Металлы

РЗЭ - Редкоземельные элементы и их использование

РЗЭ - Редкоземельные элементы и их использование



Спрос на редкоземельные элементы быстро рос, но их присутствие в полезных ископаемых ограничено.


Производство редкоземельных элементов: На этой диаграмме показана история производства редкоземельных элементов в метрических тоннах в эквиваленте редкоземельного оксида в период между 1950 и 2017 годами. На нем четко показан выход Соединенных Штатов на рынок в середине 1960-х годов, когда спрос на цветное телевидение возрос. Когда Китай начал продавать редкие земли по очень низким ценам в конце 1980-х и начале 1990-х годов, шахты в Соединенных Штатах были вынуждены закрыться, потому что они больше не могли получать прибыль. Когда в 2010 году Китай сократил экспорт, цены на редкоземельные элементы резко возросли. Это побудило новое производство в США, Австралии, России, Таиланде, Малайзии и других странах. В 2016 году производство редкоземельных элементов в США прекратилось, так как единственный оставшийся рудник был поставлен на попечение и техническое обслуживание.

REE Периодическая таблица: Редкоземельные элементы - это 15 элементов серии лантаноидов плюс иттрий. Скандий встречается в большинстве месторождений редкоземельных элементов и иногда классифицируется как редкоземельный элемент. Изображение предоставлено

Что такое редкоземельные элементы (РЗЭ)?

Редкоземельные элементы представляют собой группу из семнадцати химических элементов, которые встречаются вместе в периодической таблице (см. Изображение). Группа состоит из иттрия и 15 элементов лантаноидов (лантана, церия, празеодима, неодима, прометия, самария, европия, гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия, эрбия, тулия, иттербия и лютеция). Скандий встречается в большинстве месторождений редкоземельных элементов и иногда классифицируется как редкоземельный элемент. Международный союз теоретической и прикладной химии включает скандий в определение редкоземельных элементов.

Все редкоземельные элементы - это металлы, и эту группу часто называют «редкоземельными металлами». Эти металлы имеют много схожих свойств, и это часто приводит к тому, что они обнаруживаются вместе в геологических отложениях. Их также называют «редкоземельными оксидами», потому что многие из них обычно продаются в виде оксидных соединений.

Использование редкоземельных элементов: На этой диаграмме показано использование редкоземельных элементов в Соединенных Штатах в течение 2017 года. Многие транспортные средства используют редкоземельные катализаторы в своих выхлопных системах для контроля загрязнения воздуха. Большое количество сплавов делают более долговечными за счет добавления редкоземельных металлов. Стекло, гранит, мрамор и драгоценные камни часто полируются порошком оксида церия. Многие двигатели и генераторы содержат магниты из редкоземельных элементов. Люминофоры, используемые в цифровых дисплеях, мониторах и телевизорах, созданы с использованием редкоземельных оксидов. Большинство аккумуляторов для компьютеров, мобильных телефонов и электромобилей изготавливаются из редкоземельных металлов.

Использование Редких Земных Элементов

Редкоземельные металлы и содержащие их сплавы используются во многих устройствах, которые люди используют каждый день, таких как память компьютера, DVD-диски, аккумуляторы, сотовые телефоны, каталитические нейтрализаторы, магниты, флуоресцентное освещение и многое другое.

В течение последних двадцати лет наблюдается взрыв спроса на многие предметы, которые требуют редкоземельных металлов. Двадцать лет назад было очень мало мобильных телефонов, но сегодня их число возросло до 7 миллиардов. Использование редкоземельных элементов в компьютерах выросло почти так же быстро, как и в мобильных телефонах.

Многие аккумуляторные батареи изготовлены из редкоземельных соединений. Спрос на аккумуляторы определяется спросом на портативные электронные устройства, такие как мобильные телефоны, считыватели, портативные компьютеры и камеры.

США Использование редкоземельных элементов

Химические катализаторы55%
Керамика и изготовление стекла15%
Металлургия и сплавы10%
Полировка стекла5%
Другие15%
(Данные USGS за 2017 год)

Несколько фунтов редкоземельных соединений находятся в батареях, которые питают каждый электромобиль и гибридный электромобиль. Поскольку озабоченность по поводу энергетической независимости, изменения климата и другие проблемы стимулируют продажу электрических и гибридных транспортных средств, спрос на батареи, изготовленные из редкоземельных соединений, будет расти еще быстрее.

Редкоземельные элементы используются в качестве катализаторов, люминофоров и полирующих составов. Они используются для контроля загрязнения воздуха, экранов с подсветкой на электронных устройствах и полировки стекла оптического качества. Ожидается, что все эти продукты будут испытывать растущий спрос.

