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一文搞懂稀土元素|论“新材料之母”的前世今生和战略价值

时间:2022-11-24 00:58:53 | 浏览:3917

科学前沿观天下 笃学明理洞寰宇电动汽车发动机、iphone手机、军用航天喷气发动机、电池、卫星……,这些看似互不相关的东西,却有一个共同点:都高度依赖于稀土元素才能正常制造。那么问题来了:什么是稀土?全球主要稀土产地什么是稀土稀土元素是化学

科学前沿观天下 笃学明理洞寰宇

电动汽车发动机、iphone手机、军用航天喷气发动机、电池、卫星……,这些看似互不相关的东西,却有一个共同点:都高度依赖于稀土元素才能正常制造。那么问题来了:什么是稀土?

全球主要稀土产地

什么是稀土

稀土元素是化学元素周期表中17种特殊元素的统称,包括元素周期表倒数第二排的15种镧系元素,以及钪(Sc)和钇(Y)。其形成于地表之下,顾名思义,具有很高的开采和提纯难度,目前仅有中国掌握类目完备的稀土开采技术。稀土是发展现代工业至关重要的战略资源,而我国稀土储量丰富,开采技术领先,在全球稀土市场处于绝对的优势地位。

元素周期表

稀土元素可能由火山活动被岩浆带上地表,它们的诞生甚至要早于地球。在宇宙形成之初的超新星爆炸中,大量稀土元素就已经产生了,而当地球形成时逐渐被吸收到地幔的最深处。随着构造活动造成地幔移动,稀土矿物开始随着岩浆等上升到地表,最终散布到整个地球表面。

价值远胜黄金

稀土亦被称为“工业黄金”,其具有其它元素所没有的磁性、耐热性和磷光特性,与其它元素相互作用形成性质独特的材料,被广泛应用于军事、新材料、航空航天等各个领域。据英国路透社报道,美国政府问责局(GAO)2016年的一份报告显示,美国国防部对稀土的需求仅占全美1%。小至智能手机,大至火箭、导弹,稀土都是其制造过程中无可替代的材料。

美国SpaceX猎鹰9号火箭

在国防军工行业,几乎所有高科技现代武器都需要稀土。美国雷神公司(Raytheon Company)和洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin Space Systems Company)等大型国防合约商都高度依赖于稀土元素。某些稀土元素对高精尖军事装备的制造必不可少,如喷气发动机、反导防御系统、卫星等。此外,夜视镜、精确制导武器、通信设备、电池和其他国防电子产品也离不开稀土元素。

稀土元素

稀土还有“新材料之母”的美誉,其具有优良的光电磁物理特性,可以与其它材料组成性能各异、品种繁多的新材料,大幅度提升和改善传统材料的性能。比如钕元素与铁、硼掺杂时,可以形成世界上最强的一类磁铁,广泛应用于iphone和硬盘驱动器中。

稀土开采十分具有挑战性

虽然稀土元素在地壳中的丰度远高于黄金,但目前地球上已经探明的可开采、提炼的稀土矿却少之又少,且开采成本高昂。怀俄明矿业协会宣称,建造一座稀土矿的成本可能高达5亿美元,而应用于电脑显示器和电视屏幕的稀土铕,每吨的价格约为71.2万美元。是什么导致稀土价格如此昂贵?

稀土矿

根据美国地质调查局(USGS)的数据,稀土元素在地壳中含量相对丰富,比如铥和镥,虽然是最不常见的两种稀土元素,但在地壳中的平均丰度是黄金的近200倍。然而,稀土元素在地球上的分布十分分散,很难找到具有丰富储量的稀土矿。

而找到具有一定储量的稀土矿只是其生产过程的第一步。稀土的提取和分离才是最困难的步骤,因为稀土很可能与周围的泥土、岩石和矿物沉积物发生化学反应。稀土专家Eugene Gholz称,稀土矿物开采出来后,面临的最大挑战就是将稀土元素从矿石中分离出来。

稀土矿

分离过程需要耗费大量的人力和金钱,化学工艺十分复杂和困难。一是因为稀土元素之间性质极其相似,分离提纯非常困难。二是因为开采得到的稀土矿中还有很多杂质,提纯过程往往需要重复数百次才能得到满足工业需求的稀土产品。

全球稀土市场霸主

中国稀土资源十分丰富,USGS的数据显示,全球地下稀土储量总计超过1.4亿吨,其中中国约有6100万吨,占据43.5%,储量全球排名第一。而且我国的稀土提取分离技术一直处于世界领先地位。过去十年里,我国稀土产量占据全球稀土供应量的90%以上,而且是唯一能够提供全部17种稀土元素的国家,已经成为世界上名副其实的稀土独家供应国。

1960年至今各国稀土产量及占比

2014至2017年,美国进口的稀土元素有80%来自中国。目前,整个美国只有一个可开采的稀土矿,每年开采约5.5万吨稀土精矿,但其产业链并不完备,需要将其运往中国才能继续进行深度加工。在中美贸易战的大背景下,5月29日美国国防部向白宫和国会提交了一份报告,要求获得更多的联邦资金以支持美国国内稀土产业的发展。

不过,日前外媒评论称“中国对稀土市场的控制不可能永远持续下去”,原因是全球多地发现了新的稀土矿藏,这会撼动我国在稀土行业的地位吗?

稀土矿

日本发现大型稀土矿床

根据发表在《Scientific Reports》的一项研究显示,日本南壁岛附近海域探测到大型稀土矿床,总储量在1600万吨左右,分析人士称可供全球使用数百年。据《日本经济新闻》报道,日本可能将于今年开展海底地质调查,2022年开始进行开采,以实现稀土金属的自给自足,摆脱对中国市场的依赖,甚至希望能够打破中国对稀土市场的霸主地位。

日本南壁岛附近海域示意图

但事实有这么简单吗?美国金属技术研究公司的创始人称,日本可能改变全球稀土市场的格局,促使稀土金属的开采处于有序的市场竞争当中。但是,日本海底稀土分布面积较为广阔,其平均丰度较低,加之海底开采难度大,耗费成本高,而且日本在稀土开采设备和经验上几乎为零,深海采矿船远落后于中国,因此谈撼动中国在稀土市场的地位尚为时过早。

作者/朱张航宇

信息源:USGS、Business Insider、Reuters

参考文献:

[1] Adams, J.W., and Staatz, M.H., 1973, Rare-earth elements, in Brobst, D.A., and Pratt, W.P., eds., United States mineral resources: U.S. Geological Survey Professional Paper 820, p. 547–556.

[2] Yutaro Takaya, Kazutaka Yasukawa, Takehiro Kawasaki, Koichiro Fujinaga.et al. The tremendous potential of deepsea mud as a source of rare-earth elements,Science Reports(2018).

[3] US Department of Energy (DOE). Critical Materials Strategy. DOE/PI-0009 (http://energy.gov/sites/prod/fles/DOE_CMS2011_ FINAL_Full.pdf) (2011).

[4] de Boer, J.L.M., Verweij, W., van der Velde-Koerts, T., and Mennes, W., 1996, Levels of rare earth elements in Dutch drinking water and its sources—Determination by inductively coupled plasma mass spectrometry and toxicological implications—A pilot study: Water Resources, v. 30, no. 1, p. 190–198.

[5] Sidder, G.B., Day, W.C., Nuelle, L.M., Seeger, C.M., and Kisvarsanyi, E.B., 1993, Mineralogic and fluidinclusion studies of the Pea Ridge iron-rare-earth-element deposit, southeast Missouri, chap. U of Scott, R.W., Jr., Detra, P.S., and Berger, B.R., eds., Advances related to United States and international mineral resources— Developing frameworks and exploration technologies: U.S. Geological Survey Bulletin 2039, p. 205–216.

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