מתכות

REE - אלמנטים אדירים נדירים והשימושים שלהם



הביקוש לאלמנטים אדירים נדירים צמח במהירות, אך התרחשותם במצבים משומשים מוגבלת.


ייצור אלמנטים נדירים של כדור הארץ: תרשים זה מציג היסטוריה של ייצור אלמנטים נדירים של אדמה, בטונות מטרי של שווה תחמוצת אדמה נדירה, בין 1950 ל -2017. זה מראה בבירור את כניסתה של ארצות הברית לשוק באמצע שנות השישים כאשר הטלוויזיה הצבעונית התפוצצה מהביקוש. כשסין החלה למכור אדמות נדירות במחירים נמוכים מאוד בסוף שנות השמונים ותחילת שנות התשעים, מוקשים בארצות הברית נאלצו לסגור מכיוון שהם לא יכלו עוד להרוויח. כשסין צמצמה את היצוא בשנת 2010, מחירי האדמה הנדירים הרקיעו שחקים. זה הניע ייצור חדש בארצות הברית, אוסטרליה, רוסיה, תאילנד, מלזיה ומדינות אחרות. בשנת 2016 הפסיקה ייצור האדמה הנדיר בארצות הברית מכיוון שהמכרה היחיד שנותר הועמד על טיפול ותחזוקה.

טבלה תקופתית של REE: אלמנטים אדירים נדירים הם 15 האלמנטים של סדרת הלנטניד, בתוספת יטריום. הסקנדיום נמצא ברוב משקעי יסודות האדמה הנדירים ולעיתים הוא מסווג כאלמנט אדיר נדיר. תמונה מאת.

מהם יסודות אדמה נדירים (REE)?

יסודות אדמה נדירים הם קבוצה של שבע עשרה יסודות כימיים המופיעים יחד בטבלה המחזורית (ראו תמונה). הקבוצה מורכבת מאיטריום ו -15 יסודות הלנטניד (לנתן, סריום, פרזודימיום, ניאודימיום, פרומתיום, סמריום, אירופיום, גדוליניום, טרביום, דיספרוזיום, הולמיום, ארביום, תוליום, ytterbium ולוטטיום). הסקנדיום נמצא ברוב משקעי יסודות האדמה הנדירים ולעיתים הוא מסווג כאלמנט אדיר נדיר. האיחוד הבינלאומי לכימיה טהורה ויישומית כולל סקנדיום בהגדרת אלמנט האדמה הנדיר שלהם.

יסודות האדמה הנדירים הם כולם מתכות, ולעיתים קרובות מכנים את הקבוצה "מתכות האדמה הנדירות". למתכות אלה יש תכונות דומות רבות, וזה גורם לעתים קרובות להמצאותן יחד במצבים גיאולוגיים. הם מכונים גם "תחמוצות אדמה נדירות" מכיוון שרבים מהם נמכרים בדרך כלל כתרכובות תחמוצות.

שימושים באלמנטים אדירים נדירים: תרשים זה מציג את השימוש באלמנטים אדירים נדירים בארצות הברית במהלך 2017. כלי רכב רבים משתמשים בזרזים של אדמה נדירה במערכות הפליטה שלהם לבקרת זיהום אוויר. מספר גדול של סגסוגות נעשים עמידים יותר על ידי הוספת מתכות אדמה נדירות. זכוכית, גרניט, שיש ואבני חן מלוטשות לרוב באבקת תחמוצת cerium. מנועים וגנרטורים רבים מכילים מגנטים המיוצרים עם אלמנטים אדירים נדירים. זרחן המשמש בתצוגה דיגיטלית, צגים וטלוויזיות נוצר עם תחמוצות אדמה נדירות. רוב סוללות המחשב, הטלפון הנייד והרכב החשמלי מיוצרים מתכות אדמה נדירות.

שימושים באלמנטים אדירים נדירים

מתכות אדמה נדירות וסגסוגות המכילות אותם משמשים במכשירים רבים שאנשים משתמשים בהם מדי יום כגון זיכרון מחשב, DVD, סוללות נטענות, טלפונים סלולריים, ממירים קטליטים, מגנטים, תאורה ניאון ועוד ועוד.

בעשרים השנים האחרונות אירע פיצוץ בביקוש לפריטים רבים הדורשים מתכות אדמה נדירות. לפני 20 שנה היו מעט מאוד טלפונים סלולריים בשימוש, אך המספר עלה למעל 7 מיליארד בשימוש כיום. השימוש באלמנטים אדירים נדירים במחשבים צמח כמעט באותה מהירות כמו טלפונים סלולריים.

סוללות נטענות רבות מיוצרות עם תרכובות אדמה נדירות. הביקוש לסוללות מונע על ידי הביקוש למכשירים אלקטרוניים ניידים כמו טלפונים סלולריים, קוראים, מחשבים ניידים ומצלמות.

השימוש בארצות הברית באלמנטים נדירים של כדור הארץ

זרזים כימיים55%
קרמיקה ועשיית זכוכית15%
מטלורגיה וסגסוגות10%
ליטוש זכוכית5%
אחר15%
(נתוני 2017 מ- USGS)

כמה קילוגרמים של תרכובות אדמה נדירות נמצאים בסוללות המפעילות כל רכב חשמלי ורכב היברידי-חשמלי. כאשר חששות לעצמאות אנרגיה, שינויי אקלים ונושאים אחרים מניעים מכירת כלי רכב חשמליים והיברידיים, הביקוש לסוללות המיוצרות עם תרכובות אדמה נדירות יטפס עוד יותר מהר.

אדמות נדירות משמשות כזרזים, זרחן ותרכובות ליטוש. אלה משמשים לבקרת זיהום אוויר, מסכים מוארים במכשירים אלקטרוניים והברקת זכוכית באיכות אופטית. כל המוצרים הללו צפויים לחוות ביקוש גובר.

ניתן להחליף חומרים אחרים עבור יסודות אדירים נדירים בשימושים החשובים ביותר שלהם; עם זאת, תחליפים אלה בדרך כלל פחות יעילים ויקרים.

משנות החמישים ועד ראשית שנות האלפיים היה תחמוצת cerium פולנית מאוד פופולרית. זה היה לא יקר ויעיל מאוד. עליות המחירים האחרונות כמעט וחיסלו את השימוש בתחמוצת הטריום בסלע המתגלגל ובאמנויות הזוויות. כיום משתמשים במקומו סוגים אחרים של לק, כמו אלומיניום ותחמוצת טיטניום.

שימושים בהגנה על אלמנטים אדירים נדירים

לאנטנוםאמצעי ראיית לילה
ניאודימיוםמדדי טווח לייזר, מערכות הדרכה, תקשורת
אירופיוםפלואורסצנטים וזרחן במנורות ובמוניטורים
ארביוםמגברים בהעברת נתונים סיבים אופטיים
סמריוםמגנטים קבועים יציבים בטמפרטורות גבוהות
סמריוםכלי נשק מונחים מדויקים
סמריוםייצור "רעש לבן" בטכנולוגיית התגנבות

שימושים בהגנה קריטית

אלמנטים אדירים נדירים ממלאים תפקיד חיוני בהגנה הלאומית שלנו. הצבא משתמש במשקפי ראיית לילה, כלי נשק מונחים מדויקים, ציוד תקשורת, ציוד GPS, סוללות ומוצרי אלקטרוניקה הגנתיים אחרים. אלה מעניקים לצבא ארצות הברית יתרון עצום. מתכות אדמה נדירות הינן מרכיבים עיקריים לייצור הסגסוגות הקשות ביותר המשמשות בכלי רכב משוריינים וקליעים המתנפצים לאחר ההשפעה.

ניתן להשתמש בתחליפים לאלמנטים נדירים של אדמה ביישומי הגנה מסוימים; עם זאת, בדרך כלל תחליפים אלה אינם יעילים באותה מידה וזה מצמצם את העליונות הצבאית. בטבלה 5 המצורפת מסוכמים מספר שימושים באלמנטים אדירים נדירים.

