Редкоземельные металлы

Виды и характеристики

Сами редкие металлы разделены на пять больших групп:

• Лёгкие: бериллий, литий, рубидий, стронций, цезий.
• Радиоактивные: актиний, радий, торий, уран и трансурановые элементы.
• Рассеянные металлы: галлий, гафний, германий, индий, рений, селен, таллий, теллур.
• Редкоземельные: иттрий, лантан и лантаноиды, скандий.
• Тугоплавкие металлы: ванадий, вольфрам, молибден, ниобий, тантал, цирконий.

Данное подразделение весьма условно, так как с совершенствованием геологоразведки и развитием промышленности, некоторые металлы уходят из разряда редких элементов. Само понятие «редкости» говорит об их незначительном использовании. Однако новые прогрессивные технологии коренным образом меняют ситуацию.

Источниками получения редких металлов могут служить месторождения, высокоминерализованные воды, рапа солёных озёр, россыпи, а также побочная продукция или отходы основных производств. Редкометаллические руды можно подразделить на непосредственно богатые редкими элементами, и руды других элементов, в которых редкие минералы присутствуют как примеси. Среди комплексных руд можно выделить:

• вольфраммолибденовые,
• титан-ниобий-тантал-редкоземельные,
• уран-ванадиевые,
• литий-цезиевые,
• цирконий-ниобиевые.

Примерами непосредственно руд редких металлов являются:

• Литиевые руды – это сподумен, амблигонит, лепидолит, циннвальдит, петалит.
• Бериллиевые руды – берилл, бертрандит, фенакит.
• Титановые руды – ильменит, рутил, ильменорутил, перовскит, сфен.
• Циркониевые руды – бадделит, циркон.

Металлы, составляющие группу редкоземельных

По состоянию на 2019 г., в список редкоземельных металлов входят следующие химические элементы:

1. Скандий: назван в честь Скандинавии.
2. Иттрий: получил наименование в честь населенного пункта Иттербю, расположенного на территории современной Швеции.
3. Лантан: в переводе с греческого языка наименование этого элемента означает «таинственный, скрытный».
4. Церий: назван в честь римской богини Цереры и одноименной карликовой планеты в солнечной системе.
5. Празеодим: в переводе с греческого языка наименование этого элемента обозначает «зеленый близнец».
6. Прометий: назван в честь древнегреческого мифического персонажа Прометея.
7. Неодим: в переводе с греческого языка означает «новый близнец».
8. Самарий: получил наименование в честь минерала самарскит.
9. Европий: назван в честь одноименной части света.
10. Гадолиний: получил наименование в честь финского химика Юхана Гадолина.
11. Диспрозий: в переводе с греческого языка наименование этого элемента означает «труднодоступный».
12. Гольмий: назван в честь столицы Швеции – Стокгольма.
13. Эрбий: получил наименование в честь шведской деревни Иттербю.
14. Лютеций: назван в честь старинного названия столицы Франции, используемого древними римлянами.
15. Иттербий: получил наименование в честь населенного пункта Иттербю.
16. Тулий: получил наименование в честь сказочного острова Туле, описанного в скандинавской мифологии.
17. Тербий: назван в честь деревни Иттербю.

Термин «редкоземельные» образован от словосочетания «редкие земли». Он объединяет химические элементы по следующим признакам:

1. Вещества редко встречаются в естественной среде. В нынешнее время только 2% редкоземельных металлов добываются в земной коре. Извлечение металлов в большинстве случаев осуществляется из отходов производства минеральных удобрений. Добыча осуществляется с применением инновационных технологий.
2. При взаимодействии с кислородом элементы образуют тугоплавкие, нерастворимые оксиды, называемые «землями».
3. Представляют собой серебристо-белые металлы, тускнеющие при взаимодействии с воздухом в результате образования оксидной пленки.

Редкоземельный металл лантан является одним из самых дорогих химических элементов. При взаимодействии с алюминием он образует вещества с повышенной интенсивностью поглощения углерода и азота. Благодаря низкой активности по отношению к H2, его можно применять для изоляции водорода от окружающих газов.

Редкоземельные соединения отличаются между собой по химической активности. Этот параметр возрастает от скандия до лантана. До лютеция химическая активность снижается до минимальных значений. Это явления обусловлено постепенным снижением расстояния между атомами и энергетическими уровнями.

В научной литературе редкоземельные металлы имеют следующие обозначения:

1. TR: аббревиатура, обозначающая “редкие земли” (Terrae rarae).
2. REE: сокращение английского словосочетания Rare-earth elements (редкоземельные элементы).
3. REM: сокращение английского словосочетания Rare-earth metals (редкоземельные металлы).

