Тяжелая группа редкоземельных металлов

Обновлено: 20.01.2025

Редкоземы — важные и самые дорогие компоненты магнитных, оптических и электронных устройств, которые производят в оборонной и аэрокосмической промышленности: беспилотников, управляемых ракет, приборов лазерного наведения спутниковой связи и т.д.. Их называют «витаминами промышленности». Ведь эти металлы, хоть и в небольшом количестве, используются в важнейших материалах и процессах.

Редкоземельные элементы: что это такое

В Зеленой книге ИЮПАК (Международного союза прикладной и теоретической химии), представлен перечень из 17 редкоземельных металлов. Это:

скандий,
иттрий,
15 лантаноидов.

В промышленности используют общепринятые аббревиатуры для обозначения редкоземов:

Сокращение

Расшифровка

Где находятся в периодической системе

Обозначение оксидов

Rare earth elements, в переводе редкоземельные элементы

№57-71: от лантана до лютеция, плюс иттрий, №39, скандий, №21

Light rare earth elements, в переводе легкие редкоземельные элементы

№57-62, начиная лантаном и заканчивая самарием

Heavy rare earth elements, в переводе тяжелые редкоземельные элементы

№63-71:, начиная европием и заканчивая лютецием, плюс иттрий

В одну группу эти элементы объединили из-за похожих признаков. Они образуют простые вещества со следующими свойствами

серебристые или серые, с сильным металлическим блеском;
пластичные и мягкие;
активные, особенно при повышенной температуре или тонком измельчении.

Редкоземельные металлы обладают определенными различиями, поэтому и применяются для разных целей. Вот их краткое описание.

Наименование

Цвет

Ценные свойства металла и его соединений

Тугоплавкий, повышает прочность материалов, усиливает свечение

Повышает жаропрочность и долговечность материалов, улучшает качество свечения

Серебристо-белый, похож на кальций

Ускоряет крекинг нефти, повышает пластичность, жаропрочность и химическую устойчивость материалов

Повышает электропроводность и пластичность металлов, придает розоватый оттенок стеклу, катализатор

Улучшает свойства сверхпроводников и сплавов, придает бледно-зеленый оттенок стеклу, используется в лазерах и для получения пигментов

Улучшает качество стекла и сплавов, растворяет плутоний, повышает контрастность изображения, используется в магнитах, лазерах и излучателях

Способен к люменесценции, используется в атомных батарейках, стержнях реакторов, для ионизации воздуха

Улучшает свойства стержней для ядерных реакторов, магнитов, поглощающего инфракрасные лучи стекла, огнеупорность материалов

Повышает качество микрочипов, карт памяти, сверхпроводников, сплавов и керамики

Сильные парамагнитные свойства для получения сверхнизких температур, используется в полупроводниках и рентгеновских аппаратах

Необходим для сверхмощных магнитов и излучателей ультразвука, катализатор реакций окисления

Повышает пластичность и магнитные свойства материалов, катализатор в нефтехимии, для получения красных люминофоров

Придает сверхпроводящие свойства магнитам, применяется в лазерах, активирует люминофоры

Улучшает качество оптоволокна, магнитных сплавов, стекла, специальной керамики

Применяется в лазерах, магнитных носителях, для дефектоскопии, в диагностических приборах

Улучшает термоэлектрические и магнитные свойства материалов, обеспечивает легкость полупроводников

Повышает мощность магнитов, сверхпроводимость, жаропрочность

Но с точки зрения добычи полезных ископаемых они действительно редкоземельные. Потому что не часто встречаются в концентрированной и экономически выгодной форме.

Чем редкие металлы отличаются от редкоземов

Кроме редкоземельных, выделяют еще группу редких металлов. Их всего 18, в том числе 4 таких металла, которые можно после обогащения получать в виде концентратов: бериллий, ниобий, литий, тантал. Остальные 14 называют попутными микрокомпонентами, или рассеянными редкими металлами.

Редкие металлы значительно различаются между собой по объемам производства и областям применения.

Наименование

Сколько примерно тонн производится в мире в год

Где используется

Добавка к стали и другим сплавам

В виде карбида для строительства, изготовления абразивов, сплавы в ядерных реакторах

Стекло, литье, керамика, батареи для электромобилей, лекарства

Сплавы со свинцом и другими металлами, для производства лекарств

Стекло, пигменты, фотокопировальные устройства, лекарства, удобрения, солнечные батареи

Пиротехника, сверхпроводники, протезы, зубные имплантаты, посуда, фианиты

конденсаторы для электроники, сплавы для турбин самолетов, медицинские импланты

Жидкокристаллические дисплеи, сенсорные и плоские экраны, смартфоны, компьютеры

Атомные реакторы, системы наведения, спутниковое оборудование, рентгеновские аппараты, формы для выдувания

Сплавы, солнечные батареи, полупроводники

Инфракрасная и волоконная оптика, солнечные батареи, японские ПЭТ-бутылки

Полупроводники, лазеры, светодиоды, микросхемы, безопасный заменитель ртути

Теплоносители, электролиты, измерительная техника

Электромобили и гибридные авто, металлогалогенные лампы

Ядерные реакторы, микропроцессоры

Двигатели для самолетов, ракеты, высокооктановый бензин без свинца, рентгеновские снимки, фотовспышки, лечение опухолей

Батарейки, аккумуляторы, антикоррозионные покрытия

Также к редким металлам относится таллий.

Полезные ископаемые с достаточным для добычи содержанием содержанием редкоземов называют редкоземельными минералами. Первый такой минерал обнаружили в шахте возле шведской деревни Иттерби, Это гадолинит. Он состоит из смеси редкоземельных иттербия, церия, других менее ценных веществ.