האם ידעת? מרבית הסקנדיום המשמש בארצות הברית נכנס לעטלפי בייסבול מסגסוגת אלומיניום וציוד ספורט אחר 3. סקנדיום משמש גם במוליכים למחצה ותאורה מיוחדת.

האם המרכיבים הללו באמת "נדירים"?

יסודות אדמה נדירים אינם "נדירים" כפי שמשתמע משמם. תוליום ולוטציום הם שני יסודות האדמה הנדירים ביותר בשפע - אך לכל אחד מהם יש שפע קרום ממוצע שגדול כמעט פי 200 מהשפע הקרוסטלי של זהב 1. עם זאת, מתכות אלה קשות מאוד לשלישי מכיוון שלא יוצא דופן למצוא אותן בריכוזים גבוהים מספיק לצורך מיצוי חסכוני.

האלמנטים השכיחים ביותר בכדור הארץ הנדירים הם cerium, yttrium, lanthanum ו- neodymium 2. יש להם שפע קרום ממוצע הדומה למתכות תעשייתיות נפוצות כמו כרום, ניקל, אבץ, מוליבדן, פח, טונגסטן ועופרת 1. שוב, הם לעתים נדירות נמצאים בריכוזים הניתנים לחילוץ.

האם ידעת? מגנטים אדומים נדירים משמשים בטורבינות רוח. כמה טורבינות גדולות דורשות שני טונות של מגנטים אדירים נדירים. מגנטים אלה חזקים מאוד והופכים את הטורבינות ליעילות ביותר. מגנטים אדומים נדירים משמשים בטורבינות וגנרטורים ביישומי אנרגיה חלופיים רבים.

האם ידעת? המחירים והביקוש לחומרים אדירים נדירים עלו באופן דרמטי בעשור האחרון. סין מייצרת כ 90% מההיצע. הפיקדונות באוסטרליה ובארצות הברית חוזרים לפעולה, והחקירה בתחומים רבים חדשים מתקדמת.

אלמנטים אדירים נדירים וכבדים: יסודות האדמה הנדירים מחולקים לרוב ל"ארץ נדירה כבדה "ו"ארץ נדיר קל". Lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, promethium, and samarium הם "האדמות הנדירות האור". יטריום, אירופיום, גדוליניום, טרביום, דיספרוזיום, הולמיום, ארביום, תוליום, ytterbium ולוטטיום הם "האדמות הנדירות והכבדות". למרות שהאיטריום קל יותר מיסודות האדמה הנדירים הקלים, הוא נכלל בקבוצת כדור הארץ הנדיר הכבד בגלל קשריו הכימיים והפיזיים עם אדמות נדירות כבדות במצבים טבעיים.

האם ידעת? לכל רכב היברידי-חשמלי וחשמלי יש סוללה גדולה. כל סוללה מיוצרת באמצעות כמה קילוגרמים של תרכובות אדמה נדירות. השימוש בכלי רכב חשמליים צפוי לעלות במהירות, מונע על ידי עצמאות אנרגטית, שינויי אקלים ודאגות אחרות. זה יגדיל את הביקוש לחומרים אדירים נדירים.

האם ידעת? ברוב המכשירים האלקטרוניים הקטנים משתמשים בכמויות זעירות של מתכות אדמה נדירות. מכשירים אלה בעלי אורך חיים קצר ומיחזור REE מתבצע לעיתים רחוקות. מיליארדים נזרקים מדי שנה.

