Kovy

REE - Vzácné prvky Země a jejich použití



Poptávka po prvcích vzácných zemin rychle rostla, ale jejich výskyt v těžitelných ložiscích je omezený.


Výroba prvků vzácných zemin: Tento graf ukazuje historii výroby prvků vzácných zemin, v metrických tunách ekvivalentu oxidu vzácných zemin, mezi lety 1950 a 2017. Jasně ukazuje vstup Spojených států na trh v polovině šedesátých let, kdy poptávka po barevné televizi explodovala. Když na konci osmdesátých a začátkem devadesátých let začala Čína prodávat vzácné zeminy za velmi nízké ceny, doly ve Spojených státech byly nuceny uzavřít se, protože už nemohly vydělat. Když Čína v roce 2010 snížila vývoz, prudce stouply ceny vzácných zemin. To motivovalo novou produkci ve Spojených státech, Austrálii, Rusku, Thajsku, Malajsii a dalších zemích. V roce 2016 se výroba vzácných zemin ve Spojených státech zastavila, protože jediný zbývající důl byl položen na péči a údržbu.

Periodická tabulka REE: Prvky vzácné Země jsou patnáct prvků lanthanidu plus ytrium. Skandium se nachází ve většině ložisek prvků vzácných zemin a je někdy klasifikováno jako prvek vzácných zemin. Obrázek od.

Co jsou prvky vzácných zemin (REE)?

Prvky vzácných zemin jsou skupinou sedmnácti chemických prvků, které se vyskytují společně v periodické tabulce (viz obrázek). Tato skupina se skládá z yttria a 15 lanthanidových prvků (lanthanum, cer, praseodym, neodym, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium a lutetium). Skandium se nachází ve většině ložisek prvků vzácných zemin a je někdy klasifikováno jako prvek vzácných zemin. Mezinárodní unie čisté a aplikované chemie zahrnuje skandium v ​​definici prvků vzácných zemin.

Prvky vzácných zemin jsou všechny kovy a skupina je často označována jako „kovy vzácných zemin“. Tyto kovy mají mnoho podobných vlastností a to často způsobuje, že se nacházejí společně v geologických ložiscích. Jsou také označovány jako "oxidy vzácných zemin", protože mnoho z nich se obvykle prodává jako oxidové sloučeniny.

Použití prvků vzácných zemin: Tento graf ukazuje použití prvků vzácných zemin ve Spojených státech během roku 2017. Mnoho vozidel používá katalyzátory vzácných zemin ve svých výfukových systémech pro kontrolu znečištění ovzduší. Velké množství slitin je vyrobeno odolnější přidáním kovů vzácných zemin. Sklo, žula, mramor a drahé kameny se často leští práškovým oxidem ceru. Mnoho motorů a generátorů obsahuje magnety vyrobené z prvků vzácných zemin. Fosfory používané v digitálních displejích, monitorech a televizích jsou vytvářeny s oxidy vzácných zemin. Většina baterií pro počítače, mobilní telefony a elektrické automobily se vyrábí z kovů vzácných zemin.

Použití prvků vzácných zemin

Kovy a slitiny vzácných zemin, které je obsahují, se používají v mnoha zařízeních, která lidé používají každý den, jako je počítačová paměť, DVD, dobíjecí baterie, mobilní telefony, katalyzátory, magnety, zářivky a mnoho dalšího.

Během posledních dvaceti let došlo k výbuchu poptávky po mnoha položkách, které vyžadují kovy vzácných zemin. Před dvaceti lety bylo používáno velmi málo mobilních telefonů, ale jejich počet se dnes zvýšil na více než 7 miliard. Použití prvků vzácných zemin v počítačích rostlo téměř stejně rychle jako mobilní telefony.

Mnoho dobíjecích baterií je vyrobeno ze sloučenin vzácných zemin. Poptávka po bateriích je poháněna poptávkou po přenosných elektronických zařízeních, jako jsou mobilní telefony, čtečky, přenosné počítače a fotoaparáty.

Spojené státy americké použití vzácných prvků Země

Chemické katalyzátory55%
Keramika a výroba skla15%
Metalurgie a slitiny10%
Leštění skla5%
jiný15%
(Údaje z roku 2017 z USGS)

Několik kilo sloučenin vzácných zemin je v bateriích, které pohání každé elektrické vozidlo a hybridní elektrické vozidlo. Jelikož obavy o energetickou nezávislost, změnu klimatu a další problémy vedou k prodeji elektrických a hybridních vozidel, bude poptávka po bateriích vyrobených ze sloučenin vzácných zemin stoupat ještě rychleji.

Vzácné zeminy se používají jako katalyzátory, fosfory a leštící sloučeniny. Používají se k regulaci znečištění ovzduší, osvětlených obrazovek na elektronických zařízeních a leštění skla v optické kvalitě. Očekává se, že všechny tyto produkty zažijí rostoucí poptávku.

Jiné látky mohou být nahrazeny prvky vzácných zemin při jejich nejdůležitějších použitích; tyto náhrady jsou však obvykle méně účinné a nákladné.

Oxid ceričitý byl od padesátých let až do počátku dvacátých let velmi populární lapidární lak. Bylo to levné a velmi efektivní. Nedávné zvýšení cen téměř vyloučilo použití oxidu ceričitého v kamenech a lapidáriu. Namísto toho se nyní používají jiné typy leštění, jako je hliník a oxid titaničitý.

Obranné použití prvků vzácných zemin

Lanthanumbrýle na noční vidění
Neodymlaserové dálkoměry, naváděcí systémy, komunikace
Europiumzářivky a fosfory v lampách a monitorech
Erbiumzesilovače v přenosu dat z optických vláken
Samariumpermanentní magnety, které jsou stabilní při vysokých teplotách
Samariumpřesné zbraně
Samariumvýroba „bílého šumu“ ve stealth technologii

Použití kritické obrany

Prvky vzácných zemin hrají zásadní roli v naší národní obraně. Armáda používá brýle pro noční vidění, přesně naváděné zbraně, komunikační zařízení, vybavení GPS, baterie a další obrannou elektroniku. Tito dávají armádě Spojených států obrovskou výhodu. Kovy vzácných zemin jsou klíčovými přísadami pro výrobu velmi tvrdých slitin používaných v obrněných vozidlech a projektilech, které se při nárazu rozbijí.

Náhradníky mohou být použity pro prvky vzácných zemin v některých obranných aplikacích; tyto náhražky však obvykle nejsou tak účinné a to snižuje vojenskou nadřazenost. Několik použití prvků vzácných zemin je shrnuto v připojené tabulce 5.

Věděl jsi? Většina skandia používaného ve Spojených státech jde na baseballové pálky a jiné sportovní vybavení z hliníkové slitiny 3. Skandium se také používá v polovodičích a speciálním osvětlení.

Jsou tyto prvky opravdu „vzácné“?

Prvky vzácných zemin nejsou tak „vzácné“, jak naznačuje jejich název. Thulium a lutetium jsou dva nejméně hojné prvky vzácných zemin - ale každý z nich má průměrnou hojnost kůry, která je téměř 200krát větší než hojnost zlata 1. Tyto kovy je však těžko těžitelné, protože je neobvyklé je najít v koncentracích dostatečně vysokých pro ekonomickou extrakci.

Nejhojnějšími prvky vzácných zemin jsou cer, yttrium, lanthan a neodymium 2. Mají průměrné množství krust, které jsou podobné běžně používaným průmyslovým kovům, jako je chrom, nikl, zinek, molybden, cín, wolfram a olovo 1. Opět platí, že se zřídkakdy vyskytují v extrahovatelných koncentracích.

Věděl jsi? Magnety vzácných zemin se používají ve větrných turbínách. Některé velké turbíny vyžadují dva tuny magnetů vzácných zemin. Tyto magnety jsou velmi silné a činí turbíny vysoce efektivní. Magnety vzácných zemin se používají v turbínách a generátorech v mnoha alternativních energetických aplikacích.

Věděl jsi? Ceny a poptávka po materiálech vzácných zemin se v posledním desetiletí dramaticky zvýšila. Čína produkuje asi 90% nabídky. Vklady v Austrálii a Spojených státech se vracejí do provozu a průzkum v mnoha nových oblastech pokračuje.

Těžké a lehké prvky vzácných zemin: Prvky vzácných zemin jsou často rozděleny do „těžkých vzácných zemin“ a „lehkých vzácných zemin“. Lanthanum, cer, praseodym, neodym, promethium a samarium jsou „lehkými vzácnými zeminami“. Yttrium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium a lutetium jsou „těžké vzácné zeminy“. Ačkoli yttrium je lehčí než lehké prvky vzácných zemin, je zahrnuto do skupiny těžkých vzácných zemin kvůli svým chemickým a fyzikálním souvislostem s těžkými vzácnými zeminami v přírodních ložiscích.

Věděl jsi? Každé hybridní elektrické a elektrické vozidlo má velkou baterii. Každá baterie je vyrobena pomocí několika kilo sloučenin vzácných zemin. Očekává se, že používání elektrických vozidel se bude rychle zvyšovat díky energetické nezávislosti, změně klimatu a dalším obavám. Tím se zvýší poptávka po materiálech vzácných zemin.

Věděl jsi? Ve většině malých elektronických zařízení se používá malé množství kovů vzácných zemin. Tato zařízení mají krátkou životnost a recyklace REE se občas provádí. Každý rok jsou odhazovány miliardy.

Světová těžba a zásoby(Odhady za rok 2017)

ZeměVýroba
(Metrické tuny)
Rezervy
(Metrické tuny)
Spojené státy--1,400,000
Austrálie20,0003,400,000
Brazílie2,00022,000,000
Kanada--830,000
Čína105,00044,000,000
Grónsko--1,500,000
Indie1,5006,900,000
Malawi--140,000
Malajsie30030,000
Rusko3,00018,000,000
Jižní Afrika--860,000
Thajsko1,600není dostupný
Vietnam10022,000,000
Svět celkem (zaokrouhlený)130,000120,000,000

Historie výroby a obchodu vzácných zemin

Před rokem 1965

Před rokem 1965 existovala relativně malá poptávka po prvcích vzácných zemin. V té době se většina světové nabídky vyráběla z placerových vkladů v Indii a Brazílii. V padesátých letech se Jižní Afrika stala předním producentem monazitových ložisek vzácných zemin. V té době horský horský důl v Kalifornii produkoval menší množství oxidů vzácných zemin z prekambrického karbonátu.

Barevná televize zapálí poptávku

Poptávka po prvcích vzácných zemin zaznamenala první explozi v polovině šedesátých let, kdy na trh vstupovaly první barevné televizory. Europium bylo základním materiálem pro výrobu barevných obrázků. Důl Mountain Pass začal vyrábět europium z bastnasitu, které obsahovalo asi 0,1% europia. Díky tomuto úsilí se horský průsmyk Mine stal největším producentem vzácných zemin na světě a zařadil USA mezi přední výrobce.

Čína vstupuje na trh

Čína začala vyrábět pozoruhodná množství oxidů vzácných zemin na počátku 80. let a na počátku 90. let se stala předním světovým producentem. Během devadesátých a začátkem dvacátých let Čína stále upevňovala své postavení na světovém trhu s oxidy vzácných zemin. Prodávali vzácné zeminy za tak nízké ceny, že důl Mountain Pass a mnoho dalších po celém světě nedokázali konkurovat a zastavit provoz.

Obrana a spotřební elektronika

Současně světová poptávka prudce stoupala, protože kovy vzácných zemin byly navrženy do široké škály produktů obranné, letecké, průmyslové a spotřební elektroniky. Čína vydělala na svém dominantním postavení a začala omezovat vývoz a umožňovat růst cen oxidu vzácných zemin na historickou úroveň.

Čína jako největší spotřebitel vzácných zemin

Kromě toho, že je největším světovým výrobcem materiálů vzácných zemin, je Čína také dominantním spotřebitelem. Používají vzácné zeminy hlavně při výrobě elektronických výrobků pro domácí a exportní trhy. Japonsko a USA jsou druhým a třetím největším spotřebitelem materiálů vzácných zemin. Je možné, že neochota Číny prodávat vzácné zeminy je obranou jejich výrobního odvětví s přidanou hodnotou.

Čínský vrchol produkční dominance?

Čínská dominance možná dosáhla vrcholu v roce 2010, když ovládala asi 95% světové produkce vzácných zemin a ceny mnoha oxidů vzácných zemin během několika let vzrostly o více než 500%. Pro spotřebitele a horníky vzácných zemin po celém světě to bylo probuzení. Těžební společnosti ve Spojených státech, Austrálii, Kanadě a dalších zemích začaly přehodnocovat staré vyhlídky na vzácné zeminy a hledat nové.

Vysoké ceny také způsobily, že výrobci dělali tři věci: 1) hledali způsoby, jak snížit množství prvků vzácných zemin potřebných k výrobě každého ze svých produktů; 2) hledat alternativní materiály k použití místo prvků vzácných zemin; a 3) vyvíjet alternativní produkty, které nevyžadují prvky vzácných zemin.

Toto úsilí mělo za následek pokles množství materiálů vzácných zemin používaných u některých typů magnetů a posun od produktů osvětlení vzácných zemin k technologii LED diod. Ve Spojených státech se průměrná spotřeba vzácných zemin na jednotku vyrobeného výrobku snížila, ale poptávka po více produktech vyrobených s prvky vzácných zemin se zvýšila. Výsledkem byla vyšší spotřeba.

Čína nakupuje zdroje mimo Čínu

Čínské společnosti nakupují zdroje vzácných zemin v jiných zemích. V roce 2009 koupila Čína těžební společnost neželezných kovů majoritní podíl v australské společnosti Lynas Corporation, která má mimo Čínu jeden z nejvyšších výstupů prvků vzácných zemin. Koupili také baňu Baluba v Zambii.

Produkce vzácných zemin mimo Čínu

Doly v Austrálii začaly vyrábět oxidy vzácných zemin v roce 2011. V letech 2012 a 2013 dodávaly asi 2% až 3% světové produkce. V roce 2012 se horský důl vrátil do výroby a Spojené státy v roce 2013 vyrobily asi 4% prvků vzácných zemin na světě. Výroba v Brazílii, Malajsii, Rusku, Thajsku a Vietnamu pokračovala nebo rostla.

Nová hodnocení nerostných zdrojů provedená geologickým průzkumem Spojených států identifikovala významné zdroje mimo Čínu. Přestože je Čína světovým lídrem ve výrobě vzácných zemin, ovládá pouze asi 36% světových rezerv. To dává příležitost dalším zemím stát se důležitými výrobci nyní, když Čína neprodává materiály vzácných zemin pod výrobními náklady.

Graf produkce REE: Tento graf ukazuje dominanci Číny ve výrobě prvků vzácných zemin mezi lety 1994 a 2017. Spojené státy byly významným producentem v 90. letech, ale levné materiály prodávané Čínou vynucily doly ve Spojených státech a dalších zemích mimo provoz. Vzhledem k tomu, že Čína v letech 2009 a 2010 omezila vývoz a ceny rychle rostly, opět se aktivovaly doly v Austrálii a ve Spojených státech. Graf pomocí dat z Geologického průzkumu Spojených států.

Nebezpečí dominantního světového producenta

Nabídka a poptávka obvykle určují tržní cenu komodity. S poklesem zásob stoupají ceny. Jak ceny stoupají, ti, kdo řídí nabídku, jsou v pokušení prodat. Těžební společnosti vidí vysoké ceny jako příležitost a pokus o rozvoj nových zdrojů dodávek.

U prvků vzácných zemin může být doba mezi rozhodnutímem těžební společnosti o koupi nemovitosti a zahájením výroby několik let nebo déle. Neexistuje žádný rychlý způsob, jak otevřít novou vlastnost těžby.

Pokud jedna země kontroluje téměř veškerou produkci a rozhodne se nevyvážet, může být celá dodávka komodity rychle přerušena. To je nebezpečná situace, kdy vývoj nových zdrojů dodávek trvá tak dlouho.

V roce 2010 Čína významně omezila vývoz vzácných zemin. To bylo provedeno pro zajištění dodávek vzácných zemin pro domácí výrobu a z důvodů ochrany životního prostředí. Tento posun v Číně vyvolal paniku a některé ceny vzácných zemin exponenciálně vzrostly. Japonsko, Spojené státy americké a Evropská unie se dále stěžovaly Světové obchodní organizaci na restriktivní obchodní politiku Číny týkající se vzácných zemin.

Oxidy vzácných zemin: Tyto oxidy vzácných zemin se používají jako indikátory k určení, které části povodí erodují 4. Ve směru hodinových ručiček od středu: praseodym, cer, lanthan, neodym, samarium a gadolinium. Obrázek Peggy Greb, USDA galerie obrázků.

Světové zdroje vzácných zemin

„Vzácné zeminy jsou v zemské kůře relativně hojné, ale objevené těžitelné koncentrace jsou méně běžné než u většiny ostatních rud. Americké a světové zdroje jsou obsaženy především v bastnäsite a monazite. Vklady v Bastnäsite v Číně a ve Spojených státech představují největší procento světové zdroje vzácných zemin, zatímco monazitní vklady v Austrálii, Brazílii, Číně, Indii, Malajsii, Jižní Africe, na Srí Lance, v Thajsku a ve Spojených státech představují druhý největší segment.

Většina zbývajících zdrojů tvoří apatit, cheralit, eudialyt, loparit, fosforitany, jíly s obsahem vzácných zemin (iontová adsorpce), sekundární monazit, roztoky použitého uranu a xenotim. Neobjevené zdroje jsou považovány za velmi velké vzhledem k očekávané poptávce. “Citováno z Shrnutí minerálních komodit Spojených států 2.

Odkazy na prvky vzácných zemin
1 Prvky vzácných zemin - kritické zdroje pro špičkové technologie: United States Geological Survey, Fact Sheet 087-02.
2 Vzácné Země: Joseph Gambogi, Geologický průzkum Spojených států, Shrnutí minerálních komodit, 2017.
3 Vzácné Země: Joseph Gambogi, Geologický průzkum Spojených států, Ročenka minerálů 2011.
4 Přístup vzácných zemin ke sledování eroze půdy: Ministerstvo zemědělství Spojených států, služba zemědělského výzkumu.
5 Čínský eso v díře: vzácné prvky Země: Cindy A. Hurst, Press of National Defense University Press.
6 Geologie prvků vzácných zemin: ZveřejněníHlavní vkladové prvky vzácných zemin Spojených států - shrnutí domácích vkladů a globální perspektiva."
7 Vzácné prvky Země a národní bezpečnost: Zpráva Rady pro energetiku o zahraničních vztazích, 2014.

Výhled na vzácné zemské prvky

Očekává se, že celosvětová poptávka po automobilech, spotřební elektronice, energeticky účinném osvětlení a katalyzátorech v příštím desetiletí rychle poroste. Očekává se, že poptávka po magnetech vzácných zemin vzroste, stejně jako poptávka po dobíjecích bateriích. Očekává se, že nový vývoj v lékařské technologii zvýší používání chirurgických laserů, zobrazování magnetickou rezonancí a scintilační detektory pozitronové emisní tomografie.

Ve všech těchto průmyslových odvětvích se prvky vzácných zemin hojně používají, takže poptávka po nich by měla zůstat vysoká.