Kovy

REE - vzácne zemské prvky a ich využitie



Dopyt po prvkoch vzácnych zemín rýchlo rástol, ich výskyt v ložiskách, ktoré sa ťažia, je však obmedzený.


Výroba prvkov vzácnych zemín: Tento graf ukazuje históriu výroby prvkov vzácnych zemín v metrických tonách ekvivalentov oxidu vzácnych zemín medzi rokmi 1950 a 2017. Jasne ukazuje vstup Spojených štátov na trh v polovici 60. rokov, keď dopyt po farebnej televízii explodoval. Keď Čína koncom 80. a začiatkom 90. rokov začala predávať vzácne zeminy za veľmi nízke ceny, boli dolu v Spojených štátoch nútené zatvárať, pretože už nemohli dosahovať zisk. Keď Čína v roku 2010 znížila vývoz, ceny vzácnych zemín prudko stúpali. To motivovalo novú produkciu v Spojených štátoch, Austrálii, Rusku, Thajsku, Malajzii a ďalších krajinách. V roku 2016 sa výroba vzácnych zemín v Spojených štátoch zastavila, keďže jediná zvyšná baňa bola umiestnená na starostlivosť a údržbu.

Periodická tabuľka REE: Prvky vzácnych zemín sú prvkami série 15 lanthanidov plus ytrium. Škandium sa nachádza vo väčšine ložísk prvkov vzácnych zemín a niekedy je klasifikované ako prvok vzácnych zemín. Obrázok autora.

Čo sú prvky vzácnych zemín (REE)?

Prvky vzácnych zemín sú skupinou sedemnástich chemických prvkov, ktoré sa vyskytujú spolu v periodickej tabuľke (pozri obrázok). Táto skupina pozostáva z ytria a 15 lanthanidových prvkov (lantán, cér, praseodym, neodym, prométium, samárium, europium, gadolínium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, tulium, ytterbium a lutécium). Škandium sa nachádza vo väčšine ložísk prvkov vzácnych zemín a niekedy je klasifikované ako prvok vzácnych zemín. Medzinárodná únia čistej a aplikovanej chémie zahŕňa do definície prvkov vzácnych zemín škandium.

Prvkami vzácnych zemín sú všetky kovy a táto skupina sa často označuje ako „kovy vzácnych zemín“. Tieto kovy majú veľa podobných vlastností, ktoré často spôsobujú, že sa nachádzajú v geologických ložiskách. Nazývajú sa aj oxidy vzácnych zemín, pretože mnohé z nich sa zvyčajne predávajú ako oxidové zlúčeniny.

Použitie prvkov vzácnych zemín: Tento graf ukazuje použitie prvkov vzácnych zemín v Spojených štátoch v roku 2017. Mnoho vozidiel používa katalyzátory vzácnych zemín vo svojich výfukových systémoch na kontrolu znečistenia ovzdušia. Pridaním kovov vzácnych zemín sa odolnosť veľkého počtu zliatin stáva trvanlivejšou. Sklo, žula, mramor a drahé kamene sa často leštia práškovým oxidom céru. Mnoho motorov a generátorov obsahuje magnety vyrobené z prvkov vzácnych zemín. Fosfory používané v digitálnych displejoch, monitoroch a televízoroch sa vyrábajú s oxidmi vzácnych zemín. Väčšina batérií pre počítače, mobilné telefóny a elektrické vozidlá sa vyrába z kovov vzácnych zemín.

Použitie prvkov vzácnych zemín

Kovy a zliatiny vzácnych zemín, ktoré ich obsahujú, sa používajú v mnohých zariadeniach, ktoré ľudia používajú každý deň, napríklad v počítačovej pamäti, DVD, nabíjateľných batériách, mobilných telefónoch, katalyzátoroch, magnetoch, žiarivkách a oveľa viac.

Počas posledných dvadsiatich rokov došlo k výbuchu dopytu po mnohých položkách, ktoré vyžadujú kovy vzácnych zemín. Pred dvadsiatimi rokmi sa používalo veľmi málo mobilných telefónov, ale ich počet sa dnes zvýšil na vyše 7 miliárd. Používanie prvkov vzácnych zemín v počítačoch sa rozrástlo takmer rovnako rýchlo ako mobilné telefóny.

Mnoho nabíjateľných batérií sa vyrába so zlúčeninami vzácnych zemín. Dopyt po batériách je poháňaný dopytom po prenosných elektronických zariadeniach, ako sú mobilné telefóny, čítačky, prenosné počítače a fotoaparáty.