Лидирующие по мировой добыче источники РЗЭ - следующих минералы:

бастнезит — из него получают лантан, иттрий и церий, местность Маунтин-Пасс в Калифорнии, Байян-Обо в Китае;
монацит — источник церия, празеодима, гадолиния, добыча в Австралии, США, Китае, Бразилии, Красноуфимске (Свердловская область);
лопарит — в основном цериево-лантановый, в меньшей степени неодим и прометий, найден в Карелии, село Ловозеро, в Прибайкалье, Туве;
латеритные ионно-адсорбционные глины — получают иттрий, диспрозий, гадолиний, неодим, месторождения в Китае, на Мадагаскаре, небольшое в Приморье.

Редкоземы есть в ряде ниже перечисленных полезных ископаемых

Минерал

Какие РЗЭ содержит

Месторождения

Празеодим, церий, лантан, неодим, иттрий,

Хибины, Кольский полуостров

Северное Прибайкалье, Монголия

Церий, диспрозий, гольмий

Хабаровский край, Малмыжское месторождение

лютеций, диспрозий, эрбий, гольмий, иттрий, туллий, иттербий

Бразилия, Норвегия, Швеция, Северная Карелия, Южный и Северный Урал, Хабаровский край

Колумбия, Норвегия, Китай, Урал, Северные Саяны

Иттрий, европий, тербий

Южный Урал, Миасс

Кольский полуостров, Тува, Швеция, Норвегия

Эрбий, туллий, иттрий, иттербий

Норвегия, Гренландия, Швеция, Урал, Украина, Зимбабве, США

Дальний Восток, Казахстан

Челябинская область, Монголия, Китай, Кения

Диспризий, гольмий, эрбий

Россия, США, Норвегия, Бразилия, Мадагаскар

Минералы-концентраты с набором разных РЗЭ получают рядом с месторождениями из первичной руды путем ее обогащения. В Мурманской области это лопаритовый концентрат. В мировых масштабах большое всего производится следующих концентрата:

насыщенного раствора сорбционно-ионных руд - до 90% РЗЭ в оксидной форме;
ксенотимового – 25% оксида иттрия;
моноцитового – 55% смеси оксидов РЗЭ;
бастнезитового – 60-85% комплекса редкоземельных оксидов.

Чем определяется стоимость редкоземов

Всего по расчетам 2014 года мировые запасы РЗЭ составляют 147 млн тонн:

Китай 38% всех разведанных редкоземов,
Монголия 21%,
Бразилия 15%,
США 9%,
Япония 5%,
Индия 2%,
Австралия 1%.

Оставшиеся 9% - все остальные страны.

Но далеко не все обладатели запасов РЗЭ готовы к разработке найденных месторождений. Во-первых, получение редкоземельных металлов связано с сильным загрязнением окружающей среды. При производстве 1 тонны РЗЭ из руды по стандартной китайской технологии образуется:

1 тонна радиоактивных отходов;
12000 кубометров газовой смеси с пылью, фтороводородной и серной кислотой, диоксидом серы;
75 кубометров кислотного раствора.

Это приводит к загрязнению сточных вод, а следом за ними пахотных земель и рек. В том числе Хуанхэ, из которой берут питьевую воду полторы сотни миллионов людей. В нее попадает торий, элемент с высокой радиоактивностью.

Во-вторых, для запуска проектов по добыче редкоземов нужны большие стартовые капиталы. В результате расчетная себестоимость очищенных металлов окажется намного больше, чем у китайских конкурентов.

Например, австралийская компания Nothern Minerals собирается получать окись диспрозия и продавать килограмм по 720$. Китай сейчас продает это же сырье по 400$. Похожие проекты есть у канадских компаний Great Vestern Minerals и Tastan Metals. Последняя предполагает продавать все ту же окись диспрозия за 580$. В США Rare Element Resourse планирует цены на оксид этого же редкозема 655$/кг, а на окись европия 950$/кг.

В ближайшие годы другим странам, желающим производить РЗЭ, будет трудно конкурировать с Китаем. Ведь там дешевая рабочая сила и пренебрежение к требованиям экологии позволяют держать цены на достаточно низком уровне.

Редкоземельные элементы и производство гаджетов
Рост потребности в редкоземах растет параллельно тому, как высокотехнологичная техника становится необходимой для всех и каждого, определяет уровень и качество жизни. Часто цена гаджета в значительной доле определяется наличием и количеством редкоземельных и редких металлов в его электронной начинке.

Почему смартфоны Apple такие дорогие? На это есть ряд причин, и одна из них — использование РЗЭ. Причем не одного-двух, а как минимум девяти:

гадолиния — в дисплеях, динамиках и электронных схемах,
диспрозия — добавка в магниты электросхем для для сохранения свойств при нагреве и температурных перепадах,
европия — для красного светящегося вещества дисплея,
иттрия — для дисплеев, светодиодов,
лантана — в электронных схемах, дисплее, шлифованном стекле, для оптических линз,
неодима — магниты в схемах и динамиках из сплава с железом и бором,
празеодима — добавка в неодимовые магниты, дисплей, динамик,
тербия — для зеленого люминесцирующего вещества на дисплее, в динамиках, схемах и вибрационном механизме для защиты мини-магнитов от высоких температур,
церия — для шлифованного стекла.

Из этих редкоземельных элементов только четыре – церий, лантан, празеодим и неодим –поставляются для Apple американской компанией Molycorp и австралийской Lynas Corp. Остальные пять добывают преимущественно в Китае. Если Китай запретит экспортировать свои РЗЭ, то у Apple могут появиться серьезные проблемы.

В каждом из пяти важнейших узлов iPhone — дисплее, микросхеме, динамиках, механизме вибрации и шлифованном стекле — есть как минимум один редкоземельный металл, который на данный момент можно получить только из Китая.