ייצור מכורים עולמיים ועתודות(הערכות 2017)

מדינההפקה
(טון מטרי)
עתודות
(טון מטרי)
ארצות הברית--1,400,000
אוסטרליה20,0003,400,000
ברזיל2,00022,000,000
קנדה--830,000
סין105,00044,000,000
גרינלנד--1,500,000
הודו1,5006,900,000
מלאווי--140,000
מלזיה30030,000
רוסיה3,00018,000,000
דרום אפריקה--860,000
תאילנד1,600לא זמין
וייטנאם10022,000,000
סה"כ עולמי (מעוגל)130,000120,000,000

היסטוריה של ייצור וסחר נדירים של כדור הארץ

לפני 1965

לפני 1965 היה ביקוש מועט יחסית לאלמנטים אדירים נדירים. באותה תקופה, רוב האספקה ​​בעולם הופקה מפיקדונות במקום בהודו ובברזיל. בשנות החמישים הפכה דרום אפריקה ליצרנית המובילה מכדור הארץ הנדיר הנושא מרבצי מונאזיט. באותה תקופה ייצר מכרה ההר של ההר בקליפורניה כמויות קטנות של תחמוצות אדמה נדירות מקרבונאט פרמקברי.

טלוויזיה צבעונית מצית את הביקוש

הביקוש לאלמנטים אדירים נדירים ראה את ההתפוצצות הראשונה שלה באמצע שנות השישים, כאשר מכשירי הטלוויזיה הצבעוניים הראשונים נכנסו לשוק. האירופיום היה החומר החיוני לייצור תמונות הצבע. מכרה מעבר ההרים החל לייצר אירופיום מבסטנסייט, שהכיל כ- 0.1% אירופיום. מאמץ זה הפך את מכרה ההרים לפארק האדום הנדיר הגדול ביותר בעולם והציב את ארצות הברית כמפיק המוביל.

סין נכנסת לשוק

סין החלה לייצר כמויות ניכרות של תחמוצות אדירות נדירות בתחילת שנות השמונים והפכה ליצרנית המובילה בעולם בתחילת שנות ה -90. במהלך שנות התשעים ותחילת שנות האלפיים, סין חיזקה בהתמדה את אחיזתה בשוק תחמוצות האדמה הנדירות בעולם. הם מכרו אדמות נדירות במחירים כה נמוכים עד שמכרה מעבר ההרים ורבים אחרים ברחבי העולם לא הצליחו להתחרות והפסיקו את הפעילות.

דרישת ביטחון ואלקטרוניקה

במקביל, הביקוש העולמי הרקיע שחקים שכן מתכות אדמה נדירות תוכננו למגוון רחב של מוצרי הגנה, תעופה, תעשייה ואלקטרוניקה צרכנית. סין ניצלה את מעמדה הדומיננטי והחלה להגביל את היצוא ולאפשר למחירי תחמוצות האדמה הנדירות לעלות לרמות היסטוריות.

סין כצרכן האדמה הנדיר ביותר

בנוסף להיותו היצרן הגדול בעולם של חומרים אדירים נדירים, סין היא גם הצרכן הדומיננטי. הם משתמשים בכדור הארץ הנדיר בעיקר בייצור מוצרי אלקטרוניקה לשוק מקומי ויצוא. יפן וארצות הברית הם הצרכנים השנייה והשלישית בגודלה של חומרים אדירים נדירים. יתכן שהרתיעה של סין ממכירת אדמות נדירות מהווה הגנה על ענף הייצור המוסף שלהם.

השיא של סין בדומיננטיות הייצור?

הדומיננטיות הסינית אולי הגיעה לשיא בשנת 2010 כששלטו בכ- 95% מייצור האדמה הנדיר בעולם, ומחירי תחמוצות האדמה הנדירות הרבות עלו מעל 500% תוך מספר שנים בלבד. זו הייתה ההתעוררות עבור צרכני הארץ וכורים נדירים ברחבי העולם. חברות הכרייה בארצות הברית, אוסטרליה, קנדה ומדינות אחרות החלו להעריך מחדש את סיכויי האדמה הנדירים הישנים ולחקור אחר חדשים.

מחירים גבוהים גרמו גם ליצרנים לעשות שלושה דברים: 1) לחפש דרכים להפחית את כמות יסודות האדמה הנדירים הדרושים לייצור כל אחד מהמוצרים שלהם; 2) לחפש חומרים חלופיים לשימוש במקום של יסודות אדירים נדירים; וכן, 3) לפתח מוצרים אלטרנטיביים שאינם דורשים יסודות אדירים נדירים.

