkie pierwiastki ziem rzadkich. Odkryciem dokonali głównie chemicy, którzy izolowali z nich nowe pierwiastki minerały gdzie te elementy zazwyczaj występują. Ich unikalne konfiguracje elektroniczne utrudniają ich oddzielenie od siebie, co prowadzi do postępu w technikach separacji chemicznej.

Znaczenie REE w nowoczesnych technologiach

REE mają kluczowe znaczenie dla nowoczesnej technologii i są niezbędne w produkcji szerokiej gamy zaawansowanych technologicznie zastosowań. Są kluczowymi komponentami do produkcji magnesów trwałych stosowanych w turbinach wiatrowych i silnikach pojazdów elektrycznych, luminoforach w kolorowych wyświetlaczach, bateriach i zaawansowanej ceramice. Ich unikalne właściwości magnetyczne, luminescencyjne i elektrochemiczne sprawiają, że są niezastąpione w wielu zastosowaniach, w tym w smartfonach, komputerach i technologiach obronnych. Popyt na REE wzrósł wraz z ekspansją rynków zaawansowanych technologii, podkreślając ich rolę w światowym rozwoju gospodarczym i postępie technologicznym.

Ich znaczenie rozciąga się również na względy strategiczne, ponieważ kraje rywalizują o dostęp i kontrolę nad tymi kluczowymi zasobami, co podkreśla geopolityczne implikacje łańcuchów dostaw pierwiastków ziem rzadkich. Zależność technologiczna od REE oznacza, że ​​nadal odgrywają one kluczową rolę w kształtowaniu krajobrazu nowoczesnych technologii i wysiłków na rzecz zrównoważonego rozwoju na całym świecie.

Czym są pierwiastki ziem rzadkich?

Pierwiastki ziem rzadkich (REE) to zestaw siedemnastu pierwiastków metalicznych, w tym piętnaście lantanowców w układzie okresowym oraz skand i itr. Pierwiastki te mają podobne właściwości chemiczne, ale mają różne zachowania fizyczne, szczególnie pod względem właściwości elektronicznych i magnetycznych. REE są znane ze swojej zdolności do przewodzenia prądu, generowania światła i wzmacniania magnetyzmu, co czyni je bardzo cennymi w różnych zaawansowanych technologicznie zastosowaniach.

Lista elementów sklasyfikowanych jako REE

17 elementów sklasyfikowanych jako REE obejmuje:

  1. Skand (Sc)
  2. Itr (Y)
  3. Lantan (La)
  4. Cer (Ce)
  5. Prazeodym (Pr)
  6. Neodym (Nd)
  7. Promet (µm)
  8. Samar (Sm)
  9. Europ (UE)
  10. Gadolin (Gd)
  11. Terb (Tb)
  12. Dysproz (Dy)
  13. Holm (Ho)
  14. Erb (Er)
  15. Tul (Tm)
  16. Iterb (Yb)
  17. lutet (Lu)

Pierwiastki te często występują razem w różnych rudach mineralnych i niezwykle trudno jest je oddzielić ze względu na ich podobne właściwości chemiczne.

Liczebność i rozmieszczenie geograficzne

Globalna dystrybucja pierwiastków ziem rzadkich | Węzeł przestrzenny

Chociaż pierwiastki ziem rzadkich nazywane są „rzadkimi”, występują dość obficie w skorupie ziemskiej. Jednakże rzadko występują w postaci skoncentrowanej, co sprawia, że ​​ich ekstrakcja jest ekonomicznie trudna. Występują rzadziej niż metale zwykłe, takie jak żelazo, ale są bardziej rozpowszechnione niż metale szlachetne, takie jak złoto.

Rozkład geograficzny REE jest dość zróżnicowany:

  • Chiny jest największym producentem MZR, kontrolującym znaczną część światowych dostaw. Kraj posiada rozległą działalność wydobywczą i zaawansowane możliwości przetwarzania, które obsługują dużą część światowego popytu.
  • Australia posiada również znaczne zasoby pierwiastków ziem rzadkich i jest jednym z czołowych eksporterów tych pierwiastków.
  • United States posiada zasoby REE, szczególnie w Kalifornii Góra Przekaż kopalnię i potencjalne niewykorzystane rezerwy w innych lokalizacjach.
  • Indie, Brazylia i Malezja również przyczyniają się do globalnych dostaw pierwiastków ziem rzadkich, chociaż w mniejszym stopniu niż Chiny i Australia.
  • Kanada i niektóre kraje afrykańskie, takie jak Burundi i Tanzania badają i rozwijają swoje zasoby REE, aby wejść na rynek.

To zróżnicowane rozmieszczenie geograficzne ma kluczowe znaczenie, ponieważ wiąże się z względami geopolitycznymi, ponieważ kraje starają się zapewnić stabilne i zrównoważone dostawy tych kluczowych elementów dla swoich gałęzi przemysłu.

Wydobywanie i produkcja pierwiastków ziem rzadkich (REE)

Kluczowe lokalizacje działalności wydobywczej REE na całym świecie

  1. Chiny: Dominuje w globalnym krajobrazie w zakresie wydobycia i przetwarzania REE, szczególnie w prowincjach Mongolii Wewnętrznej i Syczuanu. Kontrola Chin nad REE jest rozległa i wpływa na światowe ceny i łańcuchy dostaw.
  2. United States: Kopalnia Mountain Pass w Kalifornii jest jednym z najbogatszych złóż REE depozyty na Zachodzie i był centralnym punktem wysiłków USA na rzecz ożywienia krajowego przemysłu metali ziem rzadkich.
  3. Australia: Znaczące wydobycie odbywa się w kopalni Mount Weld w Australii Zachodniej, będącej jednym z najbogatszych złóż REE poza Chinami.
  4. Rosja i Kazachstan: Obydwa kraje posiadają znaczne zasoby REE i pracują nad zwiększeniem swoich mocy produkcyjnych.
  5. Indie: Posiada kilka mniejszych kopalń, które zaspokajają zarówno potrzeby krajowe, jak i ograniczają eksport.
  6. Brazylia: Posiada znaczny potencjał REE, szczególnie w stanach Minas Gerais i Goiás.
  7. Wietnam: Posiada potencjał znaczącej produkcji REE, przy czym duże złoża nie zostały jeszcze w pełni wykorzystane.

Techniki wydobycia i przetwórstwa MZR

Wydobywanie REE obejmuje kilka złożonych i pracochłonnych procesów:

  • Ekstrakcja: REE wydobywa się z ziemi tradycyjnymi technikami wydobywczymi, w tym wydobyciem odkrywkowym i rzadziej podziemnym.
  • Kruszenie i Mielenie: Ruda jest kruszona i mielona w celu zmniejszenia rozmiaru cząstek skały i odsłonięcia minerałów zawierających REE.
  • Stężenie: Rozdrobniona ruda jest przetwarzana poprzez flotację i inne metody w celu zwiększenia stężenia REE.
  • Separacja: Skoncentrowana ruda poddawana jest procesom separacji chemicznej w celu zindywidualizowania każdego pierwiastka. Często odbywa się to za pomocą ekstrakcji rozpuszczalnikiem, podczas której różne rozpuszczalniki selektywnie wiążą się z różnymi REE.
  • Rafinacja: Na koniec oddzielone elementy są rafinowane do wysokiego poziomu czystości do zastosowań przemysłowych.

Wyzwania środowiskowe i geopolityczne związane z wydobyciem REE

Wyzwania środowiskowe:

  • Toksyczność: Przetwarzanie REE generuje znaczne ilości odpadów toksycznych i radioaktywnych, które w przypadku niewłaściwego gospodarowania stwarzają poważne zagrożenie dla środowiska i zdrowia.
  • Degradacja ziemi: Ekstensywna działalność wydobywcza zakłóca lokalne ekosystemy, prowadzić na erozję gleby, wylesianie i zanieczyszczenie źródeł wody.
  • Wyczerpanie zasobów: Wysoki popyt na REE może prowadzić do nadmiernej eksploatacji tych zasobów, wpływając na ich dostępność i prowadząc do bardziej intensywnych i szkodliwych dla środowiska wysiłków wydobywczych.

Wyzwania geopolityczne:

  • Bezpieczeństwo dostaw: Kraje w dużym stopniu zależne od REE w swoich gałęziach przemysłu technologicznego, zwłaszcza te nieposiadające źródeł krajowych, stoją w obliczu znacznego ryzyka związanego z zakłóceniami w dostawach z głównych krajów produkujących.
  • Kontrola rynku: Dominacja Chin na rynku REE zapewnia im znaczną przewagę nad innymi krajami, wpływając na światową gospodarkę i politykę.
  • National Security: REE mają kluczowe znaczenie dla technologii obronnych, przez co bezpieczny i niezawodny dostęp do tych materiałów stanowi kwestię bezpieczeństwa narodowego wielu narodów.