Можно производить iPhone без европия, неодима, диспрозия и тербия, если заменить их более дешевыми и доступными металлами. Но это ухудшит цветовое отображение на дисплее , увеличит вес гаджета, снизит скорость работы и устойчивость к высоким температурам. То есть качество продукции Apple серьезно пострадает.

Если Apple и другие богатые компании, нуждающиеся в редкоземах, такие как Tesla , Intel , HP , материально поддержат американские проекты по добыче РЗЭ, то это поможет снизить зависимость от Китая. Но пока что цена вопроса слишком большая.

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.

Редкоземельные металлы (РЗМ)

В группу редкоземельных металлов, или лантаноидов, входят 15 химических элементов: лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий, иттербий, лютеций. К этой группе элементов часто присоединяют иттрий, всегда встречающийся в редкоземельных минералах, и скандий.

Лантан (La) открыт в 1839 г. Название элемента происходит от греческого слова «лантано» (скрывающийся). Лантан трудно выделяется в чистом виде.

Церий (Се) открыт в 1803 г. Название элемент получил по имени малой планеты Цера, обнаруженной за два года до открытия элемента.

Празеодим (Рr) открыт в 1885 г. Название элемента состоит из греческих слов «празеос» ((бледно-зеленый) и «дидимос» (близнец) и обусловлено бледно-зеленой окраской своих солей, отличающейся от розовой окраски солей элемента — близнеца неодима.

Неодим (Nd) открыт в 1885 г. Название элемент получил от греческих слов «неос» (новый) и «дидимос» (близнец). Он выделен из так называемой дидимовой земли после празеодима как элемент — близнец празеодима.

Прометий (Pm) открыт в 1947 г. Назван в честь похитившего огонь с Олимпа и отдавшего его людям мифологического героя Прометея, сурово наказанного за это богами.

Самарий (Sm) открыт в 1879 г. Название элемента происходит от минерала самар- скита, названного именем русского горного инженера В. Е. Самарского.

Европий (Еu) открыт в 1901 г. Назван в честь Европейского континента.

Гадолиний (Gd) открыт в 1880 г. Назван в честь финского химика, члена-корреспондента Российской Академии наук Ю. Гадолина, открывшего иттриевую землю (породу с богатым содержанием редкоземельных элементов) и внесшего большой вклад в их изучение.

Тербий (Тb) и эрбий (Еr) открыты в 1843 г. Иттербий (Yb) открыт в 1878 г.

Указанные элементы впервые обнаружены в богатых редкоземельными элементами породах, залегающих вблизи местечка Иттербию (Швеция), из имени которого и образованы названия элементов.

Диспрозий (Dy) открыт в 1886 г. Название элемента происходит от греческого слова «диспрозитос» (труднодоступный). За сложности отделения от других редкоземельных элементов.

Гольмий (Но) открыт в 1879 г. шведским химиком П. Клеве и назван им в честь столицы Швеции — Стокгольма, латинское название которой — Гольмия.

Тулий (Тm) открыт в 1879 г. шведским химиком П. Клеве и назван им в честь занимаемой Швецией северной области Скандинавии, носившей в древние времена название Туле.

Лютеций (Lu) открыт в 1907 г. французским химиком Ж. Урбеном и назван им в честь столицы Франции — Парижа, латинское название которой — Лютеция.

Редкоземельные металлы делят на две группы: группу цериевых металлов и группу иттриевых металлов. В группу цериевых металлов входят лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, а в группу иттриевых металлов — все остальные редкоземельные металлы и иттрий. В иттриевой группе выделяют три подгруппы: тербиевую, включающую гадолиний, тербий, диспрозий; эрбиевую, состоящую из эрбия, гольмия и туллия, и иттербиевую, куда относят иттербий и лютеций

СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

Все редкоземельные металлы и их соединения отличаются большим сходством химических свойств, особенно их водные растворы и кристаллогидраты. Они легко образуют друг с другом твердые растворы. Редкоземельные металлы являются энергичными восстановителями, хотя в сухом воздухе они обладают лишь умеренной устойчивостью. При их атмосферном окислении образуются гидратированные окислы с большим объемным приростом, что приводит к разрушению защитной окисной пленки и обнажению металлической поверхности.

Редкоземельные элементы легко растворяются в разбавленных кислотах, но стойки по отношению к концентрированной серной кислоте. Они восстанавливают окись углерода, двуокись углерода, четыреххлористый углерод, окислы железа, кобальта, никеля, марганца, хрома, молибдена, ванадия, титана, тантала, кремния, бора, олова, ниобия, свинца и циркония.

Редкоземельные металлы легко загораются на воздухе при 150—180°С (лантан при 440—460°С). При температурах >200°С они энергично сгорают в атмосфере галогенов. При комнатной температуре водород поглощается редкоземельными металлами с выделением тепла. Гидриды большинства редкоземельных металлов имеют плотность, меньшую плотности соответствующих металлов. Однако насыщение водородом европия и иттербия сопровождается значительным сжатием и соответствующим увеличением плотности.

Окислы редкоземельных металлов являются тугоплавкими соединениями: температура их плавления колеблется от 2000 до 2600°С. Они, как правило, обладают очень высокой стойкостью в окислительной атмосфере. Сульфиды редкоземельных металлов являются тугоплавкими прочными соединениями, устойчивыми по отношению ко многим жидким металлам до 1800°С. На них не действуют водород, азот, газообразный аммиак и многие расплавленные хлориды.

При внесении растворимой соли лантаноида в раствор щелочи или гидрата окиси аммония образуются гидроокиси редкоземельных металлов. Они представляют собой студнеобразные аморфные плохо фильтрующиеся осадки. Гидрооокиси имеют ничтожную растворимость в воде, но легко растворяются в разведенных кислотах, а также в растворах многих солей. Их используют на некоторых этапах технологии разделения редкоземельных металлов.