Другие вещества могут заменять редкоземельные элементы в их наиболее важных целях; однако эти заменители обычно менее эффективны и дороги.

С 1950-х до начала 2000-х годов оксид церия был очень популярным лапидарным лаком. Это было недорого и очень эффективно. Недавнее повышение цен почти исключило использование оксида церия в камнеобразовании и искусстве скалолазания. Другие типы полировки, такие как алюминий и оксид титана, теперь используются вместо него.

Использование Защиты Редких Земных Элементов

Лантаночки ночного видения
неодимлазерные дальномеры, системы наведения, связь
европийфлуоресцентные лампы и люминофоры в лампах и мониторах
эрбийусилители в волоконно-оптической передаче данных
Самарийпостоянные магниты, устойчивые при высоких температурах
Самарийвысокоточное оружие
Самарийпроизводство "белого шума" в стелс-технологии

Критическая защита использует

Редкоземельные элементы играют важную роль в нашей национальной обороне. Военные используют очки ночного видения, высокоточное оружие, средства связи, GPS-оборудование, батареи и другую оборонную электронику. Это дает американским военным огромное преимущество. Редкоземельные металлы являются ключевыми ингредиентами для изготовления очень твердых сплавов, используемых в бронетехнике и снарядах, которые разрушаются при ударе.

Заменители могут использоваться для редкоземельных элементов в некоторых оборонных применениях; однако эти заменители обычно не так эффективны, и это уменьшает военное превосходство. Несколько видов использования редкоземельных элементов приведены в прилагаемой таблице 5.

Вы знали? Большая часть скандия, используемого в Соединенных Штатах, идет на бейсбольные биты из алюминиевого сплава и другое спортивное оборудование 3. Скандий также используется в полупроводниках и специальном освещении.

Являются ли эти элементы действительно "редкими"?

Редкоземельные элементы не так редки, как следует из их названия. Тулий и лютеций являются двумя наименее распространенными редкоземельными элементами, но каждый из них имеет среднюю численность коры, которая почти в 200 раз больше, чем численность коры золота 1. Однако эти металлы очень трудно добывать, потому что найти их необычно в концентрациях, достаточно высоких для экономичного извлечения.

Наиболее распространенными редкоземельными элементами являются церий, иттрий, лантан и неодим 2. Они имеют средние содержания коры, которые аналогичны обычно используемым промышленным металлам, таким как хром, никель, цинк, молибден, олово, вольфрам и свинец 1. Опять они редко встречаются в извлекаемых концентрациях.

Вы знали? Редкоземельные магниты используются в ветряных турбинах. Некоторые большие турбины требуют двух ТОНН редкоземельных магнитов. Эти магниты очень прочные и делают турбины очень эффективными. Редкоземельные магниты используются в турбинах и генераторах во многих приложениях альтернативной энергии.

Вы знали? За последнее десятилетие цены и спрос на редкоземельные материалы резко возросли. Китай производит около 90% поставок. Месторождения в Австралии и Соединенных Штатах возвращаются в строй, и разведка во многих новых областях продолжается.

Тяжелые и легкие редкоземельные элементы: Редкоземельные элементы часто подразделяются на «Тяжелые редкие земли» и «Легкие редкие земли». Лантан, церий, празеодим, неодим, прометий и самарий являются «легкими редкими землями». Иттрий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций являются «тяжелыми редкими землями». Хотя иттрий легче, чем легкие редкоземельные элементы, он входит в группу тяжелых редкоземельных элементов из-за его химической и физической ассоциации с тяжелыми редкоземельными элементами в природных отложениях.

Вы знали? Каждый гибридный электрический и электрический автомобиль имеет большую батарею. Каждая батарея изготовлена ​​с использованием нескольких фунтов редкоземельных соединений. Ожидается, что использование электромобилей будет быстро расти, что обусловлено энергетической независимостью, изменением климата и другими проблемами. Это увеличит спрос на редкоземельные материалы.

Вы знали? Крошечные количества редкоземельных металлов используются в большинстве небольших электронных устройств. Эти устройства имеют короткий срок службы, и утилизация РЗЭ осуществляется нечасто. Миллиарды выбрасываются каждый год.

Мировая добыча и запасы(Оценки 2017 года)

Странапроизводство
(Метрических тонн)
резервы
(Метрических тонн)
Соединенные Штаты--1,400,000
Австралия20,0003,400,000
Бразилия2,00022,000,000
Канада--830,000
Китай105,00044,000,000
Гренландия--1,500,000
Индия1,5006,900,000
Малави--140,000
Малайзия30030,000
Россия3,00018,000,000
Южная Африка--860,000
Таиланд1,600нет в наличии
Вьетнам10022,000,000
Всего в мире (округлено)130,000120,000,000

История производства и торговли редкоземельными элементами

Pre-1965

До 1965 года спрос на редкоземельные элементы был относительно небольшим. В то время большая часть мировых поставок производилась из россыпных месторождений в Индии и Бразилии. В 1950-х годах Южная Африка стала ведущим производителем месторождений редкоземельных монацитов. В то время рудник Маунтин-Пасс в Калифорнии производил небольшое количество редкоземельных оксидов из докембрийского карбонатита.

Цветное телевидение зажигает спрос

Спрос на редкоземельные элементы впервые проявился в середине 1960-х годов, когда на рынок появились первые цветные телевизоры. Европий был основным материалом для создания цветных изображений. Шахта "Горный перевал" начала производить европий из бастназита, который содержал около 0,1% европия. Это усилие сделало шахту Mountain Pass крупнейшим производителем редкоземельных элементов в мире и сделало Соединенные Штаты ведущим производителем.

Китай выходит на рынок

Китай начал производить значительные количества редкоземельных оксидов в начале 1980-х и стал ведущим мировым производителем в начале 1990-х. В течение 1990-х и начала 2000-х годов Китай неуклонно укреплял свои позиции на мировом рынке редкоземельных оксидов. Они продавали редкие земли по таким низким ценам, что шахта «Горный перевал» и многие другие по всему миру не могли конкурировать и прекратили свою деятельность.

Потребность в оборонной и бытовой электронике

В то же время мировой спрос стремительно рос, поскольку редкоземельные металлы были сконструированы для широкого спектра изделий оборонной, авиационной, промышленной и бытовой электроники. Китай использовал свое доминирующее положение и начал ограничивать экспорт и позволил ценам на оксид редкоземельных элементов подняться до исторического уровня.

Китай как крупнейший потребитель редкоземельных металлов

Помимо того, что Китай является крупнейшим в мире производителем редкоземельных материалов, он также является доминирующим потребителем. Они используют редкоземельные элементы в основном в производстве электроники для внутреннего и экспортного рынков. Япония и США являются вторыми и третьими по величине потребителями редкоземельных материалов. Возможно, что нежелание Китая продавать редкие земли является защитой их производственного сектора с добавленной стоимостью.

Вершина китайского производства?

Доминирование в Китае, возможно, достигло пика в 2010 году, когда они контролировали около 95% мирового производства редкоземельных элементов, а цены на многие редкоземельные оксиды выросли более чем на 500% всего за несколько лет. Это стало пробуждением для редкоземельных потребителей и шахтеров по всему миру. Горнодобывающие компании в Соединенных Штатах, Австралии, Канаде и других странах начали переоценивать старые редкоземельные перспективы и искать новые.

Высокие цены также заставили производителей сделать три вещи: 1) искать способы сократить количество редкоземельных элементов, необходимых для производства каждого из своих продуктов; 2) искать альтернативные материалы для использования вместо редкоземельных элементов; и 3) разработать альтернативные продукты, которые не требуют редкоземельных элементов.

Эти усилия привели к снижению количества редкоземельных материалов, используемых в некоторых типах магнитов, и переходу от редкоземельных осветительных приборов к технологии светодиодов. В Соединенных Штатах среднее потребление редкоземельных элементов на единицу произведенного продукта уменьшилось, но спрос на большее количество продуктов, произведенных с использованием редкоземельных элементов, увеличился. Результатом стало более высокое потребление.

Китай покупает ресурсы за пределами Китая

Китайские компании закупают редкоземельные ресурсы в других странах. В 2009 году Китайская компания по добыче цветных металлов приобрела контрольный пакет акций Lynas Corporation, австралийской компании, которая имеет один из самых высоких показателей производства редкоземельных элементов за пределами Китая. Они также приобрели шахту Балуба в Замбии.

Редкоземельное производство за пределами Китая

Шахты в Австралии начали производить редкоземельные оксиды в 2011 году. В 2012 и 2013 годах они поставляли от 2% до 3% мирового производства. В 2012 году рудник Mountain Pass вернулся в производство, и в 2013 году Соединенные Штаты произвели около 4% редкоземельных элементов в мире. Продолжалось или увеличивалось производство в Бразилии, Малайзии, России, Таиланде и Вьетнаме.

Новые оценки минеральных ресурсов, проведенные Геологической службой США, выявили значительные ресурсы за пределами Китая. Хотя Китай является мировым лидером по производству редкоземельных металлов, они контролируют лишь около 36% мировых запасов. Это дает возможность другим странам стать важными производителями сейчас, когда Китай не продает редкоземельные материалы ниже себестоимости.

Производственная схема РЗЭ: На этой диаграмме показано доминирование Китая в производстве редкоземельных элементов в период с 1994 по 2017 год. В 1990-х годах Соединенные Штаты были крупным производителем, но дешевые материалы, продаваемые Китаем, заставили шахты в Соединенных Штатах и ​​других странах выйти из строя. Поскольку Китай ограничил экспорт, а цены быстро росли в 2009 и 2010 годах, шахты в Австралии и Соединенных Штатах вновь стали активными. График с использованием данных из Геологической службы США.

Опасности доминирующего мирового производителя

Спрос и предложение обычно определяют рыночную цену товара. По мере сокращения поставок цены растут. Когда цены растут, те, кто контролирует поставки, испытывают желание продать. Горнодобывающие компании рассматривают высокие цены как возможность и пытаются разрабатывать новые источники поставок.

С редкоземельными элементами время между решением горнодобывающей компании о приобретении собственности и началом производства может составлять несколько лет или дольше. Там нет быстрого способа открыть новое горнодобывающее свойство.

Если одна страна контролирует почти все производство и принимает твердое решение не экспортировать, тогда все предложение товара может быть быстро прекращено. Это опасная ситуация, когда новые источники поставок так долго развиваются.

В 2010 году Китай значительно ограничил экспорт редкоземельных элементов. Это было сделано для обеспечения поставок редкоземельных элементов для внутреннего производства и по экологическим причинам. Этот сдвиг со стороны Китая вызвал панические покупки, и некоторые цены на редкие земли резко выросли. Кроме того, Япония, Соединенные Штаты и Европейский союз пожаловались Всемирной торговой организации на ограничительную политику Китая по торговле редкими землями.

Редкоземельные оксиды: Эти редкоземельные оксиды используются в качестве индикаторов для определения того, какие части водораздела разрушаются. 4. По часовой стрелке от верхнего центра: празеодим, церий, лантан, неодим, самарий и гадолиний. Изображение Пегги Греб, Галерея изображений USDA.

Мировые редкоземельные минеральные ресурсы

«Редкие земли относительно многочисленны в земной коре, но обнаруженные минимальные концентрации встречаются реже, чем для большинства других руд. Американские и мировые ресурсы содержатся главным образом в бастнасите и монаците. Месторождения бастнасита в Китае и Соединенных Штатах составляют наибольшую долю редкоземельные экономические ресурсы мира, в то время как запасы монацита в Австралии, Бразилии, Китае, Индии, Малайзии, Южной Африке, Шри-Ланке, Таиланде и США составляют второй по величине сегмент.

Апатит, хералит, эвдиалит, лопарит, фосфориты, редкоземельные (ионная адсорбция) глины, вторичный монацит, растворы отработанного урана и ксенотим составляют большую часть оставшихся ресурсов. Необнаруженные ресурсы считаются очень большими по сравнению с ожидаемым спросом ". Цитируется по краткому обзору полезных ископаемых США Геологической службы США 2.

Ссылки на редкоземельные элементы
1 Редкоземельные элементы - критические ресурсы для высоких технологий: Геологическая служба США, информационный бюллетень 087-02.
2 Редкие земли: Джозеф Гамбоги, Геологическая служба США, Минеральные товарные сводки, 2017.
3 Редкие земли: Джозеф Гамбоги, Геологическая служба США, Ежегодник Минералов 2011.
4 Редкоземельный подход к отслеживанию эрозии почвы: Министерство сельского хозяйства США, Служба сельскохозяйственных исследований.
5 Туз в лунке: редкоземельные элементы: Синди А. Херст, издательство университета национальной обороны.
6 Геология редкоземельных элементов: "Переиздание"Основные депозиты редкоземельных элементов Соединенных Штатов - краткий обзор внутренних депозитов и глобальная перспектива."
7 Редкоземельные элементы и национальная безопасность: Энергетический отчет Совета по международным отношениям, 2014.

Перспектива Редкой Земли

Ожидается, что мировой спрос на автомобили, бытовую электронику, энергосберегающее освещение и катализаторы будет быстро расти в течение следующего десятилетия. Ожидается увеличение спроса на редкоземельные магниты, а также на аккумуляторы. Ожидается, что новые разработки в области медицинских технологий повысят использование хирургических лазеров, магнитно-резонансных томографов и сцинтилляционных детекторов позитронно-эмиссионной томографии.

Редкоземельные элементы интенсивно используются во всех этих отраслях, поэтому спрос на них должен оставаться высоким.


Смотреть видео: Редкоземельные элементы РЗЭ. Химия просто