一抔稀土塑江山

一抔稀土塑江山

* 来源 : * 作者 : admin * 发表时间 : 2020-08-07 * 浏览 : 0


稀土作为“工业的味精”,是现代制造业不可或缺的调味品。中国是全球稀土的主要生产地,在中美贸易战加剧的当下,这张王牌筹码备受瞩目。揚开“权力元素”神秘的面纱,稀土的江湖何其纷扰。


稀土并不稀有,但提取有点难


稀土对于现代世界的意义,正如盐对于我们人体。但盐是如此简单平凡,稀土却非常复杂难懂,人们对稀土的看法甚至存在诸多误解。“稀土很稀有”就是一个流传很广的误解。


首先我们打开元素周期表,看看稀重稀土元素( Rare-earth Element)都有哪些吧。在元素周期表下部,有镧系和锕系两大排元素,其中第一排的15种镧系元素—镧(La)。铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)钐(Sm)铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(E)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)全部是稀土元素。此外,元素周期表左起第三列的前两种元素钪(sc)和钇(Y),因化学性质接近或存在于其他稀土元素的矿床中,也被列入稀土元素之列。因此,稀土元素共有17种,且全部是金属元素,也被统称为稀土金属。根据原子序数和质量的差别,稀土元素通常分为重稀土和轻稀土。


   令人意外的是,很多稀土元素其实并不稀少,其中铈是地壳中第25丰富的元素;铈、钇、镧和钕在地壳中的含量接


近于我们熟悉的一些金属元素如铬、镍、锌、钼、锡、钨和铅等。即使是含量最低的两种稀土元素铥和镥。它们在地壳中的含量也比黄金高出近200倍。


稀士的“稀”主要体现在开采和提取方面。


一般来讲,当我们需要从自然界开采和提取一种元素时,希望它的自然状态越单纯越好,它在地层中越富集越好,比如大厚度的煤层就容易开采和利用,质量上乘的黄铜矿是冶炼铜的好矿物。稀土却刚好相反,它们在地壳中不仅难以富集成矿,而且形成矿物后的自然状态也非常复杂,许多含有稀土的矿床往往由多种矿物组成。从工业利用上说,对于每一种矿物中的稀土,都需要采取不同的工艺流程来提取,这就让开采和提取成本立刻高涨。所以,虽然稀土元素在地壳中的含量并不稀有,但是要想提取纯度较高的稀土金属,其成本远远高于提取普通金属。


一些相对“单纯”的稀土矿床具有较大的开采价值,比如中国包头白云鄂博和美国加利福尼亚州芒廷帕斯( Mountainpass)的氟碳铈矿(一种含稀土元素的碳酸盐矿物),以及南非,澳大利亚、印度、巴西等国的独居石矿等。可是对于成分复杂的稀土矿床,是否值得开采就要打个问号了。冶炼学家甚至发出“没有两种矿石稀土矿石是真正相同的”哀叹,因为几乎没有放之四海皆准的工艺流程来提取稀土元素,不能通过相似的工艺来提纯稀土金属。


   当人们发现一处新的稀土矿床时,必须针对这处矿床的特点,利用已知的各种提取方法重新组合,优化处理步骤,并对矿石


进行大量测试,才能找到一个合适的工艺流程。这个过程本身就要花费大量的时间和金钱,更不用说开采和提取成本了。


稀土提取的另一个麻烦是去除杂质,偏偏含稀士矿物中的一个主要杂质是钍(Th),这是一种放射性元素。众所周知,放射性物质对人体和动植物是有害的,对它们的开采受到各国政府的严格控制,放射性废物需要特殊处置。在20世纪80年代,世界各国对放射性物质的使用和废物处理实施了更加严格的规定,此


举大幅度增加了稀土矿床比如独居石矿的开采和提取成本,导致许多独居石矿无利可图,退出了稀土市场。


从“未识”到朝夕相处


稀土在化学、地质学上的特殊性,让其“养在深闺人未识”。稀土的发现是较晚近的事情,而且在很长的时期里极少得到应用。


1787年,在瑞典伊特比村( Ytterby)的一处矿井,一个名叫阿伦纽斯(C。A。 Arrhenius)的军官发现了一种特殊的黑色矿物,一开始人们以发现地点称其为“伊特比矿”。1794年,芬兰化学家加多林( I Gadolin)分析这种矿物时发现除了硅、铁、铍外还有未知的新元素,因其氧化物形态似泥土,故称它“新土”。在了解了矿物的化学成分后,为纪念伊特比村和加多林,人们将这种“新土”命名为“钇士”( Yttria),将矿物更名为加多林矿即硅铍钇矿。这是人类首次发现稀土元素的身影。此后,一个个稀土元素陆续被科学家发现,直至1947年美国科学家马林斯基(JA。
Marinsky)等人从原子能反应堆的铀燃料裂变产物中分离出一种新元素、并以希腊神话中为人类取火之神普罗米修斯的名字命名为钷,前后历时150多年,稀土元素的大家庭才最终聚齐。这也从侧面反映出稀土元素在地壳中的确藏得很深”。


稀土的应用领域是随着现代科技的发展而扩大的。在20世纪前半叶及以前科学家对这些获取成本高昂的元素需求不大。到了20世纪60年代,一种人们趋之若鹜的新发明强烈地刺激了对稀土的需求,这项发明就是——彩色电视机


彩色电视机的制造需要高质量的荧光粉,而稀土元素之一铕的氧化物,在发光效率、涂敷稳定性等方面性能优异。因此当彩色电视机开始大量进入千家万户的时候,对铕的需求量大增,带动了整个稀土市场的大发展。当时美国的芒廷帕斯矿开始利用氟碳铈矿生产铕,以满足市场需要。


科技与市场的推动让稀土元素在现代世界中大展宏图。到今天,各种显示器和电视机中使用的荧光粉都是用稀土氧化物制成的:许多汽车在排气系统中使用稀土催化剂来控制空气污染物排放:大量的合金通过添加稀土金属而变得更耐用:玻璃、花岗岩、大理石和宝石经常使用氧化铈粉末抛光:许多电动机和发电机内的磁铁都加入稀土元素以提高性能,钕铁硼磁铁( NdFeB Magnet)被誉为当代“永磁王”;大多数电脑、手机和电动汽车的电池都使用了稀土金属••••••


尤其需要强调的是稀土在国防军事中的重要价值。加入了稀土金属的坚硬合金是制造装甲车辆和弹壳的重要材料可以有效削减冲击力。按元素来分述,镧用于制造夜视镜:钕应用于激光测距仪、制导系统、通信设备中;铕是军用灯和监视器中荧光剂和荧光粉成分;铒用于制造光纤数据传输中的信号放大器;钐用于制造在高温下稳定的永磁体、精密制导武器,以及在隐身技术中制造“白噪声”迷惑敌人。


如果从美国的产业领域使用稀土量来看,55%的稀土用于化学催化剂,15%用于陶瓷和玻璃制造,10%用于冶金与合金,5%用于抛光领域,其他领域则使用了15%的稀士量。


想想看,20年前手机还是稀罕物,如今已经人手一部甚至多部,而每一部手机里都含有稀土元素。稀土,已经和我们的生活息息相关了。


纷扰的“江湖”


稀士在现代社会发挥着越来越重要的作用,因此人们对稀土的储量.产量进出口量也就更加关心,更为敏感,稀土的“江湖”纷纷扰扰。


在彩色电视机时代来临之前,对稀土元素的需求很少,当时世界上大部分稀土矿产是由印度、巴西以及南非提供的彩色电视机市场刺激了美国这样的发达国家开采稀土,芒廷帕斯矿大量开采氟碳铈矿,使美国一度成为世界领先的稀土生产国。


中国在改革开放之后逐渐进入世界贸易市场,从20世纪80年代初开始大量生产稀土氧化物产品并出口海外.到了20世纪90年代已逐渐取代美国成为世界领先的稀土生产国。此后中国稀土在世界市场的份额不断扩大,很多年全球稀土产量的90%以上都是由中国提供的。


在中国稀土更有竞争力的价格冲击下,一些世界老牌矿山举步维艰。美国芒廷帕斯矿于2002年关闭,虽然直接原因是当地炼油厂有毒、放射性废水泄漏污染了自然环境而被限制,但主要原因是由于要无法与中国稀土竞争。


随着中国经济的蓬勃发展,进入21世纪后,中国已不仅是世界最大的稀土生产国,也成长为稀土的主要消费国。中国大量生产制造的电子产品对稀土的需求量非常大,国防、航空航天以及其他工业也需要更多的稀土。于是,从国大家战略资源的角度考虑,在2010年后,我国对稀土出口出台了一些限制政策,一方面希望稀土资源能够得到更好的利用,另一方面也希望对自然环境进行有效的保护。


占市场绝对出口份额的中国限制稀土出口,引发了一波全球企业的恐慌性购买,使得国际市场上的稀土价格经历了一段快速上涨的时期。价格的上涨使得一些国家的矿山重新恢复运营,许多新地区的资源勘探也开展起来。2012年,美国芒廷帕斯矿“咸鱼翻身”,重新投入生产。而在前一年,澳大利亚的矿山已经开始生产稀土氧化物。其他国家如巴西、马来西亚、俄罗斯、泰国和越南的稀土产量也开始上升,以填补中国稀土市场留出的空间。


话说回来,虽然中国的稀土产量多年占据世界首位,但目前的探明储量大约只占全球稀土探明储量的36%左右,因此中国对稀土出囗的限制是有理性考虑的。根据美国地质调查局(USGS)2017年的一份统计,全世界的稀土总储量约为1.2亿吨,年产量为13万吨:中国的稀土储量大约是4400万吨,而年产量超过10万吨。相比之下,俄罗斯的稀土储量约为1800万吨,但年产量只有300吨;印度目前探明储量690万吨,年产量仅为1500吨。


受限的产量加上旺盛的需求,让稀土的市场价格居高不下,也让制造商、科学家们努力寻找稀土元素的替代品。比如用于风力涡轮机的稀土磁铁非常坚固,使涡轮机效率倍增,而制造大型涡轮机需要多达2吨的稀土磁铁。科学家正在探索少用或不用稀土的新型磁铁,以达到同样的效率。再比如,稀土在照明产品中使用量很大,科学家已在研发用于发光二极管LED)灯的新型荧光粉材料来替代稀土照明。


稀土塑造的江山哪会轻易被撼动。由于技术革新,美国单位制成品的平均稀土消费量的确有所下降,但对更多稀土产品的需求仍在继续推高稀土的消费量。就拿目前科技新前沿的电动汽车来说,每辆汽车的电池都需要相当多的稀土化合物制造。虽然美国、日本等国的汽车制造商想尽办法减少电池里的稀土使用量,但整个电动汽车市场正在快速扩张,不论是出于性能、时尚还是环保目的,电动汽车的生产量和购买量越来大,因此对稀土的需求量不仅没有减少,反而不断增加。


更为关键的是,稀土金属在开采提取时,因为“浓度”太低而难以获得,在被使用后,也因“浓度”太低几乎无法回收——大量稀土都用于小型电子设备和荧光剂产品中,过于分散,只能用完即弃,每年消耗掉的稀土价值数十亿美元亟待补充。


因此,稀土的“江湖”持续波涛汹涌,稀土仍将牵动人们的神经,并塑造更为多彩的世界。


(摘自《世界知识》)


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