Щавелевая кислота и ее соли образуют с ионами редкоземельных элементов оксалаты— труднорастворимые соединения, выпадающие из разведенных нейтральных или слабокислых горячих растворов в виде кристаллического осадка. Оксалатное осаждение является одним из эффективных способов отделения редкоземельных элементов от примесей.

При нейтрализации окиси, гидроокиси или карбоната фтористоводородной кислотой или действием ее растворимых солей на растворы нитратов или хлоридов лантаноидов образуются фториды редкоземельных металлов, представляющие собой студенистые осадки. После высушивания они имеют вид зернистой массы. Фториды употребляют в качестве материала при получении редкоземельных металлов металлотермическим способом, а также для сердечников углей вольтовой дуги в прожекторах.

Раскислением окиси (гидроокиси) редкоземельного металла в серной кислоте или обработкой растворов хлорида или нитрата их сульфатом щелочного металла получают сульфаты лантаноидов, имеющие различную растворимость в воде. Сульфаты редкоземельных элементов с избытком сульфата щелочного металла образуют двойные сульфаты, различающиеся по растворимости в насыщенном растворе последнего. Осадок двойных сульфатов, полученный из растворов с концентрацией редкоземельных элементов не более 15%, представляет собой кристаллическое вещество, легко фильтрующееся и промывающееся. Образование сульфатов и двойных сульфатов используют в технологии разделения редкоземельных элементов.

Комплексоны (группы а-аминополикарбоновых кислот) образуют с лантаноидами комплексные соединения — хелаты. Соединения хелатов с отдельными ионами редкоземельных элементов проявляют различную прочность, зависящую от концентрации водородных ионов. Прочность хелатных соединений ионов редкоземельных элементов при одной и той же концентрации водородных ионов увеличивается в ряду от лантана к лютецию. Комплексоны применяют в аналитической практике и в промышленных процессах разделения редкоземельных металлов.

Из числа редкоземельных металлов лантан, европий и лютеций диамагнитны, а остальные парамагнитны; у гадолиния при температуре ниже +16°С проявляется ферромагнетизм.

Редкоземельные металлы, как правило, мягки и ковки. Пластичность и твердость их в значительной степени зависят от содержания примесей. Повышенное содержание кислорода, серы, азота и углерода сильно изменяет механические свойства редкоземельных металлов, повышая твердость и снижая пластичность. Твердость их повышается с увеличением порядкового номера элемента. Исключением из этого правила является европий.

Физические и механические свойства редкоземельных металлов приведены в табл, 427.

Редкоземельные металлы чаще всего применяют в виде соединений и сплавов. Наиболее распространенным сплавом из редкоземельных металлов является мишметалл. Основными компонентами этого сплава являются церий, неодим и лантан. В зависимости от состава исходного сырья, из которого извлекают резкоземельные металлы и назначения сплава, состав мишметалла может существенно изменяться. В качестве обычного мишметалла в литературе приведены следующие составы сплава: 40—45% Се, 18% Nd, 5% Рг, 1 % Sm, 20—25% La и небольшое количество прочих редкоземельных металлов: 45% Се, 30% La, 20% Nd, 5% Y. Наряду с мишметаллом широко применяют техническую смесь окисей редкоземельных металлов, называемую церием.

В металлургии церий используют в виде сплава — ферроцера. При добавке церия к чугуну в количестве до 0,15% улучшаются физико-механические свойства чугуна и значительно увеличивается удаление из него серы и азота. Металлический церий добавляют в сплавы на основе алюминия или магния для уменьшения их хрупкости, увеличения коррозионной стойкости и повышения временного сопротивления. Добавка в состав нихрома до 1,2% Се увеличивает срок службы сплава, а добавка мишметалла повышает его жаропрочность. Введением небольших количеств мишметалла повышают обрабатываемость в горячем состоянии аустенитных нержавеющих сталей.

В стекольной промышленности лантан, церий, неодим, празеодим используют в виде окислов и различных соединений, повышающих прозрачность стекла или сообщающих ему специальные свойства: способность пропускать инфракрасные лучи и поглощать ультрафиолетовые лучи, кислото- и жаростойкость, особые оптические свойства, особый оттенок и т. д. Окись церия и некоторые специальные смеси редкоземельных металлов применяют для полирования линз оптических приборов и зеркального стекла.

Редкоземельные металлы употребляют для окраски фарфора, изготовления светящихся составов и драгоценных камней, для

утяжеления искусственного шелка, придания техническим тканям непромокаемости, прочности и стойкости против действия кислых растворов и паров. Их широко используют в качестве компонентов фитилей, угольных электродов, люминофоров в светотехнике — в мощных зенитных прожекторах, киносъемочных и кинопроекционных аппаратах, в телевидении, в цветной кинематографии.

В химической промышленности редкоземельные элементы применяют в производстве пигментов, лаков и красок, а в нефтяной

промышленности в каталитических процессах, в процессах окисления органических веществ.

В атомной технике редкоземельные металлы используют в качестве поглотителей нейтронов для органов регулирования ядерных реакторов. Для этих целей используют главным образом элементы с большим поперечным сечением захвата тепловых нейтронов (самарий, европий, гадолиний, диспрозий).

Радиоактивные изотопы редкоземельных металлов применяют для радиографии, гаммаграфии, в медицине, приборостроении — для миниатюрных атомных батарей, для просвечивания листовых материалов, изготовления портативных рентгеновских установок для технических целей и полевой хирургии. Сульфиды, фосфиды, селениды и теллуриды редкоземельных элементов используют в полупроводниковой технике.

Редкоземельные элементы применяют как газопоглотители (геттеры) в вакуумных лампах, а также в качестве покрытий катодов (эмиттеров), проволоки ламп накаливания. Способность некоторых соединений редкоземельных металлов (Gd₂(SO4)₃*8H2O) нагреваться в магнитном поле используют для получения сверхнизких температур, лишь на тысячные доли градуса отличающихся от температуры абсолютного нуля.

Редкоземельные металлы

Практическое использование РЗМ началось во второй половине XIX в. С 1885 г. соединения РЗМ применяли в производстве газокалильных сеток или колпачков для осветительных газовых и керосиновых фонарей. Сетки изготавливали из ThO₂ с добавкой 1 % оксида церия. Такая смесь позволяла достигать максимальной яркости белого свечения.

Длительное время производство гаэокалильных колпачков и кремней для зажигалок оставалось практически единственной сферой применения РЗМ. Бурный прогресс в этой области начался лишь во второй половине нашего столетия в связи с развитием аэрокосмической, электронной, нефтехимической, атомной и других отраслей промышленности.

Основную массу РЗМ используют в виде смешанных (природных) соединений в металлургической и нефтехимической отраслях промышленности, а также при производстве стекла и керамики. Потребление высокочистых индивидуальных РЗМ в денежном выражении достигает 30 %, хотя по весу не превышает 1 % от общего объема потребления РЗМ. В 80-х годах производство РЗМ в капиталистических странах находилось на уровне 27 тыс. τ . Структура потребления РЗМ в капиталистических странах в последние годы выгляди* следующим образом, %:

8 последние годы значительно расширяется применение индивидуальных РЗМ. Примером может служить использование неодима для легирования магниевых сплавов, иттрия и европия для производства красного люминофора для цветного телевидения, гадолиния для создания магнитных материалов с особой структурой, самария для получения сверхмощных постоянных магнитов и целый ряд других. Только в Японии в последние годы производство оксида иттрия возросло на 38 % и составило 90 т, в том числе: 60 в производстве кинескопов для цветного телевидения и люминесцентных ламп, 17—18 в производстве оптического стекла и 12—13 в производстве стабилизированного диоксида циркония.

Использование РЗМ в металлургии основано на их высоком химическом сродстве к кислороду, сере, азоту и водороду, примеси которых ухудшают свойства сталей, сплавов и цветных металлов. При взаимодействии РЗМ с этими элементами происходит очистка расплава за счет образования прочных тугоплавких соединений, что вызывает в свою очередь резкое повышение механических свойств легируемых металлов у сплавов. Теплоты образования оксидов РЗМ превышают 1000 кДж/моль а температуры плавления 2000 °С против 268 кДж/моль и 1614 °С у F« соответственно.

РЗМ образуют также тугоплавкие соединения с вредными примесям» и устраняют легкоплавкие эвтектические включения, вызывающие красноломкость (фосфор и мышьяк в стали, свинец, олово и висмут в медных сплавах). Температуры плавления мышьяка и эвтектических сплавов систем Fe-Pи P-Asне превышают 1080 °С, а соединения этих элементов с РЗМ плавятся при температурах, превышающих 2250 °С. То же можно сказать и о примесях, вызывающих красноломкость медных сплавов свинце, олове.и висмуте. Температуры плавления этих металлов и из эвтектических сплавов с медью ниже 450 °С. В то же время интерметаллические соединения РЗМ с висмутом, свинцом и оловом плавятся при температурах выше 1000 °С.

РЗМ обладают также модифицирующим действием. Измельчение кристаллов металла достигается при введении незначительных количеств P3М. Сюда же относится изменение формы графита из пластинчатой в шаровидную в высокопрочных чугунах.

Добавки лантаноидов улучшают структуру и свойства поверхностной оксидной пленки, способствуют повышению жаростойкости сплавов на основе железа, никеля и хрома, упрочняют сплавы за счет легирования твердого раствора или образования новых соединений.

Успешному применению РЗМ в металлургии способствуют также невысокое давление насыщенного пара при температуре плавления чугунов и сталей, высокие температуры кипения и плотность, близкая к плотности железа. Сочетание этих факторов позволяет вводить лантаноиды в различные тугоплавкие металлы значительно проще по сравнению с такими известными модификаторами, как кальций и магний.

Таким образом, РЗМ в настоящее время широко используют для получения высокопрочных чугунов, улучшения свойств низколегированных, коррозионностойких и других сортов сталей, увеличения жаропрочности магниевых и алюминиевых сплавов, а также для повышения свойств целого ряда других металлов и сплавов. По объему потребления РЗМ металлургия занимает ведущее место.

Огромное значение для современной техники имеет высокопрочный чугун, в котором содержащийся графит находится в шаровидной форме, в отличие от обычного чугуна, где графит присутствует в виде пластин. Более высокие механические свойства высокопрочного чугуна [229] делают возможной замену стальных деталей чугунными литыми. При этом значительно сокращаются трудовые затраты на механическую обработку, достигается экономия металла, особенно стального проката, снижается стоимость изделий. Для модифицирования чугуна в основном используют мишметалл или различные лигатуры на его основе.

Добавки РЗМ вызывают также повышение стойкости чугуна к коррозионно-эрозионному изнашиванию и трению скольжения. Так, введение РЗМ вызывает увеличение эрозионной стойкости хромистого чугуна до 0,67 против 0,16 у чугуна без добавок РЗМ (за единицу приведена стойкость стали 12X18Н9Т). Износостойкость модифицированного чугуна возрастает более чем в 50 раз.

В последние годы значительно возросло использование иттрия в качестве легирующего элемента [230]. Иттриевый чугун имеет лучшую жидкотекучесть, большую стойкость к истиранию, поскольку иттрий не только глобуляризует включения графита, но и упрочняет металлическую основу, однако его стоимость более высокая по сравнению с чугуном, модифицированным церием и магнием. Иттрием можно легировать в более широких пределах, чем церием, так как его добавки не вызывают отбеливание чугуна. Чугун с добавками иттрия сохраняет свои свойства при многократных переплавах. Высокие механические и литейные свойства иттриевого чугуна позволяют изготовлять из него наиболее ответственные детали — поршневые кольца и гильзы цилиндров для двигателей внутреннего сгорания, шарикообкатные диски для шарикоподшипников и т.д. В настоящее время налажен промышленный выпуск специального сорта иттриевого мишметалла.

Значительный рост потребления РЗМ в металлургии обусловлен внедрением в производство высокопрочных низколегированных сталей для автомобилестроения, а также для трубопроводов большого диаметра. Для этих целей разработана марка стали, содержащей 0,1 % Nbи 0,05 % РЗМ. Добавки РЗМ снижают порог хладноломкости этой стали на 25-30 °С.

Модифицирование редкоземельными металлами литых сталей оказывает значительное влияние на повышение механических свойств, особенно характеристик пластичности и вязкости, что делает возможным изготовление из них деталей, работающих в условиях больших нагрузок, низких температур и абразивного износа. Наиболее эффективным модификатором в этом случае является металлический иттрий.

Добавки РЗМ резко повышают коррозионную стойкость, пластичность, жаропрочность и жаростойкость коррозионностойких и жаропрочных деформируемых сталей. Например, модифицирование жаростойкой стали 0,05 % Υ ~на 40 % повышает стойкость контейнеров, работающих при 1150°С[232].

Широкое применение магниевых сплавов обусловлено рядом факторов, важнейшими из которых являются удачное сочетание ценных конструкционных и технологических свойств и значительные сырьевые ресурсы. В качестве основных легирующих добавок в магниевых сплавах нашли применение марганец, кремний, литий, цирконий и торий.

Использование РЗМ для легирования магния связано с созданием сплавов, характеризующихся высокими прочностными свойствами при повышенных температурах.

Первоначально для этих целей использовали мишметалл. Позднее были установлены различия во влиянии на механические свойства магния отдельных РЗМ, причем с увеличением порядкового номера РЗМ прочностные свойства повышаются. Это объясняется, по-видимому, тем, что с увеличением порядкового номера растворимость РЗМ (за исключением Еu и Yb) в твердом магнии возрастает, а соединения, находящиеся в равновесии с магниевым раствором, имеют более высокие температуры плавления [233].

В некоторых случаях РЗМ вводят в магниевые сплавы не только с целью повышения их прочности, но также для улучшения пластичности, литейных свойств, устойчивости против окисления на воздухе при нагревах и т.д.

Наиболее низкий уровень прочностных характеристик с учетом работы при повышенных температурах достигается в сплавах, содержащих мишметалл или церий и лантан. Однако эти сплавы являются наиболее дешевыми.

Более высокий уровень прочностных характеристик и более высокие рабочие температуры достигаются в сплавах, в которых основной легирующей добавкой является неодим. Основным достоинством магниевых сплавов, содержащих неодим, являются высокие прочностные свойства при 200-250 °С. В настоящее время в мировой практике используется большое количество деформируемых и литейных магниевых сплавов, содержащих РЗМ, в том числе иттрий, добавки которого позволяют получать сплавы, по своим характеристикам превосходящие свойства сплаbob, с использованием других элементов, в частности радиоактивного тория [224]. /

В последние годы разрабатываются магниевые сплавы, содержащие более тяжелые РЗМ, в первую очередь гадолиний и диспрозий, и имеющие еще более высокие механические свойства, особенно при температурах выше 300 °С.

Легирование РЗМ алюминиевых сплавов изучено значительно меньше, чем магниевых [225]. Наибольшее практическое значение для легирования литейных сплавов типа силумин приобрел церий. Добавки церия повышают жаропрочность и улучшают жидкотекучесть сплавов системы Al-Si. В этой связи во многих странах вновь обращено внимание на применение заэвтектических алюмокремниевых сплавов для производства блоков двигателей внутреннего сгорания методом литья под давлением. В этой области силумины могут конкурировать в стоимости и эффективности с ковкими чугунами. Установлено, что введение 1 % мишметалла в сплав AI— 22 % Siпозволяет получить размер зерна, как у сплава AI- 1 7 % Siбез добавки мишметалла. Силумины с добавками мишметалла имеют низкий коэффициент теплового расширения, хорошую износостойкость и удовлетворительную обрабатываемость.

В последнее время в различных странах разработаны так называемые цералюмины. Эти сплавы имеют хорошие свойства при повышенных температурах и исключительное сопротивление усталости. Добавки церия также значительно повышают прочность алюминия технической чистоты при сохранении высоких значений электропроводности. Коррозионная стойкость при этом также повышается.

Легирование РЗМ медных сплавов способствует повышению их жаропрочности при незначительном снижении электропроводности [ 226].

Добавки мишметалла в свинецсодержащие латуни и бронзы значительно повышают их механические свойства за счет образования тугоплавкого интерметаллического соединения. Добавки РЗМ и, в частности, иттрия значительно повышают устойчивость против окисления жаропрочных сплавов на основе хрома, кобальта и никеля. Примером этого класса сплавов является сплав MELCO-14, содержащий, %: Сг28,7, Ni10,7, W7,4, Та З,1, Mn0,3, Hf0,15, Υ0,18, С 0,40 остальное Со, в котором иттрий предотвращает образование окалины и способствует образованию плотной защитной оксидной пленки типа шпинели МnСr₃04, обладающей высокими адгезионными свойствами.

Применение мишметалла оказалось чрезвычайно эффективным в производстве сплавов с высоким омическим сопротивлением. Добавки до 0,05 % ММ в сплав Ni— 20 % Сr увеличивают срок его службы с 1 до 10 тыс. ч.

Легирование РЗМ сплавов на основе титана, циркония, гафния, ниобия и тантала также приводит к повышению свойств этих материалов. Так, добавки 1 % Laувеличивают пластичность титанового сплава при —196 °С на 100%.

Редкоземельные элементы

Редкоземельными металлами называют некоторую группу элементов, обладающих определёнными сходными свойствами. При нагревании они способны образовывать оксиды, которые не растворяются при соприкосновении с водой. На сегодняшний день насчитывается 17 данных элементов: лютеций, церий, иттрий, лантан и т.д.

Открытие 16 из них произошло к 1907 году, и чуть позже добавился последний - прометий, который был получен в 1945 году, хотя о его существовании говорили с 1907 года.

Техническая классификация редких металлов

Группа периодической системы	Элементы	Группа редких металлов
I	Литий, рубидий, цезий	Легкие
II	Бериллий	Легкие
IV	Титан, цирконий, гафний	Тугоплавкие
V	Ванадий, ниобий, тантал
VI	Молибден, вольфрам
III	Галлий, индий, таллий	рассеянные
IV	Германий
VI	Селен, теллур
VII	Рений
III	Скандий, иттрий, лантан и лантаниды	Редкоземельные
I	Франций	радиоактивные
II	Радий
VI	Актиний, торий, протактиний, уран, плутоний и др. трансурановые элементы
VII	Полоний, технеций

Использование редкоземельных металлов

Редкоземельные элементы (РЗЭ) представляют собой очень востребованную на сегодняшний день группу элементов. Их используют во многих областях, активно развивающихся в настоящее время.

Очень сложно переоценить значение данных веществ. Новые исследования позволяют предположить, что развитие технологий с применением РЗЭ позволять снизить или даже полностью ликвидировать энергетическую зависимость государств. На их основе разрабатываются технологии будущего в таких сферах как, здравоохранение, оборона, компьютерная промышленность и всевозможные гаджеты для связи. К тому же они позволяют применять «зеленые технологии» (электрические автомобили, очищение воды, солнечная энергия, катализаторы).

Сплав с использованием РЗЭ позволяет создавать несущие конструкции, которые можно использовать в самолетостроении, причем при производстве сверхзвуковых моделей. Данные элементы весьма востребованы в космической отрасли. Иллюминаторы, изготавливаемые при добавлении РЗЭ способны выдерживать просто невероятные механические нагрузки.

Отраслевое потребление редкоземельных металлов в мире

Продукция	2010 г.		2015 г.
тыс. т	$ млн.	тыс. т	$ млн.
Катализаторы	17,5	75	16,5	66
Полировальные средства	11,5	80	20,0	50
Стекло	14,0	70	12,5	47
Сплавы	12,5	75	12,5	63
Магниты	10,5	130	8,0	75
Люминофоры	6,0	300	4,5	158
Керамика	3,0	40	2,5	30

Запасы РЗЭ

Основными добытчиками РЗЭ являются США, Китай, Индия, Австралия и Россия. Причем около 85% приходится на Китай среди первой десятки лидеров. В основном благодаря крупному месторождению и тому, что снижены требования к экологической безопасности производства, а также самой дешевой рабочей силой.

Россия по запасам ценного ресурса расположилась на втором месте. Последние данные были получены в 1993 году. В основном разработка и оценка не производится из-за труднодоступности РЗЭ. Поэтому на сегодняшний день бесспорным лидером является Китай по запасам (~40%) и производству. Действительное количество запасов РЗЭ в России сложно оценить. По официальным данным это около 20% от общемирового запаса, но благодаря новым месторождениям, расположенным на Кольском полуострове и в Мурманской области, а также в Сибири, запасы могут оказаться действительно намного больше. На сегодняшний день разработка и добыча РЗЭ является основным из приоритетных направлений всех развитых стран.

Мировые запасы редкоземельных металлов

Страны

База запасов

Сложности производства

Стоит заметить, что название не отражает сути, и данные материалы нередко встречаются в природе. Основная проблема заключается в их добыче, так как их составляющая в рудах не предполагает выгодного извлечения для дальнейшего использования.

Кроме того, есть сложности при разделении этих элементов. Для того, чтобы осуществить разделение используются токсичные и дорогие вещества. К тому же сам цикл производства чистого вещества весьма значителен и многоэтапен. Как только будет разработан эффективный метод разделения РЗЭ его добыча, несомненно, значительно увеличится.

Причем РЗЭ разделены на две подгруппы - тяжёлые и легкие элементы. При этом наиболее труднодоступными являются как раз тяжелые РЗЭ. Они способны выдержать высокие температуры, и по этой причине очень востребованы в сфере современной энергетики. Развитие энергетики – основное перспективное направление, в котором используют редкоземельные элементы.

Редкоземельные элементы – основные производители

В настоящее время основным разработчиком, а также потребителем РЗЭ, является Китай. Около 95% РЗЭ добывается в этой стране. Данные элементы двигают технический прогресс вперед, и помогают создавать новые, более совершенные технические новинки, приносящие несомненную пользу человечеству.

Это позволяет Китаю регулировать цены на данное сырье, а также устанавливать квоты на потребление. Китай активно наращивает запас данного ресурса для своих собственных нужд.

Ранее США также весьма активно разрабатывали месторождения, но сейчас практически прекратили добычу. Элементы добываются открытым способом и наносят непоправимый ущерб почве и здоровью рабочих, именно по этой причине многие месторождения перестали разрабатываться.

На сегодняшний день Россия находится на втором месте как поставщик редкоземельных элементов.

Редкоземельные элементы сегодня

Редкоземельные металлы сегодня используются более широко, чем любые другие металлы. Прежде всего, это вызвано добавлением новых сфер производства, где их применение предпочтительнее. Например, в последнее время их используют для изготовления оптоволокна, аккумуляторов и топливных элементов. Их применение позволяет избежать излишнего загрязнения при производстве множества товаров в промышленных масштабах.

Из-за монополии Китая стоимость сырья возросла стремительно примерно в 20 раз. При этом Китай предпочитает добываемую продукцию использовать самостоятельно и продает уже дорогостоящий продукт с использованием редкоземельных элементов. При этом отпускаемое сырье резко ограничилось в объеме. Сложно переоценить столь востребованный ресурс на сегодняшний день. Единственным способом избежать зависимости от ресурсов Китая является собственная разработка месторождений.

Несмотря на то, что в 2016 году были отменены экспортные пошлины и сам объем добываемого сырья из Китая увеличился, стоимость редкоземельных элементов не снизилась, но еще и возросла. Такой эффект получился в результате того, что горнодобывающие компании снизили объем производства сырья и было принято решение об увеличении запасов самого Китая столь ценным ресурсом.

РЗЭ в России

В России было подписано распоряжение, в котором есть пункты о развитии промышленности РЗЭ в 2013 году и выделены средства из Федерального бюджета.

Государственная поддержка в данной отрасли является определяющим для развития данной отрасли, так как практически все приходится создавать с нуля и кроме иностранных инвесторов на данном этапе перспективным направлением вряд ли заинтересуются российские инвесторы.

Основными задачами данной программы является:

- разработка добычи концентратов РЗЭ, а также разделение на чистые элементы;

- исследования, позволяющие получать РЗЭ высокой очистки, а также их соединения;

- создание новых высокотехнологических материалов с применением РЗЭ и производство продукции нового поколения в таких сферах как: автомобильная промышленность, металлургия, магниты и т.д.

В итоге при выполнении программы в России должны создаваться производства, позволяющие получать сырье и производить готовый высокотехнологичный продукт. Данная промышленность в России находится в зачаточном состоянии и отставание в этой области от Китая составляет примерно 40 лет. Нет специалистов в данной области, отсутствуют предприятия и эффективная добыча сырья.

Очень тяжело наладить производство по причине малого использования в производстве РЗЭ, в том числе такая промышленность отрицательно влияет на экологию, так как соседствуют редкоземельные элементы в основном с такими радиоактивными элементами как уран и торий. Поэтому связываться со столь рискованным предприятием частный российский инвестор вряд ли будет. Именно по этой причине участие государства в разработках и финансировании очень важная составляющая успеха.

В России на сегодняшний день учтено 16 месторождений РЗЭ. Выдели основные перспективные:

- Томторское месторождение по своему содержанию элементов является уникальным, но пока всего лишь перспективным в связи отсутствием инфраструктуры в данном районе;

- Чуктуконское месторождение страдает тем же недостатком, что и томторское – слабой инфраструктурой и кроме того требует дополнительной разведки;

- Павловское месторождение в своем роде является уникальным источником РЗЭ, так как содержание радиоактивных элементов здесь минимально, что позволит обойтись без захоронений данных элементов.

Из фосфогипса посредством новой технологии получают гипс, который активно используется в строительстве. А концентраты редкоземельных элементов в свою очередь будут разделены и обогащены. На выходе получаем полноценный продукт, необходимый при производстве высокотехнологических товаров из сырья низкой стоимости, производим гипс и ликвидируем отходы. Производство по данной технологии уже запущено, и первые результаты появятся к концу 2016 года.

В ближайшем будущем данное открытие приведет Россию к полному обеспечению необходимым материалом, что позволит не закупать РЗЭ в Китае. Данное открытие повлияет на ценовую политику редкоземельных металлов. Переоценить значение уникальной разработки вряд ли возможно. В России необходимо развивать технологии использования ценного ресурса, иначе ставится под угрозу национальная безопасность государства.

Для того чтобы сократить возникающий дефицит редкоземельных элементов из-за ценовой политики основного поставщика сырья, а также снять ограничения по объемам поставки на внешний рынок, необходимо приступить к разработке месторождений в других странах, а также наладить повторное использование РЗЭ, что уже успешно выполняется во многих странах.

Сократить потребление столь ценного ресурса не получится в силу его использования во всех высокотехнологических производствах. И в дальнейшем спрос будет только расти, поэтому добычу РЗЭ стоит увеличить.

Ученные из США также ищут пути извлечения РЗЭ. Последняя разработка касается добычи металлов из угля. Благодаря использованию сульфата аммония удалось извлечь 89% из общего содержания в используемых образцах. Данный метод рассматривается для получения РЗЭ в промышленных масштабах в будущем.

Также ученные из Гарвардской школы обнаружили, что некоторые виды бактерий в сочетании с кислотными растворами способны вполне успешно разделять одни из самых тяжелых лантаноидов: иттербия, тулия и лютеция. К тому же данный способ не наносит вред экологии и является безопасным. В данный момент школа подала запрос на патент и изучается возможность коммерческого использования способа.

Согласно прогнозов потребление редкоземельных металлов будет только увеличиваться из года в год, поэтому открытия в данной области подстегнут экономическое развитие и помогут развить высокотехнологическую промышленность. При удешевлении процессов добычи и разделения РЗЭ государство увеличит свой потенциал на мировой рынке. Главное условие успеха не останавливаться на достигнутом, развивать не только добычу, но и использование в производстве. Редкоземельные металлы ценный стратегический ресурс на сегодняшний день.

Читайте также: