Pierwiastki ziem rzadkich — definicja, występowanie i zastosowania

Tabela zawierająca siedemnaście pierwiastków ziem rzadkich, ich liczbę atomową i symbol, pochodzenie ich nazw, a także niektóre z ich zastosowań jest podana tutaj. Niektóre z ziem rzadkich są nazwane po naukowców, którzy je odkryli, a niektóre są nazwane na podstawie miejsca, gdzie zostały odkryte.

Pierwiastki ziem rzadkich są cięższe od żelaza. Powstają w wyniku wybuchów supernowych (eksplodujących gwiazd). W przyrodzie w wyniku rozszczepienia uranu-238 powstają bardzo małe ilości radioaktywnego promethium. Większość promethium jest wytwarzana syntetycznie w reaktorach jądrowych.

Pierwiastki ziem rzadkich zmieniają się w czasie w małych ilościach (ppm, parts per million). Ich proporcje mogą być wykorzystywane do datowania geologicznego i datowania skamieniałości.

Pierwiastki ziem rzadkich są często spotykane razem. Najdłużej żyjący izotop prometu ma okres półtrwania 17,7 lat. Z tego powodu pierwiastek ten występuje w przyrodzie tylko w bardzo małych ilościach. Promet jest jednym z dwóch pierwiastków, które nie mają stabilnych (nieradioaktywnych) izotopów, a po nich następują stabilne pierwiastki (drugim jest technet).

Ponieważ wszystkie lantanowce mają zbliżone rozmiary, pierwiastki ziem rzadkich zawsze były trudne do rozdzielenia. Nawet z eony czasu geologicznego, oddzielenie lantanowców w przyrodzie tylko rzadko poszedł dalej niż podział między lekkich i ciężkich lantanowców, inaczej znany jako ceru i ziemi itru. Ta geochemiczna separacja jest pokazana w dwóch pierwszych ziem rzadkich, które zostały odkryte. Były to yttria w 1794 roku i ceria w 1803 roku. Kiedy po raz pierwszy znaleziono, każdy z nich był mieszaniną wszystkich ziem rzadkich. Duże rudy ziemi ceru można znaleźć na całym świecie i są wykorzystywane. Ciała rudy itru są rzadsze. Ponadto, są one zazwyczaj mniejsze i mniej skoncentrowane.

Do 1948 r. większość ziem rzadkich na świecie pochodziła z piaskowych złóż w Indiach i Brazylii. W latach 50. ubiegłego wieku RPA wydobywała większość ziem rzadkich na świecie. Stało się to po tym, jak znaleziono tam duże żyły minerałów zawierających metale ziem rzadkich. Od lat 60. do 80. XX wieku wiodącym producentem była kopalnia w Kalifornii. Dziś indyjskie i południowoafrykańskie złoża nadal produkują pewne koncentraty metali ziem rzadkich, ale są one bardzo małe w porównaniu z ilością produkowaną w Chinach. Chiny wyprodukowały ponad 95% światowych dostaw metali ziem rzadkich. Większość z tego została wykonana w Mongolii Wewnętrznej, mimo że miał tylko 37% potwierdzonych rezerw. Chociaż liczby te zostały od tego czasu powiedział, że zostały obniżone do 90% i 23% do 2012 roku. Wszystkie światowe ciężkie pierwiastki ziem rzadkich (takie jak dysproz) pochodzą z chińskich źródeł pierwiastków ziem rzadkich, takich jak polimetaliczne złoże Bayan Obo. W 2010 r. United States Geological Survey (USGS) opublikował badanie, które wykazało, że Stany Zjednoczone miały 13 milionów ton metrycznych metali ziem rzadkich.

Nowy popyt na te pierwiastki jest wyższy niż ich podaż. Świat może wkrótce stanąć w obliczu niedoboru pierwiastków ziem rzadkich. Przewiduje się, że w ciągu kilku lat od 2009 r. światowy popyt na pierwiastki ziem rzadkich będzie przewyższał podaż o 40 000 ton rocznie, o ile nie zostaną opracowane nowe źródła.

Chiny

Obawy te nasiliły się z powodu działań Chin. Chiny zapowiedziały, że wprowadzą regulacje dotyczące eksportu i będą pracować nad powstrzymaniem przemytu. W dniu 1 września 2009 roku, Chiny powiedział, że zamierza obniżyć eksport do 35.000 ton rocznie w latach 2010-2015. Chiny powiedziały, że zostało to zrobione w celu zachowania rzadkich zasobów i ochrony środowiska. W dniu 19 października 2010 r. China Daily poinformował, że Chiny będą "dalsze zmniejszenie kwot dla eksportu ziem rzadkich o 30 procent w przyszłym roku, aby chronić metale szlachetne przed nadmierną eksploatacją". Pod koniec 2010 roku Chiny powiedział, że pierwsza runda eksportu w 2011 roku dla ziem rzadkich będzie 14,446 ton. Był to spadek o 35% od pierwszej rundy eksportu w 2010 roku. We wrześniu 2011 roku Chiny powiedział, że zatrzymuje produkcję w trzech z ośmiu kopalni metali ziem rzadkich. Kopalnie te produkowały prawie 40% całkowitej produkcji metali ziem rzadkich w Chinach. W sierpniu 2012 roku, Chiny powiedział, że będzie kolejny 20% redukcji produkcji.

Poza terytorium Chin

Ze względu na zwiększony popyt i ograniczenia eksportu metali z Chin, niektóre kraje gromadzą zapasy metali ziem rzadkich. Trwają poszukiwania nowych źródeł w Australii, Brazylii, Kanadzie, RPA, Tanzanii, na Grenlandii i w Stanach Zjednoczonych. Kopalnie w tych krajach zostały zamknięte, gdy w latach 90. Chiny podcięły ceny światowe. Ponowne uruchomienie produkcji zajmie kilka lat.

Unia Europejska wezwała duński protektorat Grenlandii do ograniczenia chińskiego rozwoju projektów związanych z metalami ziem rzadkich, ponieważ Chiny odpowiadają za 95 proc. obecnych światowych dostaw. Na początku 2013 roku rząd Grenlandii oświadczył, że nie ma planów nałożenia takich ograniczeń.

Przetwarzanie jądrowe jest kolejnym możliwym źródłem metali ziem rzadkich lub innych pierwiastków. Rozszczepienie jądrowe uranu lub plutonu tworzy wiele pierwiastków, jak również wszystkie ich izotopy. Nie jest jednak prawdopodobne, aby ich tworzenie mogło być przeprowadzone bezpiecznie i ekonomicznie z powodu radioaktywności wielu z tych izotopów.

Recykling

Innym źródłem pierwiastków ziem rzadkich są odpady elektroniczne i inne odpady, które mają dużą ilość składników pierwiastków ziem rzadkich. Nowe postępy w technologii recyklingu sprawiły, że uzyskanie pierwiastków ziem rzadkich z tych materiałów jest łatwiejsze do zrobienia. Zakłady recyklingu działają obecnie w Japonii, gdzie w nieużywanej elektronice znajduje się około 300 000 ton pierwiastków ziem rzadkich. We Francji grupa Rhodia uruchamia dwie fabryki w La Rochelle i Saint-Fons. Fabryki te będą produkować 200 ton rocznie pierwiastków ziem rzadkich ze zużytych świetlówek, magnesów i baterii.

Względy geopolityczne

Chiny stwierdziły, że wyczerpywanie się zasobów i obawy związane z ochroną środowiska są powodem zwiększenia kontroli nad produkcją minerałów ziem rzadkich na terenie całego kraju. Non-środowiskowe powody zostały również zasugerowane, aby wyjaśnić politykę Chin rzadkich ziem. Według The Economist, "Cięcie ich eksportu metali ziem rzadkich ... jest wszystko o przeniesienie chińskich producentów w górę łańcucha dostaw, więc mogą sprzedawać cenne towary gotowe do świata, a nie nisko surowców."