Použitie vzácnych zemských prvkov v USA

Chemické katalyzátory55%
Keramika a výroba skla15%
Metalurgia a zliatiny10%
Leštenie skla5%
ostatné15%
(Údaje z roku 2017 z USGS)

Niekoľko libier zlúčenín vzácnych zemín je v batériách, ktoré poháňajú každé elektrické vozidlo a hybridné elektrické vozidlo. Pokiaľ ide o energetickú nezávislosť, zmenu podnebia a ďalšie problémy, ktoré poháňajú predaj elektrických a hybridných vozidiel, dopyt po batériách vyrobených zo zlúčenín vzácnych zemín bude stúpať ešte rýchlejšie.

Ako katalyzátory, fosfory a leštiace zlúčeniny sa používajú vzácne zeminy. Používajú sa na reguláciu znečistenia ovzdušia, osvetlené obrazovky elektronických zariadení a na leštenie skla optickej kvality. Očakáva sa, že všetky tieto výrobky zažijú rastúci dopyt.

Prvky vzácnych zemín môžu byť pri najdôležitejších použitiach nahradené inými látkami; tieto náhrady sú však zvyčajne menej efektívne a nákladné.

Oxid ceričitý bol od 50-tych rokov do začiatku 2000-tych rokov veľmi populárnym lapidárnym lakom. Bolo to lacné a veľmi efektívne. Nedávne zvýšenie cien takmer vylúčilo použitie oxidu ceričitého pri omývaní hornín a pri lapidárii. Namiesto toho sa v súčasnosti používajú iné druhy poľských výrobkov, ako je hliník a oxid titaničitý.

Obranné použitia prvkov vzácnych zemín

lantánuokuliare pre nočné videnie
neodýmlaserové diaľkomery, navádzacie systémy, komunikácia
kovový prvokfluorescenčné a fosforečné látky v lampách a monitoroch
kovový prvokzosilňovače pri prenose dát z optických vlákien
samáriumpermanentné magnety, ktoré sú stabilné pri vysokých teplotách
samáriumpresne vedené zbrane
samáriumvýroba „bieleho šumu“ v technológii stealth

Použitie kritickej obrany

Prvky vzácnych zemín zohrávajú v našej národnej obrane zásadnú úlohu. Armáda používa ochranné okuliare pre nočné videnie, precízne vedené zbrane, komunikačné vybavenie, vybavenie GPS, batérie a ďalšiu obrannú elektroniku. Tieto poskytujú armáde Spojených štátov obrovskú výhodu. Kovy vzácnych zemín sú kľúčovými prísadami na výrobu veľmi tvrdých zliatin používaných v obrnených vozidlách a projektiloch, ktoré sa pri náraze rozbijú.

Náhradníky sa môžu použiť v prípade prvkov vzácnych zemín v niektorých obranných aplikáciách; tieto náhrady však zvyčajne nie sú také účinné a to znižuje vojenskú nadradenosť. Niektoré použitia prvkov vzácnych zemín sú zhrnuté v sprievodnej tabuľke 5.

Vedel si? Väčšina škandia používaných v Spojených štátoch sa týka baseballových pálok zliatiny hliníka a iného športového vybavenia 3. Škandium sa používa aj v polovodičoch a špeciálnom osvetlení.

Sú tieto prvky skutočne „zriedkavé“?

Prvky vzácnych zemín nie sú také „zriedkavé“, ako naznačuje ich názov. Thulium a lutetium sú dva najmenej hojné prvky vzácnych zemín - každý z nich však má priemernú hojnosť kôry, ktorá je takmer 200-krát väčšia ako kôra zlata 1. Tieto kovy je však ťažké ťažiť, pretože je neobvyklé ich nájsť. v koncentráciách dostatočne vysokých na ekonomickú extrakciu.

Najčastejšími prvkami vzácnych zemín sú cér, ytrium, lantán a neodym 2. Majú priemerné množstvo kôry, ktoré sú podobné bežne používaným priemyselným kovom, ako sú chróm, nikel, zinok, molybdén, cín, volfrám a olovo 1. Opäť platí, že sa zriedkavo nachádzajú v extrahovateľných koncentráciách.

Vedel si? Magnety vzácnych zemín sa používajú vo veterných turbínach. Niektoré veľké turbíny vyžadujú dva TON magnety vzácnych zemín. Tieto magnety sú veľmi silné a robia turbíny vysoko účinnými. Magnety vzácnych zemín sa používajú v turbínach a generátoroch v mnohých aplikáciách alternatívnej energie.