Te kwestie środowiskowe i geopolityczne wymagają ostrożnego zarządzania i współpracy międzynarodowej, aby zapewnić, że wydobycie i przetwarzanie REE będzie zrównoważone i sprawiedliwe. Trwają również wysiłki mające na celu recykling REE i opracowanie alternatywnych materiałów, które mogą je zastąpić w niektórych zastosowaniach, aby złagodzić niektóre z tych wyzwań

Zastosowania pierwiastków ziem rzadkich w technologii

Rysunek 1. Aplikacje REE w USA. Uwaga: zaadaptowano [przedrukowano] z „Rare Earths Infographic Rev” autorstwa Thorium Energy Alliance, bd (https://bit.ly/3EYEYeN).

1. Elektronika

Pierwiastki ziem rzadkich (REE) są integralną częścią różnych urządzeń elektronicznych, zwiększając wydajność i umożliwiając funkcje, które w innym przypadku byłyby trudne do osiągnięcia:

  • Smartfony: REE są wykorzystywane do produkcji komponentów smartfonów, takich jak głośniki, mikrofony i wibratory. Na przykład neodym zastosowano w magnesach, dzięki którym głośniki i mikrofony są bardziej kompaktowe, a jednocześnie mocne.
  • Komputery: REE, takie jak itr i europ, mają kluczowe znaczenie dla tworzenia kolorów na wyświetlaczach komputerowych. Terb można znaleźć w urządzeniach półprzewodnikowych, takich jak półprzewodniki.
  • Aparaty: Lantan jest stosowany w obiektywach aparatów fotograficznych w celu zwiększenia przejrzystości i korekcji kolorów ze względu na jego wysoki współczynnik załamania światła i właściwości o niskiej dyspersji.

2. Energia

W sektorze energii odnawialnej REE odgrywają kluczową rolę w funkcjonalności i wydajności różnych technologii:

  • Turbiny wiatrowe: Magnesy neodymowe są stosowane w wysokowydajnych magnesach trwałych, które mają kluczowe znaczenie dla generatorów w turbinach wiatrowych. Magnesy te pozwalają na tworzenie mniejszych, lżejszych i bardziej wydajnych generatorów.
  • Panele słoneczne: Niektóre zaawansowane panele słoneczne wykorzystują cer do polerowania powierzchni szklanych, a inne REE można stosować w luminoforach do ogniw słonecznych.
  • baterie: REE, takie jak lantan i cer, są stosowane w akumulatorach niklowo-metalowo-wodorkowych, które można znaleźć w wielu pojazdach hybrydowych i systemach magazynowania energii odnawialnej.

3. automobilowy

Przemysł motoryzacyjny czerpie znaczne korzyści z unikalnych właściwości REE, szczególnie w zakresie rozwoju bardziej zrównoważonych technologii:

  • Pojazdy elektryczne (EV): Efektywne działanie silników wielu pojazdów elektrycznych opiera się na magnesach trwałych na bazie neodymu. Magnesy te przyczyniają się do wysokiej wydajności i trwałości wymaganej w zastosowaniach motoryzacyjnych.
  • Technologie hybrydowe: REE, takie jak lantan, są kluczowymi składnikami akumulatorów stosowanych w samochodach hybrydowych, poprawiającymi magazynowanie i wydajność energii.

4. Obrona

W technologii obronnej właściwości REE wykorzystuje się ze względu na ich właściwości zwiększające wydajność:

  • Systemy naprowadzania: Gadolin i samar, ze swoimi wyjątkowymi właściwościami magnetycznymi i termicznymi, są stosowane w amunicji precyzyjnej i żyroskopach.
  • Sprzęt noktowizyjny: Pierwiastki ziem rzadkich, takie jak neodym i erb, są niezbędne w goglach noktowizyjnych, ponieważ poprawiają zdolność wzmacniania światła.
  • Systemy komunikacji: Różne REE są stosowane w wysokowydajnych urządzeniach komunikacyjnych, co zwiększa ich niezawodność w ekstremalnych warunkach i zwiększa możliwości przetwarzania sygnału.

Wnioski

Różnorodne zastosowania REE w technologii podkreślają ich kluczową rolę w rozwoju nowoczesnych i przyszłych technologii. Ich unikalne właściwości magnetyczne, optyczne i elektryczne umożliwiają postęp w wielu gałęziach przemysłu, od codziennej elektroniki użytkowej po krytyczne systemy obronne. W miarę ciągłego rozwoju technologii zapotrzebowanie na te pierwiastki prawdopodobnie wzrośnie, co podkreśla potrzebę stosowania zrównoważonych praktyk wydobywczych i poszukiwania alternatywnych materiałów lub metod recyklingu w celu złagodzenia wpływu na środowisko.