מאמץ זה הביא לירידה בכמויות חומרי האדמה הנדירים המשמשים בסוגים מסוימים של מגנטים, ובמעבר ממוצרי תאורה נדירים לטכנולוגיית דיודה פולטת אור. בארצות הברית הצריכה הממוצעת של אדמות נדירות ליחידת מוצר מיוצר פחתה, אך הביקוש למוצרים נוספים המיוצרים עם אלמנטים אדירים נדירים עלה. התוצאה הייתה צריכה גבוהה יותר.

סין קונה משאבים מחוץ לסין

חברות סיניות רוכשות משאבי אדמה נדירים במדינות אחרות. בשנת 2009 רכשה חברת כריית מתכות ללא-ברזליות סין את חלקה הגדול ביותר בתאגיד Lynas, חברה אוסטרלית שיש לה את התפוקה הגבוהה ביותר של אלמנטים אדירים נדירים מחוץ לסין. הם גם רכשו את מכרה בלובה בזמביה.

ייצור נדיר של כדור הארץ מחוץ לסין

מכרות באוסטרליה החלו לייצר תחמוצות אדירות נדירות בשנת 2011. בשנים 2012 ו -2013 הם סיפקו כ -2% עד 3% מהייצור העולמי. בשנת 2012 מכרה מעבר ההרים חזר לייצור, וארצות הברית ייצרה כ -4% מיסודות האדמה הנדירים בעולם בשנת 2013. הייצור בברזיל, מלזיה, רוסיה, תאילנד וויאטנאם המשיך או עלה.

הערכות משאבי מינרלים חדשים שנערכו על ידי הסקר הגיאולוגי של ארצות הברית זיהו משאבים משמעותיים מחוץ לסין. למרות שסין היא המובילה בעולם בייצור כדור הארץ הנדיר, הם רק שולטים בכ- 36% מהמאגרים בעולם. זה נותן הזדמנות למדינות אחרות להפוך ליצרנים חשובים עכשיו כשסין לא מוכרת חומרים אדירים נדירים מתחת למחיר הייצור.

תרשים ייצור REE: תרשים זה מראה את הדומיננטיות של סין בייצור אלמנטים אדירים נדירים בין השנים 1994-2017. ארצות הברית הייתה יצרנית משמעותית בשנות התשעים, אך חומרים במחיר נמוך שנמכרו על ידי סין הכריחו מוקשים בארצות הברית ובמדינות אחרות שלא היו פועלים. מכיוון שסין הגבילה את היצוא, והמחירים עלו במהירות בשנים 2009 ו -2010, מוקשים באוסטרליה ובארצות הברית הפכו לפעילים שוב. תרשים באמצעות נתונים מהסקר הגיאולוגי של ארצות הברית.

הסכנות של מפיק עולמי דומיננטי

היצע וביקוש קובעים בדרך כלל את מחיר השוק של סחורה. ככל שהאספקה ​​מתכווצת, המחירים עולים. ככל שהמחירים עולים יותר, אלה ששולטים על היצע מתפתים למכור. חברות הכרייה רואות במחירים גבוהים הזדמנות ומנסות לפתח מקורות אספקה ​​חדשים.

עם אלמנטים אדירים נדירים, הזמן שבין החלטת חברת הכרייה לרכוש נכס לתחילת הייצור יכול להיות מספר שנים או יותר. אין דרך מהירה לפתוח נכס כרייה חדש.

אם מדינה יחידה שולטת כמעט בכל הייצור ומקבלת החלטה נחרצת לא לייצא, אז ניתן יהיה לנתק במהירות את כל היצע הסחורה. זהו מצב מסוכן כאשר מקורות אספקה ​​חדשים לוקח כל כך הרבה זמן להתפתח.

בשנת 2010 סין הגבילה משמעותית את יצוא האדמה הנדירה שלהם. הדבר נעשה כדי להבטיח אספקה ​​של אדמות נדירות לייצור ביתי ומסיבות סביבתיות. שינוי זה של סין עורר קניית פאניקה, וכמה מחירי כדור הארץ הנדירים עלו באופן אקספוננציאלי. בנוסף, יפן, ארצות הברית והאיחוד האירופי התלוננו בפני ארגון הסחר העולמי על מדיניות הסחר הנדירה המגבילה של סין.

תחמוצות אדמה נדירות: תחמוצות האדמה הנדירות הללו משמשות כעקבות כדי לקבוע אילו חלקים מפרשת מים נשחקים 4. עם כיוון השעון מהמרכז העליון: פרזאודימיום, סריום, לנטאום, ניאודימיום, סמריום וגדוליניום. תמונה מאת פגי גרי, גלריית התמונות של USDA.

משאבים מינרליים אדירים נדירים בעולם

"אדמות נדירות נמצאות יחסית בשפע בקרום כדור הארץ, אך ריכוזי הניתנים לטיפול הם פחות שכיחים מאשר לרוב עפרות אחרות. משאבים אמריקאים ועולמיים נמצאים בעיקר בבסטנאסיט ובמונאזיט. משקעי Bastnäsite בסין ובארה"ב מהווים את האחוז הגדול ביותר של המשאבים הכלכליים הנדירים בעולם כולו, ואילו פיקדונות מונאזיטים באוסטרליה, ברזיל, סין, הודו, מלזיה, דרום אפריקה, סרי לנקה, תאילנד וארצות הברית מהווים את המגזר השני בגודלו.

אפטיט, כירליט, אודיאליט, לופריט, זרחן, חרסות נושאות אדמה נדירה (ספיחה של יונים), מונאזיט משני, פתרונות אורניום מבוזבזים וקסנוטימה מהווים את מרבית המשאבים שנותרו. נחשב שמשאבים שטרם נחשפו גדולים מאוד ביחס לביקוש הצפוי. "ציטט מתוך סיכום הסחורות המינרליות של הסקר הגיאולוגי של ארצות הברית 2.

הפניות אלמנטים נדירים של כדור הארץ
1 אלמנטים אדירים נדירים - משאבים קריטיים לטכנולוגיה גבוהה: סקר גיאולוגי של ארצות הברית, גיליון עובדות 087-02.
2 אדמות נדירות: ג'וזף גמבוגי, הסקר הגיאולוגי של ארצות הברית, סיכומי מצרכים מינרלים, 2017.
3 אדמות נדירות: ג'וזף גמבוגי, הסקר הגיאולוגי של ארצות הברית, ספר השנה למינרלים 2011.
4 גישה אדירה נדירה להתחקות אחר שחיקת אדמה: משרד החקלאות של ארצות הברית, שירות המחקר החקלאי.
5 האס הסיני בחור: אלמנטים אדירים נדירים: סינדי א. הרסט, הוצאת אוניברסיטת ההגנה הלאומית.
6 הגיאולוגיה של אלמנטים אדירים נדירים: הרפובליקה של "הפיקדונות העיקריים של יסודות האדמה העיקריים של ארצות הברית - סיכום הפיקדונות המקומיים ונקודת מבט עולמית."
7 אלמנטים אדירים נדירים וביטחון לאומי: דו"ח אנרגיה של המועצה ליחסי חוץ, 2014.

נדיר Earth Element Outlook

הביקוש העולמי למכוניות, מוצרי אלקטרוניקה, תאורה חסכונית באנרגיה וזרזים צפוי לעלות במהירות בעשור הקרוב. הביקוש למגנט אדמה נדיר צפוי לגדול, כמו גם הביקוש לסוללות נטענות. התפתחויות חדשות בתחום הטכנולוגיה הרפואית צפויות להגדיל את השימוש בלייזרים כירורגיים, דימות תהודה מגנטית וגלישות צמצום טומוגרפיה פליטת פוזיטרון.

יסודות אדמה נדירים משמשים בכבדות בכל הענפים הללו, ולכן הביקוש אליהם צריך להישאר גבוה.