Departament Energii Stanów Zjednoczonych w swoim sprawozdaniu dotyczącym strategii w zakresie materiałów krytycznych z 2010 r. wskazał dysproz jako pierwiastek o najbardziej krytycznym znaczeniu pod względem zależności od importu.

Raport z 2011 roku wydany przez U.S. Geological Survey i Departament Spraw Wewnętrznych USA, "China's Rare-Earth Industry", dotyczy trendów w przemyśle w Chinach. Patrzy na polityki krajowe, które mogą kierować przyszłością produkcji w kraju. Raport mówi, że przewaga Chin w produkcji minerałów ziem rzadkich wzrosła w ciągu ostatnich dwóch dekad. W 1990 r. Chiny odpowiadały za zaledwie 27% takich minerałów. W 2009 roku, światowa produkcja wyniosła 132.000 ton metrycznych. Chiny produkowane 129.000 z tych ton. Według raportu, ostatnie wzorce sugerują, że Chiny będą spowalniać eksport takich materiałów do świata: "Ze względu na wzrost popytu krajowego, rząd stopniowo zmniejszył kontyngent eksportowy w ciągu ostatnich kilku lat." W 2006 roku Chiny pozwoliły na eksport 47 krajowych producentów i sprzedawców metali ziem rzadkich oraz 12 chińsko-zagranicznych producentów metali ziem rzadkich. Do 2011 r. było tylko 22 krajowych producentów i handlowców ziem rzadkich i 9 Sino-zagranicznych producentów ziem rzadkich. Przyszła polityka rządu prawdopodobnie utrzyma się w miejscu ścisłej kontroli: "Zgodnie z Chinami projektu planu rozwoju ziem rzadkich, roczna produkcja ziem rzadkich może być ograniczona do między 130.000 a 140.000 [ton metrycznych] w okresie od 2009 do 2015 roku. Kontyngent eksportowy dla produktów ziem rzadkich może wynosić około 35.000 [ton metrycznych], a rząd może zezwolić 20 krajowym producentom i handlowcom ziem rzadkich na eksport ziem rzadkich."

Służba Geologiczna Stanów Zjednoczonych pod ochroną sił zbrojnych Stanów Zjednoczonych poszukuje w południowym Afganistanie złóż metali ziem rzadkich. Od 2009 roku USGS prowadzi zdalne badania, jak również prace terenowe w celu weryfikacji sowieckich twierdzeń, że skały wulkaniczne zawierające metale ziem rzadkich istnieją w prowincji Helmand w pobliżu wsi Khanneshin. USGS znalazł obszar skał w centrum wygasłego wulkanu z lekkimi pierwiastkami ziem rzadkich, w tym ceru i neodymu. To zmapowane 1,3 mln ton metrycznych użytecznych skał. To jest około 10 lat dostaw przy obecnym poziomie popytu. Pentagon oszacował jego wartość na około 7,4 miliardów dolarów.

Ceny metali ziem rzadkich

Pierwiastki ziem rzadkich nie są przedmiotem obrotu giełdowego w taki sam sposób, jak metale szlachetne (na przykład złoto i srebro) lub nieżelazne (takie jak nikiel, cyna, miedź i aluminium). Zamiast tego sprzedaje się je na rynku prywatnym. To sprawia, że ich ceny są trudne do monitorowania i śledzenia. Ceny są jednak okresowo publikowane na stronach internetowych, takich jak mineralprices.com. 17 pierwiastków nie jest zazwyczaj sprzedawanych w czystej postaci. Są one zazwyczaj rozprowadzane w mieszankach o różnej czystości, np. "Neodym metal ≥ 99,5%". z tego powodu ceny mogą się różnić w zależności od ilości i jakości wymaganej przez użytkownika końcowego.