Wpływ gospodarczy pierwiastków ziem rzadkich (REE)

Wpływ gospodarczy pierwiastków ziem rzadkich (REE) jest głęboki i wieloaspektowy i wpływa na rynki światowe, przemysł technologiczny i dynamikę geopolityczną. Oto zestawienie kluczowych obszarów, w których REE wywierają znaczący wpływ gospodarczy:

1. Technologia i innowacje

REE mają kluczowe znaczenie dla wielu zaawansowanych technologicznie i ekologicznych technologii, które są niezbędne dla transformacji cyfrowej i ekologicznej zachodzącej obecnie na całym świecie. Umożliwiają miniaturyzację i ulepszanie urządzeń elektronicznych, takich jak smartfony i laptopy, i są niezbędne w rozwoju technologii energii odnawialnej, takich jak turbiny wiatrowe i pojazdy elektryczne (EV). Dążenie do bardziej zrównoważonych i wydajnych technologii opiera się w dużej mierze na unikalnych właściwościach REE, co prowadzi do wzrostu w sektorach wytwarzających te produkty.

2. Łańcuch dostaw i produkcja

Sektory produkcyjne w krajach mających dostęp do MZR lub technologii ich przetwarzania zyskują przewagę konkurencyjną. Widać to po dominacji Chin, które nie tylko wydobywają, ale także przetwarzają znaczną część światowych surowców REE. Ta kontrola nad dostawami uczyniła Chiny kluczowym graczem w globalnym łańcuchu dostaw technologii wymagających tych elementów, wpływając na wszystko, od kosztów produkcji po innowacje w technikach produkcyjnych.

3. Handel globalny i geopolityka

Strategiczne znaczenie REE sprawiło, że stały się one centralnym punktem stosunków międzynarodowych i polityki handlowej. Kraje zależne od tych elementów w swoim przemyśle technologicznym często znajdują się w niekorzystnej sytuacji w negocjacjach z krajami dostawcami. Doprowadziło to do napięć geopolitycznych, zwłaszcza tam, gdzie narody naciskają na dywersyfikację dostaw, aby uniknąć uzależnienia od jednego źródła, przede wszystkim Chin. Wysiłki mające na celu zapewnienie alternatywnych dostaw i poprawę recyklingu REE są częściowo napędzane presją gospodarczą i geopolityczną.

4. Tworzenie miejsc pracy i rozwój gospodarczy

Regiony inwestujące w zakłady wydobywcze i przetwórcze REE mogą doświadczyć znacznego rozwoju gospodarczego i tworzenia miejsc pracy. Jednakże korzyści często są równoważone potrzebą znacznych inwestycji w technologię i infrastrukturę w celu zarządzania wpływem wydobycia REE na środowisko. Na przykład Stany Zjednoczone i Australia aktywnie inwestują w cały łańcuch dostaw REE, od wydobycia po możliwości zaawansowanego przetwarzania, mając na celu tworzenie miejsc pracy i ulepszanie swojej bazy przemysłowej.

5. Zmienność cen i dynamika rynku

Rynek REE podlega znacznej zmienności cen ze względu na ich krytyczny charakter i skoncentrowany łańcuch dostaw. Zakłócenia w dostawach spowodowane niepokojami politycznymi, sporami handlowymi lub przepisami ochrony środowiska mogą prowadzić do gwałtownego wzrostu cen, który odbije się na wielu branżach. Ta zmienność zachęca do inwestycji w recykling REE i rozwój alternatywnych materiałów, które mogą zmniejszyć zależność od wydobywanych pierwiastków ziem rzadkich.

6. Koszty i inwestycje środowiskowe

Wydobywanie i przetwarzanie REE wiąże się z wysokimi kosztami środowiskowymi, które mogą przełożyć się na obciążenia ekonomiczne wynikające z oczyszczania, kontroli zanieczyszczeń i wpływu na zdrowie lokalnych społeczności. Aby złagodzić te skutki, konieczne są inwestycje w czystsze i wydajniejsze technologie przetwarzania, co stanowi kolejny poziom analizy ekonomicznej produkcji REE.

Wnioski

Wpływ gospodarczy REE rozciąga się na różne wymiary gospodarki światowej, od zwiększania możliwości branż zaawansowanych technologii po wpływanie na międzynarodową politykę handlową. W miarę jak świat w coraz większym stopniu zwraca się w stronę rozwiązań opartych na technologii w zakresie wyzwań energetycznych i środowiskowych, rola REE będzie tylko rosła, co podkreśla potrzebę zrównoważonych praktyk i solidnych strategii ekonomicznych w celu skutecznego zarządzania tymi krytycznymi zasobami.