Pierwiastki ziem rzadkich, grupa 17 metali, występują stosunkowo obficie w skorupie ziemskiej, lecz ich wydobycie jest niezwykle trudne.
Neodym, jeden z pierwiastków ziem rzadkich, którego wydobycie jest niezwykle trudne. Zdjęcie: RHJ/Getty
Pierwiastki ziem rzadkich mają wiele użytecznych właściwości, które czynią je bardzo popularnymi w przemyśle energetycznym i technologicznym. Grupa ta obejmuje 17 metali, w tym 15 pierwiastków metalicznych znajdujących się na dole układu okresowego, a także 2 pierwiastki: itr i skand.
Najcenniejszymi z tych pierwiastków są neodym, prazeodym, terb i dysproz, które działają jak silne, miniaturowe magnesy – kluczowe elementy urządzeń elektronicznych, takich jak smartfony, akumulatory samochodów elektrycznych i turbiny wiatrowe. Jednak ograniczona podaż pierwiastków ziem rzadkich stanowi poważny problem dla firm i rządów produkujących te niezbędne dla współczesności dobra.
Pierwiastki ziem rzadkich wcale nie są takie rzadkie. Według badań USGS dotyczących krystalicznego składu różnych pierwiastków (ich średniego występowania w skorupie ziemskiej), większość pierwiastków ziem rzadkich występuje w ilościach zbliżonych do metali pospolitych, takich jak miedź i cynk. „Z pewnością nie są tak rzadkie jak metale takie jak srebro, złoto i platyna” – mówi Aaron Noble, profesor z Virginia Tech.
Jednak ich wydobycie ze źródeł naturalnych jest niezwykle trudne. „Problem polega na tym, że nie są one skoncentrowane w jednym miejscu. W każdym kilogramie łupków w Stanach Zjednoczonych znajduje się około 300 miligramów pierwiastków ziem rzadkich” – mówi Paul Ziemkiewicz, dyrektor Instytutu Badań nad Wodami Zachodniej Wirginii.
Zazwyczaj metale gromadzą się w skorupie ziemskiej w wyniku różnych procesów geologicznych, takich jak przepływy lawy, aktywność hydrotermalna i tworzenie się gór. Jednak niezwykłe właściwości chemiczne pierwiastków ziem rzadkich sprawiają, że rzadko gromadzą się one razem w tych szczególnych warunkach. Śladowe ilości pierwiastków ziem rzadkich są rozproszone po całej planecie, co sprawia, że ich wydobycie jest nieefektywne.
Czasami kwaśne środowisko podziemne może nieznacznie zwiększyć ilość pierwiastków ziem rzadkich w niektórych miejscach. Ale znalezienie tych miejsc to dopiero początek wyzwania.
W naturze metale występują jako mieszaniny zwane rudami, które zawierają cząsteczki metalu połączone z innymi niemetalami (przeciwjonami) silnymi wiązaniami jonowymi. Aby uzyskać czyste metale, trzeba rozerwać te wiązania i usunąć niemetale. Stopień trudności tego procesu zależy od metalu i niemetalu, z którymi są one związane.
„Ruda miedzi zazwyczaj występuje w postaci siarczków (substancji chemicznych składających się z siarki i innych pierwiastków). Rudę podgrzewa się do momentu, w którym siarczki uwalniają się w postaci gazu, a czysta miedź opada na dno reaktora. To dość prosty proces ekstrakcji. Niektóre inne rodzaje miedzi, takie jak tlenek żelaza, wymagają dodatków, aby uwolnić metal. Jednak oddzielanie pierwiastków ziem rzadkich jest znacznie bardziej skomplikowane” – wyjaśnia Ziemkiewicz.
Metale ziem rzadkich mają trzy ładunki dodatnie i tworzą niezwykle silne wiązania jonowe z przeciwjonami fosforanowymi, z których każdy ma trzy ładunki ujemne. Dlatego proces ekstrakcji musi pokonać niezwykle silne wiązanie między metalem o ładunku dodatnim a ujemną częścią fosforanową.
„Rudy ziem rzadkich to minerały bardzo stabilne chemicznie, a ich rozłożenie wymaga dużej ilości energii i mocy chemicznej. Zazwyczaj proces ten wymaga ekstremalnie niskiego pH, trudnych warunków i ekstremalnie wysokich temperatur, ponieważ wiązania w rudzie są niezwykle silne” – powiedział Noble.
Trudności w wyizolowaniu czystych pierwiastków sprawiły, że zyskały one nazwę „metali ziem rzadkich”. Niektórzy eksperci badają nowe metody recyklingu i ekstrakcji tych cennych metali z odpadów przemysłowych i starej elektroniki, aby zmniejszyć presję na obecne zasoby. Próbują również odtworzyć unikalne właściwości magnetyczne i elektroniczne metali ziem rzadkich w nowych związkach, mając nadzieję, że staną się one bardziej dostępnymi alternatywami. Jednak obecnie nie ma realnych alternatyw dla metali ziem rzadkich, pomimo rosnącego popytu.
Thu Thao (według Live Science )
Link źródłowy
Komentarz (0)