Редкоземельные металлы

" Редкоземельные металлы"

В своем реферате я хочу рассмотреть проблемы и перспективы добычи редкоземельных металлов в мире и в России, в частности.

Редкоземельные металлы — группа из 17 элементов, включающая лантан, скандий, иттрий и лантаноиды. Все эти элементы — металлы серебристо-белого цвета, притом все имеют сходные химические свойства (наиболее характерная степень окисления +3).

Редкоземельные металлы были открыты в конце XVIII века в минералах из группы оксидов — отсюда их название (оксиды довольно долго именовали «землями»). Это самые настоящие металлы, правда, не такие уж и редкие (встречаются в природе примерно в 200 раз чаще, чем золото), просто встречаются они в рассеянном состоянии. Впрочем, значительные рудные залежи, которые имеет смысл разрабатывать, и в самом деле очень редки (в России к подобным месторождениям относятся Ковдорское и Хибинское).

1.Понятие редкоземельных металлов

Редкоземельные металлы (редкоземельные элементы, РЗМ) — группа из 17 элементов, включающая лантан, скандий, иттрий и лантаноиды. Все эти элементы — металлы серебристо-белого цвета, при том все имеют сходные химические свойства (наиболее характерна степень окисления +3).

Название «редкоземельные элементы» исторически сложилось в конце XVIII — начале XIX века, когда ошибочно считали, что минералы, содержащие элементы двух подсемейств, — цериевого (лёгкиеLa, Се, Рг, Nd, Sm, Eu) и иттриевого (тяжёлыеY, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) — редко встречаются в земной коре. Однако по запасам сырья редкоземельные элементы не являются редкими, по суммарной распространенности они превосходят свинец в 10 раз, молибден — в 50 раз, вольфрам — в 165 раз.

Когда Дмитрий Менделеев начал писать «Основы химии» (1868), признавалось существование следующих РЗМ: иттрия, лантана, церия, эрбия, тербия и дидима. К существованию тербия он относился с большим сомнением и в своих рассуждениях не принимал этот элемент во внимание.

В 1794 году финский химик Юхан Гадолин, исследуя рудные образцы вблизи шведского местечка Иттербю, обнаружил неизвестную до того «редкую землю», которую назвал по месту находки иттриевой. Позже, немецкий химик Мартин Клапрот разделил эти образцы на две «земли», для одной из которых он оставил имя иттриевой, а другую назвал цериевой (в честь недавно открытой малой планеты Церера, которая, в свою очередь, была названа по имени древнеримской богини Цереры). Немного спустя шведский ученый К. Мосандер сумел выделить из того же образца еще несколько «земель». Все они оказались оксидами новых элементов, получивших название редкоземельных. Совместно к 1907 году химики обнаружили и идентифицировали всего 14 таких элементов. По возрастанию атомного веса они расположились следующим образом.

1. Скандий (Sc)

2. Иттрий (Y)

3. Лантан (La)

4. Цезий (Ce)

5. Празеодим (Pr)

6. Неодим (Nd)

7. Прометий (Pm)

8. Самарий (Sm)

9. Европий (Eu)

10. Гадолиний (Gd)

11. Тербий (Tb)

12. Диспрозий (Dy)

13. Гольмий (Ho)

14. Эрбий (Er)

15. Тулий™

16. Иттербий (Yb)

17. Лютеций (Lu)

Иногда редкоземельные металлы широко распространены в земной коре. Однако их концентрация в рудах, как правило, настолько низка, что это ограничивает возможности экономически эффективного извлечения и обогащения этих веществ для переработки и использования. Некоторые редкоземельные элементы накапливаются в качестве побочного продукта добычи более распространенной руды, содержащей, например, медь, золото, уран, фосфаты и железо. Но даже малые количества этих веществ при промышленном производстве позволяют получать уникальные по свойствам и качеству технические продукты и изделия из них.

Редкоземельные элементы обычно классифицируются на более легкие и тяжелые. Легкие элементы (с атомными номерами от 57 до 63, а также скандий и иттрий) более распространены в природе, они шире применяются и легче извлекаются при добыче. Тяжелые редкоземельные элементы (с атомными номерами от 64 до 71) обычно менее доступны и более сложны для извлечения. Способность тяжелых элементов выдерживать более высокие температуры, по сравнению с легкими, делает их более подходящими для специфического использования, например, в современной энергетике. В этой связи примечательно, что Геологический обзор, подготавливаемый Геологической службой США (US Geological Survey) характеризует тяжелые редкоземельные элементы эпитетом- «в особенности желательные».

2.Добыча редкоземельных металлов

В 2011 году Геологическая служба США пересмотрела свою оценку мировых запасов редкоземельных элементов, в связи с тем, что это ведомство сократило список тех минералов, которые экономически выгодно добывать. Результат выявил следующее: резервы Китая возросли с 36 млн. тонн до 55 млн. тонн — это ровно половина всех мировых запасов. США оценивают остальные запасы в 15 миллионов тонн, страны СНГ, как сообщается, имеют резервы в 19 млн. тонн, в то время как пересчитанные резервы Австралии снизились с 5,4 до 1,6 млн. тонн.

Однако, месторождения редкоземельных элементов, которые не разрабатываются, мало что значат. Значение имеет только их добыча. И именно Китай является безусловным лидером, обеспечивающим 95% всего мирового производства. Крупнейшее в мире месторождение редкоземельных металлов находится в КНР, в Баян-Обо (Внутренняя Монголия).

Раньше лидерами по добыче редкоземельных металлов были США. Однако со временем многие из рудников закрылись. А Китай, тем временем, всеми темпами разрабатывал месторождения редкоземельных металлов. Почему именно Китай стал лидером по добыче редкоземельных металлов?

В КНР дешевая рабочая сила, меньше ограничений на загрязнение окружающей среды. Добыча этих металлов представляет собой сложный технологический процесс, сопряженный с риском отравления рабочих ядовитыми веществами и радиацией. Добыча таких металлов обычно осуществляется открытым способом, в открытых рудниках. В шахтах, где добывают редкоземельные металлы, содержатся также радиоактивные элементы, такие как уран и торий; ежегодно около 10 миллионов тонн сточных вод содержат кислоты или радиоактивные элементы, и, как правило, эти воды не проходят очистку. Сообщалось, что жителей деревень в окрестностях Баотоу (Китай) пришлось эвакуировать, потому что вода и поля оказались заражены отходами разработок.

Выдвинутые недавно политические инициативы вызваны ростом спроса на редкоземельные металлы во всем мире. По данным все той же Геологической службы США спрос увеличивается ежегодно на 10%. Аналогичным образом спрос растет и в самом Китае — потребление этих ресурсов в стране с 2000 года увеличилось в четыре раза.

Ограничение экспорта металлов также заставило производителей перевести производство в Китай, для того чтобы гарантировать необходимое обеспечение, тем самым нанося урон развитию высокотехнологичных отраслей других стран, таких как Япония, Южная Корея и стран ЕС. Предприняв эти шаги Китай, как оказалось, практически мгновенно создал у себя высокотехнологичные отрасли промышленности.

Китай, благодаря своему тотальному контролю текущего производства редкоземельных элементов, имеет возможность влиять на рыночные цены и фактически регулировать их. Несомненно, Китай эксплуатирует свои ресурсы с учетом и геополитических целей. Так, в 2009 г. следом за разногласиями с Японией по территориальному вопросу Китай приостановил экспорт редкоземельных элементов своему соседу. Так как японские высокотехнологичные компании ощутимо зависят от экспорта китайских редкоземельных элементов, правительство Японии вынуждено была пойти на уступки Китаю, разрешив инцидент, и только после этого импорт редкоземельных элементов снова стал возможен.

Из-за ограниченной доступности основных редкоземельных элементов некоторые компании разрабатывают материалы-заменители. Корпорации Toyota и General Electric объявили о своих намерениях уменьшить использование редкоземельных элементов при производстве машин и ветродвигателей.

В то же время другие страны (Австралия, Бразилия, Индия, Россия, ЮАР, Малайзия и Малави) обладают ощутимыми запасами редкоземельных элементов, которые могут быть вовлечены в разработку.

3.Местонахождения редкоземельных металлов в РФ

Почти 82% балансовых запасов редкоземельных металлов России приходится на содержащие РЗМ апатитовые руды, в том числе более 70% запасов связано с апатит-нефелиновыми рудами месторождений Хибинской группы в Мурманской области. Из добываемых руд редкоземельные элементы здесь не извлекаются; они остаются в хвостах обогащения, складированных в отвалах обогатительных фабрик.

Попутное извлечение РЗМ ведется только на Ловозерском месторождении в Мурманской области. Его руды содержат редкоземельные элементы преимущественно цериевой группы.

В рудах уникального российского месторождения Томторское, расположенного на северо-западе Республики Саха (Якутия), содержится в среднем от 12,8% (в корах выветривания) до 7,98% (в коренных рудах) РЗМ. Однако месторождение не разрабатывается и находится в нераспределенном фонде недр, так как располагается в районе с суровыми климатическими условиями и неразвитой инфраструктурой.

Из шестнадцати месторождений РЗМ, учитываемых Государственным балансом, к нераспределённому фонду, кроме Томторского, относятся ещё четыре месторождения, в том числе крупные Селигдарское и Белозиминское.

В Читинской области ОАО «Горные технологии» подготавливает к разработке среднее по масштабам Катугинское месторождение.

ОАО «Северо-Западная фосфорная компания» ведет освоение двух объектов Хибинской группы месторождений в Мурманской области — Партомчорр и Олений Ручей. Ввести горнодобывающее предприятие в эксплуатацию планируется в 2014 г.

Готовится к отработке часть запасов Нижней россыпи Ярегского месторождения в Республике Коми, однако компания ОАО «ЯрегаРуда» добывать здесь РЗМ пока не планирует.

4.Применение редкоземельных металлов

редкоземельный добыча металл

Долгое время редкоземельные металлы считались скучными и химически малоинтересными. Ситуация изменилась в корне, когда в 60- годы XX века появились технологии выделения чистых металлов этой группы на основе использования технологий разделения изотопов урана. Учёные сразу отметили магнитные свойства этих элементов. На тот момент мировое промышленное производство уже не мыслило себя без трансформаторов, электрогенераторов, моторов и других приборов, где используется электромагнитная индукция.

Были открыты свойства некоторых редкоземельных металлов — они обладают огромной магнитной энергией и на их основе можно создавать мощные постоянные магниты. Сами эти металлы при намагничивании могут менять свои размеры. К этим металлам относятся диспрозий, самарий, гадолиний и другие.

Интерес промышленности к свойствам редкоземельных материалов до сих пор остаётся огромным. Смартфоны, плееры, гибридные двигатели, компьютеры и прочая электроника. В каждом приборе содержатся редкоземельные металлы. Без них сегодня ни одна компания не выпускает высокотехнологичные разработки. В аккумуляторе Toyota Prius есть 10 кг лантана. А в магните ветряного двигателя — не меньше 260 кг неодима. Дело в том, что магниты, сделанные из этих элементов, гораздо сильнее обычных магнитов, а весят значительно меньше. Это одна из причин того, что электронные устройства стали более компактными.

Возьмем, к примеру, телевизионный экран. Красный цвет получается благодаря европию. Каталитический преобразователь выхлопных газов, снижающий их токсичность, содержит церий и лантан.

Данные, приводимые Геологической службой США, указывают, что в самих США редкоземельные элементы используются в виде катализаторов химических реакций (22%), катализаторов при переработке нефти (21%), каталитических нейтрализаторов для автомобилей (14%) и около 40% - в производстве сплавов для батарей, керамики и магнитов (это те секторы, рост в которых составляет от 4% до 10% ежегодно).

Неразделенные элементы применяются в таких сферах, как производство стекла, нефтепереработка и нефтехимия (катализаторы для крекинга нефти, присадки в дизельное топливо и др.), металлургия. Индивидуальные элементы используются в производстве каталитических фильтров-нейтрализаторов выхлопных газов автомобилей (церий), магнитов (самарий и неодим), люминофоров, керамических конденсаторов (лантан, неодим).

В металлургии РЗМ используются для получения особых сортов чугуна, стали и сплавов цветных металлов (добавки РЗМ повышают качество металлургической продукции, улучшают их свойства, в частности ударопрочность, вязкость и коррозионную стойкость).Редкие элементы чрезвычайно важны в металлургических процессах, поскольку позволяют повышать качество сплавов никеля, стали, алюминия, титана. Используя низколегированные стали, можно на 30−40% снизить вес конструкций при строительстве автомобилей, мостов, многоэтажных зданий, газои нефтепроводов, геологоразведочного бурового оборудования и увеличить срок их службы в 2−3 раза. Это весьма актуально при строительстве нефтеи газопроводов в сложных природных и климатических условиях и в агрессивных средах (дно Балтийского и Черного морей), а также при строительстве нефтеи газодобывающих плат­форм для добычи углеводородов на шельфе. Все это обусловливает в самом ближайшем будущем кардинальный рост потребности в редких элементах.

Редкоземельные металлы также используются в военно-промышленном комплексе. Объемы, в которых редкоземельные металлы используются в оборонных технологиях таковы, что без них производство современных вооружений — истребителей, беспилотных летательных аппаратов и большей части оборудования с компьютерным управлением — было бы просто невозможно. Электромагнитное оружие сводит к минимуму человеческие жертвы и поэтому считается лучшим вооружением для военных операций или защиты кораблей.

Перечислим в качестве примера, где можно найти редкоземельные элементы в оборудовании и вооружении современнейшей российской подводной лодки класса «Антей». При производстве генераторов и электроприводов используются неодим, празеодим, диспрозий и тербий. Сенсорные датчики и люминофоры дисплеев на командном пункте лодки не могли бы эффективно работать, не имея в составе иттрия, европия и церия. Гидролокаторы и оптические системы наблюдения и управления движением произведены с применением неодима, тербия, лантана и церия, а для выпуска электроприводов оперения стабилизаторов баллистических ракет, систем контроля гравитации в стабилизаторах «умных» бомб используются самарий и неодим.

5.Самые ценные редкоземельные металлы

Существует небольшая группа редкоземельных металлов, имеющая высокую стоимость из-за малого наличия их в минералах земной коры и дорогими технологиями их выделения. Эти металлы входят в состав многих точных приборов, без их применения невозможно развитие современных нанотехнологий, поэтому интерес к этим металлам весьма высок во всём мире. Список значимости самых дорогих редкоземельных металлов выглядит так: тербий, неодим, европий, лютеций. Самым дорогим из представленных металлов является лютеций.

6.Тербий

Впервые оксид тербия был выделен шведским химиком Мосандером в 1840 году. Чистый тербий был получен лишь в начале прошлого века французским учёным Урбеном. Тербий — элемент редкий и дорогой, и в настоящее время в основном используется для изучения собственных свойств и возможностей применения.

Тербий выделяют из смеси редкоземельных элементом методом ионной хроматографии или путем экстракции. Он представляет собой серебристо-белый металл, устойчивый к условиям комнатной температуры. Тербий — уникальный элемент, обладающий рядом удивительных физических свойств. В настоящее время применение тербия оправдано в создании магнитных сплавов, имеющих свойство менять размеры, в производстве термоэлектрических материалов, в лазерных технологиях, в электронике в качестве люминофора, в конструировании магнитных холодильников. Кроме того, тербий применяется в качестве высокотехнологичного катализатора окисления, а также в виде просветляющего покрытия на кремнии для микроэлектроники.

Рисунок 4.1.1 — тербий

7.Неодим

Этот металл был открыт в 1885 году австрийским химиком Вельсбахом. Ранее считалось, что существует единый элемент дидим. Но Вельсбаху удалось разделить дидим на празеодим и неодим.

В природе неодим добывается карьерным способом, но в очень малых количествах. Чистый неодим получают путем электролиза расплава хлорида или фторида неодима. Неодим — красивый серебристо-белый металл с легким золотистым оттенком. При нагревании на воздухе он быстро окисляется, вступает в соединения с азотом, водородом и другими неметаллами, а также с минеральными кислотами.

Неодим — дорогой металл, цена на него зависит от страны-производителя и технологий, которые применялись для его выделения. Неодим на сегодняшний день нашел широкое применение в производстве цветного стекла и лазерных материалов, в производстве мощных постоянных магнитов, в технологиях получения стекловолокна. Неодим входит в состав, которым легируются конструкционные сплавы стали, а также в состав для обработки сельскохозяйственных семян с целью увеличения их всхожести.

Рисунок 4.2.1 — неодим

8.Европий

История открытия европия насчитывает довольно длительный период. Многие учёные в конце XIX и в начале XX века изучали свойства европия и описывали его свойства. В 1937 году впервые удалось выделить чистый металлический европий.

Европий — мягкий металл серебристо-белого цвета, который легко окисляется в обычных условиях. Вот поэтому чистый европий хранят в запаянных ампулах под слоем расплавленного парафина, а его обработкой занимаются в инертных условиях. Европий хорошо поддаётся обработке и по своим свойствам напоминает свинец.

В природе в свободном виде европий не встречается, а выделяется из таких минералов, как лопарит и моноцит. Европий практически самый редкий из редкоземельных металлов и один из самых редких элементов Периодической таблицы. Вот поэтому его цена и является столь высокой на международном рынке. Неодим дороже серебра в несколько раз. Он широко используется в ядерной энергетике, в производстве лазерных материалов, в электронике, медицине и производстве люминофор.

Рисунок 4.3.1 — европий

9.Лютеций

В виде оксида лютеций был открыт в 1907 году Вельсбахом, Урбеном и Джеймсом. Впервые чистый лютеций был выделен в 60-х годах прошлого века. Получают лютеций из минералов путем ионного обмена, экстракции и восстановления с помощью кальция из фторида лютеция. Цена на этот редкоземельный металл составляет 3−3,5 тысячи долларов за 1 килограмм чистого вещества.

Лютеций — метал серебристого цвета, самый тяжёлый в своей группе. Он легко поддаётся обработке. На воздухе этот металл покрывается плотной пленкой из оксида лютеция. Взаимодействует со многими неметаллами и неорганическими кислотами.

Лютеций применяется в производстве лазерных материалов, магнитных сплавов для космической техники, для создания жаропрочной проводящей керамики, в ядерной энергетике. С добавлением лютеция производят сплавы с высокотемпературной сверхпроводимостью, а также составы для легирования жаростойких материалов.

Рисунок 4.4.1 — лютеций

Заключение

Редкоземельные металлы являются востребованными в настоящее время, но многие их свойства пригодятся и для производства технологий будущего. Вот поэтому учёные многих стран мира проводят исследования по изучению их свойств.

Большинство развитых стран нуждается в поставках из Китая и спрос лишь продолжает расти с каждым годом. Однако Китай постепенно сокращает объемы экспорта, стремясь насытить собственные запасы РЗМ.

В связи с этим, правительство РФ выдвинуло несколько актуальных проектов, направленных на развитие отрасли добычи и переработки редкоземельных металлов. Планируется не только разработка новых месторождений, но также и строительство перерабатывающих заводов, развитие отраслей, использующих РЗМ.

Однако, по мнению экспертов, потеснить Китай будет очень непросто, так как большинство крупных месторождений в России находится на территориях малопригодных для жизни. На примере Томторского месторождения отчетливо видно, с какими трудностями приходится сталкиваться при разработке месторождений, транспортировке сырья. Вследствие чего себестоимость разработки месторождений РЗМ в России значительно выше, чем в Китае.

В любом случае, уже через 2−3 года появится реальная возможность оценить процесс реализации данных проектов, на основании чего можно будет строить дальнейшие планы и расставлять новые векторы развития отрасли.

Библиографический список

1.РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ: применение, проблемы, перспективы [Электронный ресурс].? ООО «УралИнфо" —. — Режим доступа: http://www.urm.ru/ru/75-journal73-article615, свободный. — Загл. с экрана.

2.Стратегическое значение редкоземельных металлов в мире и в России [Электронный ресурс]. -YKT.RU-. — Режим доступа: http://dnevniki.ykt.ru/ivanshamaev/544 301, свободный. — Загл. с экрана.

3.САМЫЕ ДОРОГИЕ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ [Электронный ресурс].? © 2012 — 2014 DISQUS-. — Режим доступа: http://www.13min.ru/kupit/samye-dorogie-redkozemelnye-metally.html, свободный. — Загл. с экрана.

4.Семнадцать элементов: редкоземельные металлы [Электронный ресурс].? © National Geographic Russia 2003;2014;. — Режим доступа: http://www.nat-geo.ru/article/106-semnadtsat-elementov-redkozemelnyie-metallyi/, свободный. — Загл. с экрана.

5.Редкоземельные металлы [Электронный ресурс].? © информационно-аналитический центр «МИНЕРАЛ», 2014;. — Режим доступаhttp://www.mineral.ru/Facts/Russia/131/293/index.html, свободный. — Загл. с экрана.

6.Редкоземельные металлы в hi-tech индустрии [Электронный ресурс].? © 2013 Rostec.-. — Режим доступа: http://rostec.ru/research/project/3947, свободный. — Загл. с экрана.

7.КНР добывает 97% редкоземельных металлов [Электронный ресурс]. -Великая эпоха © 2005;2014;. — Режим доступа: http://www.epochtimes.ru/content/view/48 904/4/, свободный. — Загл. с экрана.