Редкоземельные металлы

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 (лёгкие -La, Се, Рг, Nd, Sm, Eu) и иттриевого (тяжёлые -Y, 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 (Tm)

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

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