Области применения редкоземельных металлов

Обновлено: 05.10.2024

Исторически свое название редкоземельные элементы получили из-за того, что первоначально были получены не металлы, а их оксиды – порошкообразные тугоплавкие вещества плохо растворимые в воде. В XVIII – XIX веке вещества с такими свойствами называли «землями» (Al₂O₃ – глинозем). Поскольку «земли» встречались в минералах редко (кларки индивидуальных РЗЭ находятся в пределах 10 -3 – 10 -4 %, а для Tm и Lu они еще меньше - 3×10 -5 и 7×10 -5 % соответственно), то их назвали редкими землями, а индивидуальные металлы – редкоземельными металлами или редкоземельными элементами.

История открытия РЗЭ сложна. Вначале смеси оксидов редкоземельных элементов («земли») принимали за один элемент. Первыми были открыты «иттриевые земли» финским химиком Гадолином в 1794 году в минерале найденном в Швеции (близ Иттербрю) и названном позже гадолинитом. В 1803 году Клапрот и одновременно с ним Берцелиус выделили новую «цериевую землю». Далее в течение 100 лет из этих земель были выделены все лантаноиды, кроме прометия. Он оказался радиоактивным и был выделен лишь в 1947 году И. Маринским и Л. Глендениным из осколков деления урана в ядерном реакторе (США).

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Начало практического применения РЗЭ относится ко второй половине 19 века - они применялись для газокалильных сеток и колпачков для осветительных газовых фонарей. В последние десятилетия 20 века проведены многочисленные исследования, указывающие на большую перспективность использования лантаноидов и их соединений с различных областях. Широкое применение РЗЭ обеспечило внедрение таких методов как экстракция и ионный обмен, позволяющие получать очень чистые материалы.

Редкоземельные элементы и их соединения присутствуют практически в каждом современном сложном изделии — смартфонах, лазерных установках, чипах компьютерной памяти, ДВД-проигрывателях, перезаряжаемых батареях, каталитических конвертерах, приборах ночного видения, магнитах и источниках флуоресцентного потока света. Поэтому развитие их производства имеет стратегическое значение.

Области применения редкоземельных элементов можно разделить на две большие группы: области применения, для которых нет необходимости глубокого разделения РЗЭ и области применения, требующие и глубокого разделения, и высокой чистоты РЗЭ (>99%).

К первой группе относятся: черная и цветная металлургия, стекольная и керамическая промышленность, производство полирующих материалов, нефтехимическая промышленность.

Вторая группа включает в себя: производство постоянных магнитов, люминофоров, лазерных материалов.

Подробнее о каждом секторе.

- черная и цветная металлургия

На металлургические приложения приходилось около 19% мирового спроса в 2010 году, это связано с тем, что редкоземельные элементы повышают качество нержавеющих и быстрорежущих сталей, кремнистых и жаропрочных сталей, чугуна, поскольку РЗЭ являются раскислителями и десульфуризаторами. В сталь их вводят в виде мишметалла. Сплав железа с большим количеством металлов цериевой группы позволяют создавать материалы, обладающие пирофорными свойствами, которые используют при в трассирующих пулях, снарядах, кремнях для зажигалок. РЗЭ легируют и чугун, так чугун, легированный иттрием, обладает высокими механическими и литейными свойствами, что позволяет его использовать для производства ответственных деталей двигателей внутреннего сгорания. В цветной металлургии это легкие сплавы для авиа- и космической техники Al-Mg и Mg-Zr (добавки РЗЭ в них от сотых долей процента до 3-5%), введение РЗЭ в эти сплавы повышает их прочность, пластичность и устойчивость против окисления при нагревании. Для легирования обычно используют мишметалл, но лучшие результаты достигают при применении неодима Кроме этого сплавы цветных металлов с РЗЭ используют в никель-металлгидридных (NiMH) батареях. NiMH батареи показали самые высокие темпы роста в этом секторе в течение последнего десятилетия, что изначально было обусловлено увеличением спроса на портативное электронное оборудование, а затем использованием этих батарей в энергосистемах гибридных автомобилей (HEV).

- стекольная и керамическая промышленность

Эта отрасль промышленности является достаточно крупным потребителем редкоземельных металлов для производства спецстекол фотооптики и светотехники. Индивидуальные оксиды РЗЭ используют для обесцвечивания и окраски стекол, придания им способности поглощать и пропускать различные излучения (ИК, УФ, рентгеновские и т.д.), повышать их термостойкость. Отрасль потребляет оксиды РЗЭ (Ln₂O₃= La, Ce, Nd, Eu чистота оксидов 98,5- 99%).

Так стекло с добавкой 2-4% оксида церия используют для защитных очков при стеклодувных и сварочных работах, как не пропускающие УФ излучение. Кроме этого это стекло не тускнеет под действием радиоактивных излучений, что позволяет применять его для боксов в атомной технике.

В керамической промышленности оксиды РЗЭ используют для окраски фарфора, глазурей, эмалей и придания им непрозрачности. Кроме этого оксид иттрия используют для получения стабилизированной керамики на основе диоксида циркония, выдерживающую температуру до 2200°С, которую можно использовать в качестве материала для термобарьерного покрытия.

Хромиты лантана и иттрия, стабилизированные ЩЗЭ используют для изготовления огнеупорной керамики, из которой производят нагревательные элементы электрических печей, работающих в окислительной атмосфере при температурах 1600-1900°С.

- производство полирующих материалов

Полирующие материалы на основе оксидов РЗЭ обеспечивают высокое качество полируемой поверхности при меньшем расходе материала и большей скорости по сравнению с другими материалами (оксиды цинка, циркония, алюминия и т.д.). В качестве полирующих порошков для изготовления оптических стекол и полупроводниковых материалов преимущественно используют оксид церия Ce₂O₃(полирит).

- химическая, легкая инефтехимическая промышленность

Изготовление лаков, красок, светосоставов, катализаторов синтеза аммиака, фототехника и автокатализаторов

Соли легких редкоземельных металлов и церия используют при производстве катализаторов для каталитического крекинга FCC (крекинг в псевдоожиженном слое с использованием флюидизированного катализатора).

Оксид церия является основным компонентом катализаторов для дожигания токсичных компонентов выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. По эффективности эти катализаторы не уступают платино-палладиевому.

- производство постоянных магнитов

Некоторые интерметаллиды лантаноидов, например, YCo₅, SmCo₅ являются магнитными материалами с высоким значением произведения величины индукции на максимальную напряженность магнитного поля: для YCo₅ – 9550 Т×А/м (1,2млнГс×Э); для SmCo₅ – 40290 Т×А/м (5,1млнГс×Э). Это свойство делает эти материалы незаменимыми для производства постоянных магнитов, которые используются во всем спектре производства аудиовидеотехники. На основе неодима и самария выпускаются магниты для ракетной и космической техники, неодимово-ферроборовые магниты, используют в моторах и генераторах особой мощности.

- производство металл - редкоземельных гранатов

Металл – редкоземельные гранаты 3Ln₂O₃×5Fe₂O₃ находят свое применение во все более широких областях. Так железо-иттриевые гранаты, обладая ферримагнитными свойствами, одновременно могут быть и полупроводниками и диэлектриками, что позволяет их использовать в высокочастотной технике, микроволновых передатчиках и других электронных приборах. В последние годы находят свое применение галлий-гадолиниевые и галлий-скандиево-гадолиниевые гранаты в качестве активной среды в квантовых парамагнитных усилителях и мощных твердотельных лазерах. Кроме этого они используются в перестраиваемых полосовых фильтрах на магнитостатических волнах и особенно широко в магнитооптике и микроэлектронной технике в качестве подложек для магнитных гранатных пленок в запоминающих устройствах на основе подвижных цилиндрических доменов.

- цветное телевидение

На основе редкоземельных металлов (ортованадаты иттрия, тербия) производят люминофоры. На основе тербия – зеленые люминофоры, на основе иттрия – красные, которые помимо цветного телевидения используют для приборов наведения в Авиапроме.

- лазерная техника

Редкоземельные элементы используют в различных классах лазеров (твердых, жидких), либо в качестве основы лазерных материалов, либо в качестве активирующей добавки. Известны оптические квантовые генераторы, в которых используют растворы хелатов РЗЭ. В качестве основы лазеров возможны фториды церия, оксиды лантана, иттрия, гадолиния, церия. Разработаны лазеры на основе Y-Al, Y-Gd гранатов, легированных неодимом.

-электровакуумная, рентгеновская и радиотехника.

В электровакуумной промышленности РЗЭ используют в качестве геттеров.

Оксид неодима в электронных приборах играет роль диэлектрика с малым коэффициентом линейного расширения.

Важное применение нашел изотоп туллия 170 для изготовления портативных генераторов мягкого рентгеновского излучения медицинского назначения и для дефектоскопии. Эти генераторы могут заменять громоздкие стационарные установки. Изотоп прометия 147 Pm (T_1|2=2,7года) используют для изготовления атомных микробатарей, в которых мягкое b-излучение превращается в электроэнергию.

- сельское хозяйство

Соединения РЗЭ используют в сельском хозяйстве в качестве инсектофунгицидов.

- электроосветительная техника

Фториды РЗЭ (CeF₃) применяют для изготовления угольных электродов для увеличения интенсивности свечения.

-гидриды – аккумуляторы водорода

Гидриды РЗЭ или их интерметаллидов перспективны в качестве аккумуляторов водорода. Они способны поглощать на единицу массы больше водорода, чем индивидуальные оксиды РЗЭ. Они дешевле и материалы, создаваемые на их основе, могут работать в различных интервалах температур.

Общие объемы потребления РЗЭ в 2010 году составляли 125 тыс. тонн. Если рассматривать по областям, то наибольшее потребление имеют постоянные магниты, на которые приходилось около 27% от общего спроса в 2010 году, по сравнению с только 13% в 2000 году. Это также, безусловно, самый ценный сектор, на который приходилось около 47% от общей валовой стоимости в 2010 году. Высокие темпы роста за последние 20 лет были вызваны увеличением спроса на жесткие диски, персональное звуковое оборудование и небольшие электродвигатели в некоторых автомобилях. Часть из прогнозируемого роста рынка магнитов до 2015 года будет происходить от использования двигателей с постоянными магнитами в ветровых турбинах и гибридных электрических автомобилях (HEV).

Развитие рынка дисплеев с плоским экраном, негативно влияет на использование оксида церия в качестве добавки к стеклу и порошков для полировки. Тем не менее, растущий спрос на плоские экраны в смартфонах и планшетах частично компенсировал снижение удельного расхода полировального порошка на каждый экран. Эффективность суспензии для полировки была улучшена, а переработка используется там, где это уместно, с сопутствующим снижением потребления оксида церия

Люминофоры и пигменты составляют чуть более 6% от общего объема потребления редкоземельных элементов, но почти 15% по стоимости. Люминофоры являются основным рынком для европия и тербия, тяжелых редкоземельных элементов (HREE) с высокой стоимостью, а также иттрия. Основным фактором роста в 2015 году станет распространение законодательства, направленного на поэтапный отказ от ламп накаливания, в результате чего они будут заменяться компактными люминесцентными лампами, при производстве которых применяются редкие земли.

По прогнозам мирового спроса, структура потребления изделий из редкоземельных элементов сильно не изменится (табл. 1)

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Редкоземельные металлы

Редкоземельные металлы – группа из 17 химических элементов таблицы Менделеева. Они обладают одинаковым строением атомов, а также имеют схожие химические и физические свойства. Редкоземельные элементы применяются в различных промышленных сферах: в радиоэлектронике, атомной энергетике, машиностроении, химической промышленности и металлургии.

Металлы, составляющие группу редкоземельных

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

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

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

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.
При взаимодействии с кислородом элементы образуют тугоплавкие, нерастворимые оксиды, называемые «землями».
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:

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

В российских учебниках редкоземельные элементы обозначаются аббревиатурами РЗЭ или РЗМ.

История открытия редкоземельных металлов

Впервые редкоземельные металлы были изучены финским химиком Юханом Гадолином в конце XVIII столетия. В 1794 г. ученый во время изучения рудных образцов, найденных вблизи деревни Иттербю, открыл “редкую землю”, названную иттриевой. В начале XIX в. немецкий химик Мартин Клапрот создал первую классификацию редкоземельных соединений. Он раздел эти элементы 2 группы: иттриевые и цериевые.

Спустя несколько десятилетий шведский химик Мосандер выявил наличие новых редкоземельных металлов. В 1840-х г. ученый выделил из образцов “редких земель” окись церия, тербиевую и эрбиевую земли. К концу XIX столетия в мире было открыто 16 редкоземельных элементов. В XX в. был открыт последний редкоземельный металл — прометий. Ее исследованием занимались русские химики Маринский и Гленделин. На основе их экспериментов были проведены опыты по использованию осколков деления атомов урана в ядерном реакторе. По состоянию на 2019 г. группа редкоземельных металлов состоит из 17 химических соединений. В таблице Менделеева они расположены в ячейках 21, 39 – 57, 57 – 61.

Запасы редкоземельных элементов

Общее количество по массе редкоземельных металлов в природе составляет не более 0,02%. Чаще всего в недрах Земли находятся церий, лантан и неодим. Наименее распространенным соединением является Европий. Ее процентное содержание в недрах Земли составляет не более 0,0013% от его общей массе.

В мире редкоземельные металлы находятся в 240 минеральных веществах: фторидах, силикатах и фосфатах. 62 минерала используются в качестве промышленного сырья: монацит, апатит, бастнезит и эвксенит. Процентное соотношение РЗЭ в составе минеральных веществ неодинаково. В бастнезитах содержатся преимущественно представители цериевой подгруппы, в апатитах – иттриевой.

Редкоземельные элементы содержаться в естественной среде совместно, образуя сульфиды или галоидные соединения. Валентность веществ составляет не более 3+. В природе церий может образовывать четырехвалентные соединения, что обусловлено особенностями строения его электронной оболочки.

Основные запасы редкоземельных металлов содержатся в следующих странах:

США: 13000000 т;
Австралия: 1600000 т;
Бразилия: 36000 т;
Китай: 55000000 т;
Индия: 3100000 т;
Малайзия: 30000 т.

В России 90% редкоземельных элементов импортируется из других стран. Это обусловлено тем, что на российском рынке наблюдается низкий спрос на данные соединения. Из-за развития научно-технического прогресса наибольшее количество редкоземельных ресурсов потребляется развитыми странами Европы и Северной Америки.

Добыча

Добыча редкоземельных металлов из отходов фосфорных удобрений является одной из самых инновационных технологий. Наличие в породном отвале большого количества гипса обуславливает высокую водостойкость и механическую прочность сырья. Эта технология извлечения РЗМ позволяет добыть до 800 000 ценных химических элементов и утилизировать отходы при производстве фосфорных удобрений. Она представляет собой замкнутый цикл. В результате переработки минеральных удобрений выделяются строительный гипс и оксиды редкоземельных металлов: неодима, тербия, церия, диспрозия, празеодима и лантана.

Существуют 3 метода переработки отходов от производства удобрений:

Разложение материала с помощью плавиковых или серных кислот: позволяет удалять из веществ оксиды азота в процессе реакции обмена.
Хлорирование: атомы неметаллов сменяются на хлор в результате химической реакции замещения.
Сплавление гидроксидами, растворимыми в воде: в результате реакции гидролиза из РЗМ удаляются сульфированные поверхностно-активные вещества.
Химическое восстановление кальцием: осуществляется в бескислородной среде или в атмосфере аргона. Эта процедура позволяет избавиться от самых прочных химических окислов.

В результате образуется хлориды, сульфаты и оксиды, из которых извлекаются редкоземельные соединения. Для очистки РЗЭ от примесей используются технологии вакуумного переплава или дистилляции.

Наибольшее количество РЗМ добывается на территории США, Канады, Австралии и КНР. С 2010 г. спрос на эти химические соединения растет во многих индустриальных отраслях: машиностроении, электронике, ядерной энергетике и химической промышленности. Одним из крупнейших месторождений редкоземельных металлов является Bayan Obo, расположенное в Китае. Здесь содержится 44 млн. оксидов. Китай экспортирует сырье во многие страны Европы, Азии, Северной Америки и Африки. С 2010 г. КНР сокращает экспорт РЗМ, что связано с ростом потребления на внутреннем рынке. В результате во многих странах возникла физическая нехватка редкоземельных ресурсов.

В Российской Федерации добыча РЗМ из горных пород является нерентабельным занятием, что обусловлено низким потреблением этих металлов. Наибольшее количество редкоземельных элементов используют государственная корпорация “Ростехнологии” и предприятия оборонной промышленности. В России РЗМ добываются на территории Мурманской области и Республики Саха (Якутии). В данных регионах находятся крупнейшие месторождения редкоземельных металлов: Ловозерское и Томторское. С 2016 г. в РФ действует госпрограмма по созданию отраслевых предприятий, обеспечивающих российскую промышленность редкоземельными элементами. Она позволила улучшить методы добычи РЗМ и ликвидировала зависимости экономики России от импортных материалов.

Свойства редкоземельных металлов

Редкоземельные металлы имеют серебристый или желтый окрас. Они поддаются механической обработке и проводят электрический ток. Свойства РЗМ могут изменяться при переходе веществ из металлического состояния в парообразное. При высоком давлении и большой разнице в энергии атомные радиусы уменьшаются, что приводит к увеличению плотности простых веществ.

Физические свойства

Плотность РЗЭ составляет 6000–7000 кг/м 3 . Температура плавления вещества равняется 900 °С. Переход веществ в газообразное состояние осуществляется при температуре от 3500 °С. Наибольшим захватом тепловых нейтронов обладают гадолиний, самарий и европий. При нагревании до высоких температур элементы становятся пластичными и легко поддаются прокатке или ковке.

РЗМ обладают магнитными свойствами. Они относятся к классу парамагнетиков. Магнитная восприимчивость соединений зависит от их температуры. Гадолиний, Диспрозий и Гольмий располагают ферромагнитными свойствами. Они могут увеличить свое магнитное поле в несколько раз при нагреве до критических температур. В естественной среде большая часть редкоземельных металлов являются сверхпроводниками. Переход сверхпроводящее состояние осуществляется при охлаждении веществ до температуры -268,15 °С. Величина данного показателя зависит от избыточного давления.

Механические свойства

Механические свойства РЗЭ находятся в зависимости от количества примесей, содержащихся в веществе: кислорода, серы, азота и углерода. Ими обладают большинство представителей иттриевой и цериевой подгрупп. Чистые металлы, в которых содержится меньше 1% примесей, имеют твердость 500 Мпа. Этот показатель зависит от температуры химического соединения. При охлаждении вещества до 800 °С твердость элемента составляет 30 МПа. Если понизить температуру вещества до 550 °С, то оно полностью размягчится, что обусловлено полиморфным превращением.

При температурах 20-800 °С повышается пластичность редкоземельных металлов. Во время нагревания внутренняя структура элементов переходит на кубическую модификацию. Во время растяжения РЗМ полностью разрушаются при давлении в 150 Мпа. При более низких значениях этого показателя соединения деформируются. Удельное растяжения металлов составляет не менее 12%.

Химические свойства

При взаимодействии с молекулами кислорода РЗЭ покрываются тонкой оксидной пленкой, защищающей металлы от физических деформаций и воздействия иных химических элементов. При высокой влажности вещества начинаются окисляться с большей интенсивностью и превращаются в щелочи. Данный химический процесс осуществляется при температурах до 250 °С. При дальнейшем нагревании в кислородной среде металлы начнут окисляться с выделением большого количества тепловой энергии.

Наибольшей реакционной способностью располагают скандий и иттрий. При нагревании до 400 °С они вступают в реакции с водородом, образуя гидриды. Полученные вещества имеют высокую плотность и могут взаимодействовать с солями. Церий обладает свойством пирофорности. При разрезании этого элемента на воздухе образуется множество искр. В этом случае выделяется до 220 ккал тепла.

Степень окисления редкоземельных соединений равняется +3. Поэтому эти способы образовывать тугоплавкие, твердые и крепкие оксиды. При взаимодействии с водой РЗМ образуют малорастворимые гидроксиды. Растворимость элементов зависит от ряда активности и свойств амфотерности. Из-за высокой активности металлов, соли редкоземельных соединений быстро растворяются в сильных кислотах, относящихся к минеральной группе химических веществ. При взаимодействии РЗМ с неметаллами VI – VII групп получаются галогены. РЗЭ могут вступать в реакцию с селеном, бромом, йодом при нагревании. Они инертны к большинству растворимых гидроксидов.

Применение редкоземельных металлов

Редкоземельные металлы нашли применение в следующих областях:

Производство винчестеров и звуковых динамиков.
Изготовление фотокамер, телескопических объективов, проекторов, приспособлений для студийного освещения и аккумуляторов.
Переработка сырой нефти.
Разработка усиленных металлов и стекол, применяющихся в авиационных моторах и защитных масках для строителей.
Создание жидкокристаллических дисплеев, аппаратов для МРТ, рентгеновских систем, энергосберегающих ламп и ядерных реакторов.

Также РЗЭ используются для изготовления добавок и эмалей, необходимых для модификации материалов. Они улучшают пластичность и прочность сырья, что увеличивает срок службы различных аппаратов и металлических устройств. Благодаря повышенной скорости поглощения окисей углерода и азота, РЗМ могут применяться в водородных тиратронах в качестве изолирующего материала.

Применение редкоземельных элементов оказывает негативное влияние на экологию планеты. В результате добычи и производства РЗЭ в атмосферу выбрасывается большое количество вредных веществ и токсинов, включая углерод. В настоящее время разрабатываются технология определения токсичности РЗМ при помощи биотестирования. Ученые создают биосенсоры, определяющие влияние металлов на организм человека при помощи специальных биосенсоров. При изготовлении тестовых приспособлений используются экологически чистые материалы: Paramecium Bursaria и водоросли Chlorella.

Что такое редкоземельные металлы и их использование

Редкоземельные металлы представляют собой группу из 17 химически схожих элементов, имеющих решающее значение для производства многих высокотехнологичных продуктов. Несмотря на свое название, большинство из них в изобилии, но опасны и трудны при извлечении.

Что такое редкоземельные металлы — это 17 химических элементов с неудобными названиями и необычными свойствами. Их атомные номера 57-71, 21 и 39.

Несмотря на свое название, они не являются геологически редкими, но широко рассеяны по всей земной коре. Редкоземельные металлы добываются в немногих местах и несколькими фирмами, как правило, не находятся в высококонцентрированной форме. Мировой рынок этих элементов является скромным (несколько миллиардов долларов в год), неустойчивым, сложным и доминирует в Китае, где не все шахты и экспорт легальны и прозрачны. Один из экспертов пришел к выводу, что около половины мирового производства 2018 года было неофициальным.

По возрастанию атомного веса редкоземельные металлы расположились следующим образом:

21 Sc — Скандий
39 Y — Иттрий
57 La — Лантан
58 Ce — Церий
59 Pr — Празеодим
60 Nd — Неодим
61 Pm — Прометий
62 Sm — Самарий
63 Eu — Европий
64 Gd — Гадолиний
65 Tb — Тербий
66 Dy — Диспрозий
67 Ho — Гольмий
68 Er — Эрбий
69 Tm — Тулий
70 Yb — Иттербий
71 Lu — Лютеций.

Большинство этих элементов используются во многих различных областях.

Использование и добыча

Использование редкоземельных металлов является узкоспециализированным, но разнообразным. Эти элементы использованы в мобильных телефонах, суперсильных магнитах и, следовательно, моторах и генераторах, некоторых катализаторах нефтеперерабатывающего предприятия, лазерах и в люминесцентной лампе или плоских экранах, некоторых батареях и в сверхпроводниках и других технологиях важных в современной жизни. Некоторые редкоземельные металлы особенно полезны в энергетических приложениях.

Ученые предупреждают, что нехватка редкоземельных металлов или почти монополия Китая на них, может подавить переход на возобновляемые источники энергии и другие чистые технологии.

Может ли контроль Китая над этими важнейшими элементами (примерно 97 процентов) блокировать способность Вашингтона производить ракеты Томагавк, самолеты F-35 и очки ночного видения, как предупреждали некоторые ученые, не говоря уже об электрических транспортных средствах и ветровых турбинах?

Неодим

Используется для создания мощных магнитов, используемых в громкоговорителях и жестких дисках компьютеров, чтобы они были меньше и эффективнее. Магниты, содержащие неодим, также используются в экологически чистых технологиях, таких как производство ветровых турбин и гибридных автомобилей.

Лантан

Этот элемент используется в камерах и объективах телескопа. Соединения, содержащие лантан, широко используются в приложениях для освещения углерода, таких как студийное освещение и проекция кино.

Церий

Используется в каталитических нейтрализаторах в автомобилях, что позволяет им работать при высоких температурах и играет решающую роль в химических реакциях в конвертере. Лунтан и церий также используются в процессе переработки сырой нефти.

Иттрий

Иттрий используется в процессе создания цветных дисплеев на таких устройствах, как телевизионные экраны.

Празеодим

Используется для создания крепких металлов для использования в авиационных двигателях. Празеодим также является компонентом особого сорта стекла, используемого для изготовления козырьков для защиты сварщиков и стеклоизготовителей.

Гадолиний

Используется в рентгеновских и МРТ-системах сканирования, а также в телевизионных экранах. Исследования также проводятся в его возможное использование при разработке более эффективных холодильных систем.

Иттрий, тербий, европий

Применяется в экранах телевизоров, компьютеров и в других устройствах, которые имеют визуальные дисплеи, поскольку используются для изготовления материалов, которые выделяют разные цвета. Европий также используется для изготовления контрольных стержней в ядерных реакторах.

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

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).

Читайте также: