Азиатско-Тихоокеанский регион будет доминировать на мировом рынке.
Азиатско-Тихоокеанский регион доминировал на мировом рынке в 2019 году. С ростом автомобильного производства, увеличением инвестиций в отрасль здравоохранения, а также ростом спроса и производства керамики потребление редкоземельных элементов также, согласно прогнозам, заметно возрастет в регионе в течение прогнозируемого периода.
Производство автомобилей увеличивается в таких странах, как Индия, Таиланд, Вьетнам и Индонезия
Китай, крупнейший в мире производитель автомобилей, уделяет основное внимание увеличению производства и продажи электромобилей в стране. С этой целью в стране запланировано увеличить производство электромобилей (EV) до 2 миллионов в год к 2021 году и до 7 миллионов в год к 2025 году
Китай имеет крупнейшую в мире базу по производству электроники. Страна обслуживает не только внутренний спрос на электронику, но и экспортирует электронную продукцию в другие страны. С увеличением располагаемых доходов среднего класса в стране и повышением спроса на электронные товары в странах, импортирующих электронные товары из Китая, производство электроники будет расти.
Такие страны, как Индия, Южная Корея и Япония, также являются одними из основных стран, производящих электронную продукцию. Индия стала свидетелем инвестиций в электронную промышленность, что обусловлено государственными инициативами и стимулами, предлагаемыми для увеличения производства электроники в стране.
Спрос и производство керамики наиболее высоки в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Растущий спрос на керамику в таких отраслях, как аэрокосмическая и оборонная промышленность, энергетика, здравоохранение и производство потребительских товаров, стимулирует производство в керамической промышленности.
Следовательно, такие рыночные тенденции, вероятно, будут стимулировать спрос на такие продукты, как магниты, керамика, стекло и т. д. В регионе, что, как ожидается, будет стимулировать рост рынка редкоземельных элементов в ближайшие годы.
Рынок редкоземельных элементов – это фрагментированный рынок, на котором множество игроков занимают незначительную долю, чтобы индивидуально влиять на динамику рынка. Некоторые из заметных игроков на рынке включают Avalon Advanced Materials Inc, Rare Element Resources Ltd, Eutectix, Shin-Etsu Chemical Company, Alkane Resources Ltd и другие.
Прометий
Прометий – это знаменитый химический элемент, который относится к группе лантаноидов. Все его изотопы очень радиоактивны, именно поэтому в природе он практически не встречается. В 1945 году его наконец-то удалось получить, но лишь искуственно. Якоб Мариинский и Лоуренс Гленденинг после долгих лет смогли наконец выделить прометий, несмотря на то, что многие считали это невозможным. Знаменитый английский физик Генри Мозли утверждал, что химического элемента прометий просто не существует.
Полученный элемент был назван в честь знаменитого мифического героя, который похитил у бога Зевса огонь, а затем отдал его людям.
Применение редкоземельных металлов в технике
Выше мы разобрали, что такое редкоземельные металлы. Теперь рассмотрим вопрос о том, как они используются в технике и электронике.
• Неодим требуется в производстве мощных магнитов для жестких дисков и динамиков. Также находит применение в электромобилях и ветровых турбинах.
• Лантан применяется в фотокамерах и телескопических объективах, студийном освещении и кинопроекции, в аккумуляторах и водородных хранилищах.
• Церий необходим в автомобильных каталитических нейтрализаторах: он дает им возможность работать при повышенных температурах. Помимо этого, играет ключевую роль в конвертерных химических реакциях, а также в переработке сырой нефти.
• Празеодим нужен для разработки усиленных металлов и стекол, авиационных двигателей и защитных масок для сварщиков и стекольников.
• Гадолиний используется в дисплеях, рентгеновских системах и МРТ-аппаратуре.
• Иттрий, тербий и европий требуются при создании дисплеев телевизоров и компьютеров, энергоэффективных лампочек и люминесцентных ламп, а также для создания стержней управления реакторами.
Помимо индустрии электроники в значительной степени от редкоземельных металлов зависят еще две отрасли — электрический автопром и ветроэнергетика. Компания Tesla создает двигатели с постоянными магнитами на основе неодима и празеодима.
Электродвигатели с содержанием редкоземельных металлов отличаются легкостью, мощностью и экономно расходуют заряд.
Согласно исследованию Argonaut, в электроавтомобилях используется на 1 кг больше редкоземельных магнитов, чем в авто с традиционным двигателем внутреннего сгорания.
В ветроэнергетике также огромным спросом пользуются неодим и празеодим. Как ожидается, спрос на эти металлы в течение следующих лет увеличится в 2,5 раза.
В 2016 году Россия импортировала до 90% редкоземельных металлов. Теперь курс изменился: к 2020 году РФ намерена отказаться от их импорта вовсе.
Добыча редкоземельных металлов в мире
Лидером по добыче редкоземельных металлов является Китай. В этой стране ежегодно извлекается из недр около 100 тысяч тонн чистых элементов, что составляет более половины от общего количества, добываемого во всем мире. Основная часть запасов находится в районе Баян-Обо.
На втором месте по данному показателю идет США, производящее около 13% мировой продукции. Несмотря на столь скромный показатель, Америка располагает довольно внушительными запасами. Но она, в отличие от многих других стран не спешит разрабатывать свои месторождения, предпочитая импортировать сырье. Расчет ведется исходя из исчерпаемости природных ресурсов. С каждым годом их становится все меньше и меньше, а цена на них соответственно возрастает. Поэтому сейчас есть возможность покупать более дешевое сырье, а когда придет момент, можно будет продавать уже свое, но гораздо дороже. Отличная с экономической точки зрения политика.
Довольно большие запасы редкоземельных металлов и в России. По оценкам геологов на сегодняшний момент наша страна занимает по имеющимся запасам второе место в мире после Китая. Более 70% месторождений сосредоточено в Мурманской области, остальные приходятся на Республику Коми, Республику Сахи и Красноярский край. Пока что главным стратегическим сырьем для Российской Федерации являются нефть и газ. Основные силы добычной промышленности направлены именно на них
Но в дальнейшем, чем меньше будет их оставаться в недрах, тем более важное место будет занимать добыча редкоземельных металлов в России
Запасы редкоземельных металлов в мире оцениваются в 110 миллионов тонн. По подсчетам ученых это примерно 80% из всех разведанных наземных месторождений. Около 48% приходится на Китай. Также последние исследования позволяют сделать предположение, что на дне мирового океана имеются огромные запасы редкоземельных металлов на уровне 80-100 миллиардов тонн.
Сейчас продолжаются дополнительные исследования данных фактов. Если они подтвердятся, это станет настоящим прорывом в отрасли. Но быстро наладить их добычу все равно не получится. На сегодняшний день не существует технологии, позволяющей вести разработку полезных ископаемых на огромной глубине. И могут понадобиться десятилетия на поиски наиболее эффективного и рентабельного метода освоения месторождений редкоземельных металлов под водой.
Как уже было сказано выше, основным игроком на рынке редкоземельных металлов является Китай. От него испытывают зависимость практически все остальные государства. Это позволяет диктовать свои условия, угрожая так называемой «сырьевой войной». Данный термин стал очень популярен в последнее время. И очень многие крупные экспортеры полезных ископаемых стали лоббировать свои интересы в мировой политике при помощи данного вида воздействия.
Так что развитые страны стараются вырваться из сырьевой зависимости и освоить альтернативные виды материалов. Еще 8 лет назад производство редкоземельных металлов в Китае удовлетворяло до 97% мирового рынка. Всего за 7 лет удалось отвоевать около 40% от указанной цифры. Но в ближайшее время не предвидится предпосылок для дальнейшего сохранения тенденции. Скорее всего, еще 10-15 лет Китай будет иметь около 60% доли рынка.
Зигзаг, нормализация и нормализация к чему?
Обилие РЗЭ практически всегда нормализуется до момента сравнения для петрогенетической интерпретации. Это значит, что до того, как две позиции обилия РЗЭ будут сравниваться друг с другом, они корректируются под общую базовую линию. При сравнении данных нормализация – это процесс, в широком смысле, ввода данных в обычных условиях. Когда применяется интерпретация различий в количестве РЗЭ в горных породах, это один из способов ответа на вопрос «сравнивать с чем?». Результат нормализации в том, что мы в большей степени сравниваем как сильно две группы варьируются от обычной стартовой точки, нежели финальную магнитуду двух групп.
Нормализация оформляет две цели. Первая – это извлечь вариации в стартовых точках наборов данных, которые могут скрывать значительные изменения за общим шумом, и, во-вторых, выбирает и устанавливает специфику стандартных стартовых точек, с которыми могут сравниваться два или больше наборов данных. Создание стандартной стартовой точки, рядом с которой могут быть собраны изменения, обеспечивает жизненность построений, значимых для отношений между конкретными событиями. Если персоны говорят, что машина А проехала 8 километров и что машина В проехала 10 километров, то это абсолютно ничего не скажет об отношении позиций этих двух машин или о природе произошедших изменений. Но, тем не менее, сообщение заключается в том, что машина А и В начали движение с одной и той же точки, машина А проехала 8 км на север и В проехала 10 км на север, мы можем сравнить природу этих значений в значительной степени.
РЗЭ элементы часто сравниваются по точкам насыщенности. Эти точки, если они не нормализованы, сложно интерпретировать визуально. Все эти РЗЭ были сформированы процессом звездного нуклеосинтеза в первичной генерации звезд, до того момента, когда Солнечная система охладилась до состояния облака из горячего, относящегося к туманностям, газа. Космохимические процессы, которые генерируют смеси элементов, создали Солнечную систему, в которой четные элементы преобладают над нечетными. Результат – зигзагообразная модель в присутствии элементов. Этот результат поражает визуальными различиями в распределении элементов. Вдобавок к этому, так как эти элементы насыщены или обеднены вариативно с течением времени, создается конкретная начальная точка времени обычной каменной группы, для сравнения с которой исключают все изменения, приоритетные для выбранного стартового момента. Каждое из этих изменений извлекает пустой шум (или незначащая вариация) из результатов, это открывает значительные и много говорящие изменения.
Нормализация изобилия РЗЭ – простой процесс. Это достигается простым разделением частоты элементов в измерительных данных частоты стандарта, по отношению к которому проходит нормализация. Что-либо может быть использовано как позиция, относительно которой происходит нормализация, но наземные базальты серединно-океанического хребта и насыщенные хондриты более типичны. Из этих двух насыщенность хондрических элементов более часто используется, так как они более близкий аналог, которым мы располагаем для актуализации типичных насыщенностей в Солнечной системе до момента, когда начинается какой-либо сортирующий процесс. Раз так, они проводят прекрасную стартовую позицию, от которой проходит сравнение очень разных скальных групп. Данные нормализации никогда не смогут сказать без хорошего индицирования, с какой точно позицией данных нужно нормализовать.
Калифорний из Калифорнии
Калифорний (Cf) на сегодняшний день имеет статус самого редкого и дорогого металла на Земле. Находится под номером 98 в таблице Менделеева. Его называют «камнем надежды». Он имеет серебристо-серый цвет и производится путем длительного облучения плутония. Сам плутоний был получен при бомбардировке урана ядрами тяжелого водорода.
Калифорний был выведен группой ученых во главе с Гленном Сиборгом в 1950 г. В природе его, естественно, не существует. Его созданием занималась команда Калифорнийского университета (откуда и получил свое название металл) города Беркли. Сегодня с ним работают лишь 2 лаборатории. Одна находится в России, другая — в США.
Калифорний является изотопом (изотопы получают искусственным путем). При этом стоимость его просто баснословна — до 10 млн. долларов за грамм. Это неудивительно, ведь мировой запас металла составляет всего 8 граммов. Ежегодно удается получить лишь 20-40 грамм калифорния.
Этот металл является радиоактивным и состоит из 17 изотопов. Самым изученным из них считается калифорний-252. Длительность его полураспада составляет целых 900 лет.
Свойства калифорния ошеломляющие. Применяется преимущественно в медицине и в области ядерной физики. Он является мощным источников нейтронов, поэтому его используют для обработки злокачественных опухолей, которых «не берет» лучевая терапия.
Он также используется для изучения космического пространства — как Луны, так и самых дальних звезд и планет. Он применим и для исследования деления ядер. Кроме этого, калифорний является незаменимым помощником во время добычи полезных ископаемых — он позволяет обнаруживать серебро и золото.
Бомбы, изготовленные с добавлением самого редкого в мире металла, считаются очень мощными. 1 грамм калифорния способен обеспечить часовую деятельность небольшого ядерного реактора.
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 |
Механические свойства
Редкоземельные металлы с чистотой до 98% при комнатной температуре обладают твердостью 300-500 МПа по шкале Бринелля. С повышением температуры это значение понижается. Так при 800 ºC твердость лантана уже составляет 35 МПа. Особенно сильно металлы размягчаются при 550 ºC, что связано с их полиморфным превращением.
При испытании на растяжении гантелеобразные образцы редкоземельных металлов разрушаются при 150-200 МПа. Деформироваться они начинаются уже при 100-125 МПа. Относительное удельное растяжение для них составляет 8-12%. Отметим, что в интервале 20-800 ºC наблюдается резкое возрастание пластичности. Причина этого — переход внутренней структуры металлов на кубическую модификацию.
Особенности получения редкоземельных металлов
Извлечение редкоземельных металлов из земли в чистом виде не возможно. Это связано с их высокой химической активностью. В природных условиях они образуют многоатомные сложные соединения, входящие в состав горных пород. Всего на сегодняшний день известно около 250 минералов, содержащих в составе редкоземельные элементы. При этом не более 60 из них имеют промышленное значение. В остальных доля чистого металла составляет менее 5% и их переработка не рентабельна.
Металлы редкоземельной группы очень часто встречаются в одном и том же месторождении. Поэтому при поступлении сырья на завод редкоземельных металлов, сначала проводится исследование на процентное содержание различных элементов в минерале. Полученные результаты помогут определить, какой именно обработке подвергнуть сырье для получения максимальной экономической выгоды.
Получение редкоземельных металлов разделяется на несколько этапов. В первую очередь раскладывают на составные части сложные соединения. Для этого применяются реакции термического разложения. Они позволяют выделить двухатомные соединения металлов, которые подвергаются дальнейшей обработке. Наиболее часто проводят реакцию восстановления хлорида или фторида более активным металлом (кальцием, натрием, литием). Также используют процедуру электролиза, ионной хроматографии или экстракции.
Применение редкоземельных металлов охватывает многие отрасли промышленности. В стекольном производстве применяют оксиды лантана, церия, празеодима и неодима для повышения прозрачности стекла. Также при помощи металлов данной группы изготавливают термостойкие и невосприимчивые к воздействию кислоты стекла. Редкоземельные элементы входят в состав пигментов, применяемых в лакокрасочной промышленности. В автомобильном производстве лантан используется при производстве аккумуляторов для гибридных машин.
В военном деле вещества используются для изготовления взрывчатых веществ. На основе сплавов неодима, самария, иттрия, европия и эрбия производят сверхмощные постоянные магниты.Редкоземельные элементы в качестве присадок добавляют в некоторые виды сплавов для придания им необходимых свойств. В частности данные металлы придают материалу жаростойкость и повышенную защиту от воздействия коррозии. В чистом виде они практически не используются в виду своей дороговизны.
История открытий
Золотые и серебряные самородки были обнаружены человечеством несколько тысяч лет назад, то есть до наступления нашей эры. Разработки их природных месторождений успешно велись на территории почти всего земного шара еще во времена древности.
Несколько примитивные приспособления и методы добычи не мешали древним людям достигать поставленных целей и проникать в недра земли. Полученные золото и серебро переплавлялись и обрабатывались. Их использовали для производства самых разных предметов. Об этом свидетельствуют исторические сведения и разнообразные изделия из этих металлов, обнаруженные при археологических раскопках древних захоронений.
Платиновое «серебришко»
В отличие от золота и серебра, третий основной благородный элемент — платина — был открыт людьми только в 16 веке. Тяжелые белые самородки, которые плохо плавились, были найдены испанскими колонизаторами в виде примеси в золотых месторождениях в Новой Гранаде. За внешнюю схожесть с серебром (по-испански — plata) первооткрыватели прозвали обнаруженный металл словом platina, что буквально на испанском языке значит «серебришко».
До находки испанцев платина, разумеется, существовала и даже была известна людям. Ее называли белым золотом и использовали для изготовления фальшивых золотых монет и драгоценностей. В результате подобных махинаций, прокатившихся по всему миру, этот металл был официально объявлен запрещенным, в результате чего его начали топить в морской пучине.
Остальные представители группы
Оставшиеся представители, элементы платиновой группы, были открыты один за другим в XIX веке. Они прекрасно символизируют эпоху научных исследований и открытий.
Родий и палладий были получены в ходе химических опытов англичанином Уильямом Хайдом Уолластоном в 1803 году. Ровно через год таким же образом были открыты осмий и иридий, но уже другим английским химиком — Смитсоном Теннантом.
История открытия рутения более длинная, чем у его «родственников». Впервые он был извлечен из платиновой руды в 1808 году видным польским научным мужем Анджеем Снядецким. Полученному новому химическому элементу ученый дал название вестий.
Под таким именем металл просуществовал до 1844 года, когда профессор университета Казани, русский ученый Карл Клаус начал масштабное изучение этого элемента. По окончании всестороннего исследования Клаус переименовал вещество в рутений — в честь великой Руси.
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/м3. 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.
Добыча
Главные месторождения РЗМ находятся на территории современного Китая, Соединенных Штатов Америки и России. Согласно экспертным данным, мировые запасы РЗМ составляют порядка 120 млн. тонн. Стоит отметить, что половина этой массы приходится на Китайскую народную республику.
Некоторые ученые заявляются, что океанское дно изобилует минералами на основе редкоземельных металлов. По их расчетам там скрывается около 130 млрд. тонн их запасов. Пока не ясно, как верно их предположение. Производство на данном этапе развития не располагает оборудованием, которое смогло бы работать на таких глубинах.
Получение
Существует несколько вариантов переработки минералов:
- Разложение плавиковой и серной кислотами.
- Хлорирование.
- Сплавление щелочами.
Продуктом данных реакций являются разнообразные виды хлоридов, оксидов и сульфатов, которые служат исходными материалами для получения чистых редкоземельных металлов. С этой целью используется методы химического восстановления кальцием, магнием и калием. Под этим подразумевается осаждение, ионный обмен и фракционная кристаллизация. Для очистки редкоземельных металлов от примесей применяют дистилляцию и вакуумный переплав.
Нахождение в природе
Как правило, редкоземельные элементы встречаются в природе совместно. Они образуют весьма прочные окислы, галоидные соединения, сульфиды. Для лантаноидов наиболее характерны соединения трёхвалентных элементов. Исключение составляет церий, легко переходящий в четырёхвалентное состояние. Кроме церия четырёхвалентные соединения образуют празеодим и тербий. Двухвалентные соединения известны у самария, европия и иттербия. По физико-химическим свойствам лантаноиды весьма близки между собой. Это объясняется особенностью строения их электронных оболочек.
Суммарное содержание редкоземельных элементов составляет более 100 г/т. Известно более 250 минералов, содержащих редкоземельные элементы. Однако к собственно редкоземельным минералам могут быть отнесены только 60 — 65 минералов, в которых содержание Ме2О3 превышает 5 — 8 %. Главнейшие минералы редких земель — монацит (Ce, La)PO4, ксенотим YPO4, бастнезит Ce[CO3](OH, F), паризит Ca(Ce, La)2[CO3]3F2, гадолинит Y2FeBe2Si2O10, ортит (Ca, Ce)2(Al, Fe)3Si3O12(O, OH), лопарит (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb)O3, эшинит (Ce, Ca, Th)(Ti, Nb)2O6. Наиболее распространён в земной коре церий, наименее — тулий и лютеций. По правилам Комиссии по новым минералам и названиям минералов (КНМНМ) Международной минералогической ассоциации (IMA) минералы с большим количеством редкоземельного элемента (или близких к редкоземельным иттрия и скандия) в составе получают специальный суффикс, «уточнитель Левинсона», например, известны два минерала: гагаринит-(Y) с преобладанием иттрия и гагаринит-(Ce) с преобладанием церия.
Несмотря на неограниченный изоморфизм, в группе редких земель в определённых геологических условиях возможна раздельная концентрация редких земель иттриевой и цериевой подгрупп. Например, с щелочными породами и связанными с ними постмагматическими продуктами преимущественное развитие получает цериевая подгруппа, а с постмагматическими продуктами гранитоидов с повышенной щёлочностью — иттриевая. Большинство фторкарбонатов обогащено элементами цериевой подгруппы. Многие тантало-ниобаты содержат иттриевую подгруппу, а титанаты и титано-тантало-ниобаты — цериевую. Некоторая дифференциация редких земель отмечается и в экзогенных условиях. Изоморфное замещение редких земель между собой, несмотря на разницу в их порядковых номерах, обусловлено явлениями «лантаноидного сжатия»: с увеличением порядкового номера происходит достройка внутренних, а не внешних электронных орбит, в результате чего объём ионов не увеличивается.
Селективное накопление редкоземельных элементов в минералах и горных породах может быть обусловлено различиями в их радиусах ионов. Дело в том, что радиусы ионов лантаноидов закономерно уменьшаются от лантана к лютецию. Вследствие этого возможно преимущественное изоморфное замещение в зависимости от степени различия в размерах замещённых ионов редкоземельных элементов. Так, в скандиевых, циркониевых и марганцевых минералах могут присутствовать только редкие земли ряда лютеций — диспрозий; в урановых минералах преимущественно накапливаются минералы средней части ряда (иттрий, диспрозий, гадолиний); в ториевых минералах должны концентрироваться элементы цериевой группы; в состав стронциевых и бариевых минералов могут входить только элементы ряда европий — лантан.
Рынок редкоземельных металлов
В настоящее время рынок редкоземельных металлов в упадке, и Китай планирует ограничить годовое производство до 140 000 метрических тонн, начиная с 2020 года, чтобы попытаться снова поднять цены.
Причины падения цен на редкоземельные металлы
Начнем с супермагнитов.
Неодим – редкоземельный элемент, примерно с концентрацией в земной коре, как свинец и хром, но сосредоточен в высокосортных рудах. В 1982 году Дженерал Моторс и японская компания Сумитомо обнаружили, что смешивание одной четвертой неодима по весу с тремя четвертями железа и бора может сделать самое мощное семейство супермагнетиков тогда известным, Nd2Fe14B и что свойства этих магнитов могут быть дополнительно улучшены путем добавления следов других редкоземельных металлов – празеодима плюс диспрозий или более дорогой тербий.
Китай, обладая большим количеством всех этих элементов и предпочитая добавленную стоимость экспорту сырья, создал индустрию супермагнитов, чьи низкие цены захватили большую часть мирового рынка и закрыли конкурентов. Китай также энергично проводит исследования и разработки, чтобы найти дальнейшее применение своей редкоземельной щедрости.
Даже в 2015 году, на долю Китая приходилось более 80% мирового редкоземельного производства, сейчас около 70 процентов – это неразумный баланс.
Технологические решения по уменьшению спроса
С 2010 года промышленники предупредили, что рынок редкоземельных металлов с монополией Китая на элементы супермагнитов могут сделать растущий глобальный переход на электрические автомобили и ветряные турбины невозможным – потому что их двигатели и генераторы якобы требовали супермагнитов и, следовательно, этих элементов. Некоторые такие сообщения были даже в 2017 году. Но это все подвергается сомнению. Все, что делают такие вращающиеся машины с постоянными магнитами, также может быть сделано или лучше двумя другими видами двигателей, которые не имеют магнитов.
Сейчас двигатели применяют современную управляющую программу и силовую электронику из кремния, самого распространенного твердого элемента на Земле.
Первый вид – это асинхронный двигатель, изобретенный Николой Теслой 130 лет назад и используемый в каждом электромобиле Приус и Тесла сегодня. Без магнитов изготавливают двигатели не только в электрических автомобилях, но также в ветротурбинах, что освобождает тонны неодима. То, что некоторые ветряные турбины и производители используют генераторы с постоянными магнитами, не означает, что другие должны их изготавливать также.
Точно также красные люминофоры в компактных люминесцентных лампах традиционно используют европий. Но эти лампы теперь в значительной степени вытеснены белыми светодиодами, которые используют примерно на 96 процентов меньше европия. Кроме того, новые красные люминофоры не используют редкоземельные металлы, в то время как последний зеленый люминофор сокращает использование тербия более чем на 90 процентов.
Эрбий в волоконно-оптических ретрансляторах – еще один редкоземельный элемент. Эрбий необходим чтобы увеличить емкость волокна. Ширина полосы частот сейчас увеличена путем передачи по мултиплексу и беспроволочными рационализаторствами.
Некоторые гибридные автомобили, такие как Honda Insight 2001 года, использовали никель-металл-гидридные батареи, содержащие лантан, но теперь они в значительной степени заменены более легкими литиевыми батареями, которые обычно не используют лантан. Кроме того, электромобилям с литиевыми батареями требуется в два—три раза меньше батарей по массогабаритным характеристикам.
Лидирующие на рынке литиевые батареи электромобиля в мире, как и их двигатели, вообще не используют редкие металлы. Количество электромобилей в мире растет. Появляются новые технологии в виде мощных потенциальных заменителей батарей (в частности, графеновые суперконденсаторы).
Страны, добывающие руды редких металлов
История добычи руд редких металлов такова, что до 90-ых голов прошлого века лидерами являлись:
- США – 17 тыс. т.
- СССР – 8,5 тыс. т.
- Китай – 6 тыс. т.
Затем ситуация изменилась и безусловным лидером становится Китай, производящий 120 тыс. т редких элементов в 2007-2008 годах. Но, начиная со второго десятилетия XXI-го века, власти Китая значительно ограничили добычу этого вида полезных ископаемых, что привело к росту цен и увеличению добычи в странах-конкурентах.
В том числе и в России, принявшей широкую программу освоения столь востребованных полезных ископаемых, предусматривающую общую добычу их в 2020 году на сумму в 145 млрд. рублей.