В российских учебниках редкоземельные элементы обозначаются аббревиатурами РЗЭ или РЗМ.

Рынок редкоземельных металлов

В настоящее время рынок редкоземельных металлов в упадке, и Китай планирует ограничить годовое производство до 140 000 метрических тонн, начиная с 2020 года, чтобы попытаться снова поднять цены.

Причины падения цен на редкоземельные металлы

Начнем с супермагнитов.

Неодим — редкоземельный элемент, примерно с концентрацией в земной коре, как свинец и хром, но сосредоточен в высокосортных рудах. В 1982 году Дженерал Моторс и японская компания Сумитомо обнаружили, что смешивание одной четвертой неодима по весу с тремя четвертями железа и бора может сделать самое мощное семейство супермагнетиков тогда известным, Nd₂Fe₁₄B и что свойства этих магнитов могут быть дополнительно улучшены путем добавления следов других редкоземельных металлов — празеодима плюс диспрозий или более дорогой тербий.

Китай, обладая большим количеством всех этих элементов и предпочитая добавленную стоимость экспорту сырья, создал индустрию супермагнитов, чьи низкие цены захватили большую часть мирового рынка и закрыли конкурентов. Китай также энергично проводит исследования и разработки, чтобы найти дальнейшее применение своей редкоземельной щедрости.

Даже в 2015 году, на долю Китая приходилось более 80% мирового редкоземельного производства, сейчас около 70 процентов — это неразумный баланс.

Технологические решения по уменьшению спроса

С 2010 года промышленники предупредили, что рынок редкоземельных металлов с монополией Китая на элементы супермагнитов могут сделать растущий глобальный переход на электрические автомобили и ветряные турбины невозможным — потому что их двигатели и генераторы якобы требовали супермагнитов и, следовательно, этих элементов. Некоторые такие сообщения были даже в 2017 году. Но это все подвергается сомнению. Все, что делают такие вращающиеся машины с постоянными магнитами, также может быть сделано или лучше двумя другими видами двигателей, которые не имеют магнитов.

Сейчас двигатели применяют современную управляющую программу и силовую электронику из кремния, самого распространенного твердого элемента на Земле.

Первый вид — это асинхронный двигатель, изобретенный Николой Теслой 130 лет назад и используемый в каждом электромобиле Приус и Тесла сегодня. Без магнитов изготавливают двигатели не только в электрических автомобилях, но также в ветротурбинах, что освобождает тонны неодима. То, что некоторые ветряные турбины и производители используют генераторы с постоянными магнитами, не означает, что другие должны их изготавливать также.

Точно также красные люминофоры в компактных люминесцентных лампах традиционно используют европий. Но эти лампы теперь в значительной степени вытеснены белыми светодиодами, которые используют примерно на 96 процентов меньше европия. Кроме того, новые красные люминофоры не используют редкоземельные металлы, в то время как последний зеленый люминофор сокращает использование тербия более чем на 90 процентов.

Эрбий в волоконно-оптических ретрансляторах — еще один редкоземельный элемент. Эрбий необходим чтобы увеличить емкость волокна. Ширина полосы частот сейчас увеличена путем передачи по мултиплексу и беспроволочными рационализаторствами.

Некоторые гибридные автомобили, такие как Honda Insight 2001 года, использовали никель-металл-гидридные батареи, содержащие лантан, но теперь они в значительной степени заменены более легкими литиевыми батареями, которые обычно не используют лантан. Кроме того, электромобилям с литиевыми батареями требуется в два—три раза меньше батарей по массогабаритным характеристикам.

Лидирующие на рынке литиевые батареи электромобиля в мире, как и их двигатели, вообще не используют редкие металлы. Количество электромобилей в мире растет.  Появляются новые технологии в виде мощных потенциальных заменителей батарей (в частности, графеновые суперконденсаторы).

Месторождения в России и мире

Редкометальные месторождения разнообразны по своей природе и встречаются во многих странах мира. Так, крупнокристаллические породы – пегматиты, богатые бериллом, литием и танталом, цезием и рубидием залегают на территориях следующих месторождений:

• Берник-Лейк – Канада.
• Бикита – Зимбабве.
• Карибиб – Намибия.
• Гринбушес – Австралия.
• Коктогай – Китай.

Накопленные в россыпях танталитовые минералы до сих пор добываются наполовину ручным старательским способом на африканском континенте: в Бурунди, Конго, Нигерии и Руанде.

Карбонатиты – продукты кристаллизации глубинных слоёв, ставшие главными источниками ниобия и редкоземельного сырья, были обнаружены и освоены в Бразилии (Араша) и на территории США (Маунтин-Пасс). Позже к ним присоединились: Сент-Оноре в Канаде, Томторское месторождение в Якутии (Россия), Сейс-Логос в Бразилии.

Также разведаны богатейшие месторождения карбонатитов в Китае (Баюнь-Обо) и в Австралии (Маунт-Уэлд). Последнее отличается высочайшей концентрацией полезных ископаемых.

На территории России расположено достаточно крупное месторождение лопарита на Кольском полуострове. Также имеются залежи редкометальных щелочных гранитов в Катугинском (г. Тува) и Улук-Танзекском (Читинская область) месторождениях.

В целом можно констатировать, что количество мировых месторождений (число которых постоянно растёт) редких металлов вполне способно обеспечить их потребность на многовековую перспективу.

Сложно, но можно

Но это – дело будущего (надеемся, не столь далекого). Пока же российские компании, работающие с РЗМ, можно пересчитать по пальцам – но все же они есть (и производители, и потребители).

Таким образом, хоть лидерство Китая на мировом рынке РЗМ и бесспорно, но место для новых игроков все же найдется. Если мощности по разделению появятся где-то еще (почему бы не в России?), незыблемые позиции КНР могут пошатнуться: ведь электронике все равно, чьи РЗМ потреблять. Значит, пора «ловить волну»! Вспомогательную информацию о структуре и состоянию рынка металлургического рынка можно найти тут.

В заключении напомним, что подробный перечень всех отраслевых мероприятий в области химической промышленности и ряда смежных областей всегда можно найти в нашем разделе “Календарь“.

Можно ли ограничить их добычу?

Да. Одним из решений является восстановление и переработка бытовой электроники. Другим вариантом считаются модульные смартфоны, которые позволяют заменять отдельные устаревшие компоненты для более новые, не меняя само устройство. Старые компоненты могут быть переработаны или утилизированы. Но в настоящее время только 10% смартфонов отправляется на переработку. Рециркуляция редкоземельных металлов осложняется еще и тем, что их трудно извлечь из техники. Отсюда следует, что спрос на них в технологической индустрии закончится не скоро. Ученые продолжают поиски альтернатив этим достаточно дорогим ресурсам. Чем быстрее найдутся подходящие аналоги, тем будет лучше для экологии.

Калифорний из Калифорнии

Калифорний (Cf) на сегодняшний день имеет статус самого редкого и дорогого металла на Земле. Находится под номером 98 в таблице Менделеева. Его называют «камнем надежды». Он имеет серебристо-серый цвет и производится путем длительного облучения плутония. Сам плутоний был получен при бомбардировке урана ядрами тяжелого водорода.

Калифорний был выведен группой ученых во главе с Гленном Сиборгом в 1950 г. В природе его, естественно, не существует. Его созданием занималась команда Калифорнийского университета (откуда и получил свое название металл) города Беркли. Сегодня с ним работают лишь 2 лаборатории. Одна находится в России, другая — в США.

Калифорний является изотопом (изотопы получают искусственным путем). При этом стоимость его просто баснословна — до 10 млн. долларов за грамм. Это неудивительно, ведь мировой запас металла составляет всего 8 граммов. Ежегодно удается получить лишь 20-40 грамм калифорния.

Этот металл является радиоактивным и состоит из 17 изотопов. Самым изученным из них считается калифорний-252. Длительность его полураспада составляет целых 900 лет.

Свойства калифорния ошеломляющие. Применяется преимущественно в медицине и в области ядерной физики. Он является мощным источников нейтронов, поэтому его используют для обработки злокачественных опухолей, которых «не берет» лучевая терапия.

Он также используется для изучения космического пространства — как Луны, так и самых дальних звезд и планет. Он применим и для исследования деления ядер. Кроме этого, калифорний является незаменимым помощником во время добычи полезных ископаемых — он позволяет обнаруживать серебро и золото.

Бомбы, изготовленные с добавлением самого редкого в мире металла, считаются очень мощными. 1 грамм калифорния способен обеспечить часовую деятельность небольшого ядерного реактора.

Механические свойства

Редкоземельные металлы с чистотой до 98% при комнатной температуре обладают твердостью 300-500 МПа по шкале Бринелля. С повышением температуры это значение понижается. Так при 800 ºC твердость лантана уже составляет 35 МПа. Особенно сильно металлы размягчаются при 550 ºC, что связано с их полиморфным превращением.

При испытании на растяжении гантелеобразные образцы редкоземельных металлов разрушаются при 150-200 МПа. Деформироваться они начинаются уже при 100-125 МПа. Относительное удельное растяжение для них составляет 8-12%. Отметим, что в интервале 20-800 ºC наблюдается резкое возрастание пластичности. Причина этого — переход внутренней структуры металлов на кубическую модификацию.

Технология обогащения

Сырьё, из которого извлекаются редкие металлы и элементы обычно содержат в себе десятые, а то и тысячные доли процента необходимых материалов.

Подготовительный процесс

Дробление и измельчение позволяют отделить добываемые минералы от пустой породы. В результате получается продукт приемлемой для дальнейшей переработки формы с заданной концентрацией добываемого металла.

В случае трудностями с обогащением (урановые руды или ряд других полезных ископаемых) применяют гидрометаллургические способы извлечения металлов. Для ряда ценных минералов крупноразмерной фракции используется ручная разработка руды на транспортёре.

Основной процесс

Основной процесс обогащения представляет собой механические, физические и химические процессы, целью которых является получение концентрата (продукта обогащения руды, обладающего повышенной концентрацией необходимого минерала) и отходов.

В случае переработки руд редких металлов применяют следующие виды обогащения:

• Дробление с последующей обработке на грохоте основано на разной степени твёрдости полезных и пустых пород.
• Скольжение нужных минералов по наклонной плоскости со скоростью отличной от неиспользуемых материалов.
• Гравитационное обогащение – принцип действия этого метода базируется на разной скорости падения зёрен минералов в газообразной или жидкой среде.
• Флотационное обогащение, – в основу которого положено изменение смачиваемости поверхности под воздействием флотореагентов.
• Магнитное обогащение разделяет материалы по их магнитным свойствам.
• Электростатическое обогащение основано на использовании различии электрических свойств минералов.

Вспомогательный процесс

Технологические процессы, способствующие проведению основных процессов переработки, носят название «вспомогательных».

Непосредственно из руд получить редкие металлы не представляется возможным. На выходе целого ряда сложных процессов основной переработки имеются лишь оксиды и соли. Конечных потребителей это, естественно, не устраивает, так как им требуются металлы высокой степени очистки.

Для решения этой проблемы применяют методы обогащения, суть которых заключается: в разложении, создании соединений нужной чистоты, получении технически чистого металла или сплавов с его наличием в их составе, рафинировании металла, получении слитков или изделий с одновременным формированием нужной физико-химической структуры. В основе этих методов лежат гидрометаллургические, химические и пирометаллургические процессы.

Лантаниды и их значение

Конечно, вы знаете о лантаноидах, когда изучаете периодическую таблицу, что вызывает у вас любопытство. Это очень распространенные элементы в земной коре, и их часто трудно извлечь. Их не только трудно извлечь, но они также используются в больших количествах. Они обычно яркие, обычно серебристые. Под воздействием кислорода они приобретают серебристый цвет. Они характеризуются высокой реакционной способностью, и хотя они не взрывоопасны, быстро тускнеют, что делает их восприимчивыми к загрязнению другими элементами.

Мы знаем, что не все лантаноиды тускнеют с одинаковой скоростью. Например, лютеций и гадолиний могут длительное время находиться на воздухе без окрашивания. С другой стороны, у нас есть другие лантаноиды, такие как лантан, неодим и европий, которые очень реакционноспособны и должны храниться в минеральном масле, чтобы предотвратить запотевание.

Все члены ряда лантанидов имеют чрезвычайно гладкую текстуру. Многие из них легко режутся ножом и не требуют тяжелых инструментов для обработки. Элементы, считающиеся редкоземельными, не рассматриваются, потому что их трудно найти. Их просто считают редкоземельными элементами, потому что их трудно извлечь в чистом виде в количествах, достаточных для удовлетворения любых промышленных потребностей. Они бесполезны, если количество, необходимое для производства технической продукции, не может быть получено.

Эти земли имеют реальную опасность стать на рынке доминирующей продукцией. Мы знаем, что Китай обладает самыми большими запасами редкоземельных элементов и использует их. Они многочисленны по сравнению с земной корой, но в обнаруживаемых концентрациях или менее распространены, чем большинство других минералов.

Это делает вашу добычу более ценной. Ожидается, что мировой спрос на редкоземельные элементы вырастет благодаря для использования в автомобилях, бытовой электронике, энергосберегающем освещении и каталитических преобразователях.

Они являются ключевыми элементами, потому что они уникальны и незаменимы и широко используются в «зеленой» промышленности (электромобили, гибриды, турбины и т. д.) для разработки таких элементов, как компьютеры, телевизоры, лазеры с множеством приложений.

Однако концентрация производства в Китае, которая составляет более 90% общемирового объема, делает эти элементы особенно чувствительными к геополитической среде и может привести к ограничению поставок жизненно важных материалов для европейской экономики.

Я надеюсь, что с помощью этой информации вы сможете больше узнать о редкоземельных элементах и ​​их характеристиках.

Зигзаг, нормализация и нормализация к чему?

Обилие РЗЭ практически всегда нормализуется до момента сравнения для петрогенетической интерпретации. Это значит, что до того, как две позиции обилия РЗЭ будут сравниваться друг с другом, они корректируются под общую базовую линию. При сравнении данных нормализация – это процесс, в широком смысле, ввода данных в обычных условиях. Когда применяется интерпретация различий в количестве РЗЭ в горных породах, это один из способов ответа на вопрос «сравнивать с чем?». Результат нормализации в том, что мы в большей степени сравниваем как сильно две группы варьируются от обычной стартовой точки, нежели финальную магнитуду двух групп.

Нормализация оформляет две цели. Первая – это извлечь вариации в стартовых точках наборов данных, которые могут скрывать значительные изменения за общим шумом, и, во-вторых, выбирает и устанавливает специфику стандартных стартовых точек, с которыми могут сравниваться два или больше наборов данных. Создание стандартной стартовой точки, рядом с которой могут быть собраны изменения, обеспечивает жизненность  построений, значимых для отношений между конкретными событиями. Если персоны говорят, что машина А проехала 8 километров и что машина В проехала 10 километров, то это абсолютно ничего не скажет об отношении позиций этих двух машин или о природе произошедших изменений. Но, тем не менее, сообщение заключается в том, что машина А и В начали движение с одной и той же точки, машина А проехала 8 км на север и В проехала 10 км на север, мы можем сравнить природу этих значений в значительной степени.

РЗЭ элементы часто сравниваются по точкам насыщенности. Эти точки, если они не нормализованы, сложно интерпретировать визуально. Все эти РЗЭ были сформированы процессом звездного нуклеосинтеза в первичной генерации звезд, до того момента, когда Солнечная система охладилась до состояния облака из горячего, относящегося к туманностям, газа. Космохимические процессы, которые генерируют смеси элементов, создали Солнечную систему, в которой четные элементы преобладают над нечетными. Результат – зигзагообразная модель в присутствии элементов. Этот результат поражает визуальными различиями в распределении элементов. Вдобавок к этому, так как эти элементы насыщены или обеднены вариативно с течением времени, создается конкретная начальная точка времени обычной каменной группы, для сравнения с которой исключают все изменения, приоритетные для выбранного стартового момента. Каждое из этих изменений извлекает пустой шум (или незначащая вариация) из результатов, это открывает значительные и много говорящие изменения.

Нормализация изобилия РЗЭ – простой процесс. Это достигается простым разделением частоты элементов в измерительных данных частоты стандарта, по отношению к которому проходит нормализация. Что-либо может быть использовано как позиция, относительно которой происходит нормализация, но наземные базальты серединно-океанического хребта и насыщенные хондриты более типичны. Из этих двух насыщенность хондрических элементов более часто используется, так как они более близкий аналог, которым мы располагаем для актуализации типичных насыщенностей в Солнечной системе до момента, когда начинается какой-либо сортирующий процесс. Раз так, они проводят прекрасную стартовую позицию, от которой проходит сравнение очень разных скальных групп. Данные нормализации никогда не смогут сказать без хорошего индицирования, с какой точно позицией данных нужно нормализовать.

Добыча

Главные месторождения РЗМ находятся на территории современного Китая, Соединенных Штатов Америки и России. Согласно экспертным данным, мировые запасы РЗМ составляют порядка 120 млн. тонн. Стоит отметить, что половина этой массы приходится на Китайскую народную республику.

Некоторые ученые заявляются, что океанское дно изобилует минералами на основе редкоземельных металлов. По их расчетам там скрывается около 130 млрд. тонн их запасов. Пока не ясно, как верно их предположение. Производство на данном этапе развития не располагает оборудованием, которое смогло бы работать на таких глубинах.

Получение

Существует несколько вариантов переработки минералов:

1. Разложение плавиковой и серной кислотами.
2. Хлорирование.
3. Сплавление щелочами.

Продуктом данных реакций являются разнообразные виды хлоридов, оксидов и сульфатов, которые служат исходными материалами для получения чистых редкоземельных металлов. С этой целью используется методы химического восстановления кальцием, магнием и калием. Под этим подразумевается осаждение, ионный обмен и фракционная кристаллизация. Для очистки редкоземельных металлов от примесей применяют дистилляцию и вакуумный переплав.