Vedel si? Ceny a dopyt po materiáloch vzácnych zemín sa za posledné desaťročie dramaticky zvýšili. Čína produkuje asi 90% dodávok. Vklady v Austrálii a Spojených štátoch sa znova uvádzajú do prevádzky a pokračuje výskum v mnohých nových oblastiach.

Ťažké a ľahké prvky vzácnych zemín: Prvky vzácnych zemín sa často delia na „Zriedkavé Zeme“ a „Zriedkavé Zeme“. Lanthanum, cer, praseodym, neodym, proménium a samárium sú „ľahké vzácne zeminy“. Yttrium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, tulium, ytterbium a lutetium sú „ťažké vzácne zeminy“. Hoci ytrium je ľahšie ako ľahké prvky vzácnych zemín, je zaradené do skupiny ťažkých vzácnych zemín kvôli svojim chemickým a fyzikálnym súvislostiam s ťažkými vzácnymi zeminami v prírodných ložiskách.

Vedel si? Každé hybridné elektrické a elektrické vozidlo má veľkú batériu. Každá batéria je vyrobená pomocou niekoľkých libier zlúčenín vzácnych zemín. Očakáva sa, že používanie elektrických vozidiel sa rýchlo zvýši v dôsledku energetickej nezávislosti, zmeny klímy a ďalších obáv. Tým sa zvýši dopyt po materiáloch vzácnych zemín.

Vedel si? Vo väčšine malých elektronických zariadení sa používa malé množstvo kovov vzácnych zemín. Tieto zariadenia majú krátku životnosť a recyklácia REE sa zriedka vykonáva. Každý rok sú odhadzované miliardy.

Svetová ťažba a zásoby baníctva(Odhady za rok 2017)

Krajinavýroba
(Metrické tony)
rezervy
(Metrické tony)
Spojené štáty--1,400,000
Austrália20,0003,400,000
Brazília2,00022,000,000
Kanada--830,000
Čína105,00044,000,000
Grónsko--1,500,000
India1,5006,900,000
Malawi--140,000
Malajzia30030,000
Rusko3,00018,000,000
južná Afrika--860,000
Thailand1,600nie je k dispozícií
Vietnam10022,000,000
Svetový súčet (zaokrúhlené)130,000120,000,000

História výroby a obchodu so vzácnymi zeminami

Pre-1965

Pred rokom 1965 bol relatívne malý dopyt po prvkoch vzácnych zemín. V tom čase sa väčšina svetovej ponuky vyrábala zo štrasových ložísk v Indii a Brazílii. V 50-tych rokoch sa Južná Afrika stala hlavným producentom monazitových ložísk vzácnych zemín. V tom čase spoločnosť Mountain Pass Mine v Kalifornii vyrábala malé množstvá oxidov vzácnych zemín z predkambrického karbonátu.

Farebná televízia podnecuje dopyt

Dopyt po prvkoch vzácnych zemín nastal prvý výbuch v polovici 60. rokov, keď na trh vstupovali prvé farebné televízory. Europium bolo základným materiálom na výrobu farebných obrázkov. Baňa Mountain Pass začala vyrábať europium z bastnasitu, ktoré obsahovalo asi 0,1% europia. Vďaka tomuto úsiliu bola horská priepasť Mína najväčším producentom vzácnych zemín na svete a USA sa stali vedúcimi producentmi.

Čína vstupuje na trh

Čína začala vyrábať značné množstvá oxidov vzácnych zemín začiatkom 80. rokov a začiatkom 90. rokov sa stala popredným svetovým producentom. V deväťdesiatych a začiatkom dvadsiatych rokov Čína stále posilňovala svoje postavenie na svetovom trhu s oxidmi vzácnych zemín. Predávali vzácne zeminy za také nízke ceny, že baňa Mountain Pass a mnoho ďalších na celom svete nedokázali konkurovať a zastaviť prevádzku.

Obrana a dopyt po spotrebnej elektronike

Zároveň svetový dopyt prudko stúpal, pretože kovy vzácnych zemín boli navrhnuté na široké spektrum výrobkov obrannej, leteckej, priemyselnej a spotrebnej elektroniky. Čína využila svoje dominantné postavenie a začala obmedzovať vývoz a umožňovala stúpať ceny oxidu vzácnych zemín na historickú úroveň.

Čína ako najväčší spotrebiteľ vzácnych zemín

Okrem toho, že Čína je najväčším výrobcom materiálov vzácnych zemín na svete, je tiež dominantným spotrebiteľom. Využívajú vzácne zeminy hlavne pri výrobe elektronických výrobkov pre domáce a vývozné trhy. Japonsko a USA sú druhým a tretím najväčším spotrebiteľom materiálov vzácnych zemín. Je možné, že neochota Číny predávať vzácne zeminy je obranou výrobného odvetvia s pridanou hodnotou.

Čínsky vrchol výrobnej dominancie?

Čínska dominancia mohla dosiahnuť vrchol v roku 2010, keď ovládala asi 95% svetovej produkcie vzácnych zemín a ceny mnohých oxidov vzácnych zemín sa v priebehu niekoľkých rokov zvýšili o viac ako 500%. Pre spotrebiteľov vzácnych zemín a baníkov z celého sveta to bolo prebudenie. Ťažobné spoločnosti v USA, Austrálii, Kanade a ďalších krajinách začali prehodnocovať staré perspektívy vzácnych zemín a skúmať nové.

Vysoké ceny tiež spôsobili, že výrobcovia robili tri veci: 1) hľadali spôsoby, ako znížiť množstvo prvkov vzácnych zemín potrebných na výrobu každého z ich výrobkov; 2) hľadať alternatívne materiály, ktoré sa majú použiť namiesto prvkov vzácnych zemín; a 3) vyvíjať alternatívne výrobky, ktoré nevyžadujú prvky vzácnych zemín.

Výsledkom tohto úsilia bolo zníženie množstva materiálov vzácnych zemín používaných v niektorých druhoch magnetov a posun od výrobkov osvetlenia vzácnych zemín k technológii diódy emitujúcej svetlo. V Spojených štátoch sa priemerná spotreba vzácnych zemín na jednotku vyrobeného výrobku znížila, ale dopyt po ďalších výrobkoch vyrobených z prvkov vzácnych zemín sa zvýšil. Výsledkom bola vyššia spotreba.

Čína nakupuje zdroje mimo Číny

Čínske spoločnosti nakupujú zdroje vzácnych zemín v iných krajinách. V roku 2009 čínska spoločnosť ťažba neželezných kovov kúpila majoritný podiel v austrálskej spoločnosti Lynas Corporation, ktorá má jeden z najvyšších výstupov prvkov vzácnych zemín mimo Číny. Kúpili tiež baňu Baluba v Zambii.

Produkcia vzácnych zemín mimo Číny

Bane v Austrálii začali produkovať oxidy vzácnych zemín v roku 2011. V rokoch 2012 a 2013 dodávali asi 2% až 3% svetovej produkcie. V roku 2012 sa ťažba horských priesmykov vrátila do výroby a Spojené štáty v roku 2013 vyrobili asi 4% prvkov vzácnych zemín na svete. Výroba v Brazílii, Malajzii, Rusku, Thajsku a Vietname pokračovala alebo sa zvýšila.

Nové hodnotenia nerastných zdrojov, ktoré uskutočnila geologická služba Spojených štátov amerických, odhalili významné zdroje mimo Číny. Hoci Čína je svetovým lídrom vo výrobe vzácnych zemín, ovláda iba asi 36% svetových rezerv. To poskytuje príležitosť pre ďalšie krajiny, aby sa stali dôležitými výrobcami teraz, keď Čína nepredáva materiály vzácnych zemín pod výrobnými nákladmi.

Graf výroby REE: Tento graf ukazuje dominantné postavenie Číny vo výrobe prvkov vzácnych zemín medzi rokmi 1994 a 2017. Spojené štáty boli významným producentom v 90. rokoch 20. storočia, ale lacné materiály, ktoré predávajú Čína, vynútili míny v USA a ďalších krajinách mimo prevádzky. Keďže Čína v rokoch 2009 a 2010 obmedzila vývoz a ceny rýchlo rástli, opäť sa stali aktívnymi bane v Austrálii a Spojených štátoch. Graf pomocou údajov z geologického prieskumu Spojených štátov.

Nebezpečenstvá dominantného svetového výrobcu

Ponuka a dopyt zvyčajne určujú trhovú cenu komodity. S poklesom dodávok ceny stúpajú. S rastúcimi cenami sú tí, ktorí dodávku ovládajú, v pokušení predať. Ťažobné spoločnosti vnímajú vysoké ceny ako príležitosť a pokus o rozvoj nových zdrojov dodávok.

Pri prvkoch vzácnych zemín môže byť doba medzi rozhodnutím ťažobnej spoločnosti získať nehnuteľnosť a začiatkom výroby niekoľko rokov alebo aj dlhšie. Neexistuje žiadny rýchly spôsob, ako otvoriť nové ťažobné vlastníctvo.

Ak jedna krajina kontroluje takmer celú produkciu a rozhodne sa nevyvážať, celá dodávka komodity sa môže rýchlo prerušiť. Toto je nebezpečná situácia, keď sa nové zdroje dodávok vyvíjajú tak dlho.

V roku 2010 Čína výrazne obmedzila svoj vývoz vzácnych zemín. To sa urobilo s cieľom zabezpečiť dodávky vzácnych zemín pre domácu výrobu az environmentálnych dôvodov. Tento posun v Číne vyvolal paniku a niektoré ceny vzácnych zemín exponenciálne vzrástli. Japonsko, Spojené štáty americké a Európska únia sa okrem toho sťažovali Svetovej obchodnej organizácii v súvislosti s reštriktívnymi obchodnými politikami Číny v oblasti vzácnych zemín.

Oxidy vzácnych zemín: Tieto oxidy vzácnych zemín sa používajú ako indikátory na určenie, ktoré časti povodia erodujú 4. V smere hodinových ručičiek od horného stredu: praseodym, cer, lanthan, neodym, samárium a gadolínium. Obrázok Peggy Greb, galéria obrázkov USDA.

Svetové zdroje vzácnych zemín na svete

„Vzácne zeminy sú v zemskej kôre pomerne hojné, ale zistené ťažobné koncentrácie sú menej bežné ako pre väčšinu ostatných rúd. Zdroje USA a sveta sú obsiahnuté predovšetkým v bastnäsite a monazite. Vklady v Číne a Spojených štátoch amerických tvoria najväčšie percento z svetové ekonomické zdroje vzácnych zemín, zatiaľ čo monazitné vklady v Austrálii, Brazílii, Číne, Indii, Malajzii, Južnej Afrike, na Srí Lanke, v Thajsku a Spojených štátoch predstavujú druhý najväčší segment.

Zvyšné zdroje tvoria apatit, cheralit, eudialyt, loparit, fosforitany, íly s obsahom vzácnych zemín (iónová adsorpcia), sekundárny monazit, roztoky použitého uránu a xenotím. Neobjavené zdroje sa považujú za veľmi veľké v porovnaní s očakávaným dopytom. “Citované v súhrne minerálnych komodít Spojených štátov 2.

Referencie prvkov vzácnych zemín
1 Prvky vzácnych zemín - kritické zdroje pre špičkové technológie: Geologický prieskum Spojených štátov, informačný list 087-02.
2 Vzácne zeminy: Joseph Gambogi, Geologický prieskum Spojených štátov, Zhrnutia minerálnych komodít, 2017.
3 Vzácne zeminy: Joseph Gambogi, Geologický prieskum Spojených štátov, Ročenka minerálov 2011.
4 Prístup vzácnych zemín na sledovanie erózie pôdy: Ministerstvo poľnohospodárstva Spojených štátov, služba pre poľnohospodársky výskum.
5 Čínsky eso v diere: prvky vzácnych zemín: Cindy A. Hurst, Press of National Defense University Press.
6 Geológia prvkov vzácnych zemín: Zverejnenie „Hlavné ložiská vzácnych zemín v USA - zhrnutie domácich vkladov a globálna perspektíva."
7 Prvky vzácnych zemín a národná bezpečnosť: Správa o energetickej politike Rady pre zahraničné vzťahy, 2014.

Výzva Zeme Zeme

Očakáva sa, že globálny dopyt po automobiloch, spotrebnej elektronike, energeticky účinnom osvetlení a katalyzátoroch v nasledujúcom desaťročí prudko vzrastie. Očakáva sa, že sa zvýši dopyt po magnetoch vzácnych zemín, ako aj dopyt po nabíjateľných batériách. Očakáva sa, že nový vývoj v lekárskej technike zvýši používanie chirurgických laserov, zobrazovanie magnetickou rezonanciou a scintilačné detektory pozitrónovej emisnej tomografie.

Vo všetkých týchto odvetviach sa prvky vzácnych zemín vo veľkej miere používajú, takže dopyt po nich by mal zostať vysoký.