Насколько редки редкоземельные элементы на самом деле?

Редкоземельные элементы, группа из 17 металлов, сравнительно распространены в земной коре, но их добыча чрезвычайно сложна.

Неодим — один из редкоземельных элементов, добыча которого чрезвычайно затруднена. Фото: RHJ/Getty — Неодим — один из редкоземельных элементов, добыча которого чрезвычайно затруднена. Фото: *RHJ/Getty*

Редкоземельные элементы обладают многими полезными свойствами и поэтому пользуются большим спросом в энергетике и технологических отраслях. В эту группу входят 17 металлов, включая 15 металлических элементов, расположенных в нижней части периодической таблицы, а также два элемента: иттрий и скандий.

Наиболее ценными из этих элементов являются неодим, празеодим, тербий и диспрозий, которые действуют как сверхсильные миниатюрные магниты, являющиеся ключевым компонентом электронных устройств, таких как смартфоны, аккумуляторы электромобилей и ветряные турбины. Однако ограниченность поставок редкоземельных металлов является серьезной проблемой для компаний и правительств при производстве современных товаров первой необходимости.

Редкоземельные элементы не такие уж и редкие. Согласно исследованию Геологической службы США (USGS) распространенности кристаллов различных элементов (средней доступности в земной коре), большинство редкоземельных элементов присутствуют в тех же количествах, что и обычные металлы, такие как медь и цинк. «Они, конечно, не так редки, как такие металлы, как серебро, золото и платина», — сказал Аарон Нобл, профессор Политехнического университета Вирджинии.

Однако извлечение их из природных источников чрезвычайно сложно. «Проблема в том, что они не сконцентрированы в одном месте. В каждом килограмме сланца по всем Соединенным Штатам содержится около 300 миллиграммов редкоземельных элементов», — сказал Пол Земкевич, директор Института водных исследований Западной Вирджинии.

Обычно металлы концентрируются в земной коре в результате различных геологических процессов, таких как потоки лавы, гидротермальная активность и горообразование. Однако необычные химические свойства редкоземельных элементов означают, что они обычно не концентрируются вместе в этих особых условиях. Следы редкоземельных металлов разбросаны по всей планете, что делает их добычу неэффективной.

Иногда кислая подземная среда может немного увеличить количество редкоземельных элементов в определенных местах. Однако поиск этих мест — это только первая задача.

В природе металлы существуют в виде смесей, называемых рудами, содержащих молекулы металлов, связанные с другими неметаллами (противоионами) прочными ионными связями. Чтобы получить чистый металл, необходимо разорвать эти связи и удалить неметаллические вещества. Сложность работы зависит от металлов и неметаллов, с которыми они связаны.

«Медная руда обычно поступает в виде сульфидов (химических веществ, состоящих из серы и других элементов). Вы нагреваете руду до точки, где сульфиды улетучиваются в виде газа, а чистая медь падает на дно реактора. Это довольно простой процесс извлечения. Некоторые другие типы, такие как оксид железа, требуют добавок для высвобождения металла. Но отделение редкоземельных элементов гораздо сложнее», — объясняет Земкевич.

Редкоземельные металлы имеют три положительных заряда и образуют чрезвычайно прочные ионные связи с противоионами фосфата, каждый из которых имеет три отрицательных заряда. Поэтому процесс экстракции должен преодолеть чрезвычайно прочную связь между положительным металлом и отрицательным фосфатом.

«Редкоземельные руды — это очень химически стабильные минералы, и для их расщепления требуется много энергии и химической мощности. Обычно этот процесс требует чрезвычайно низкого pH, суровых условий и чрезвычайно высоких температур, поскольку связи в рудах невероятно прочны», — сказал Нобл.

Сложность выделения чистых элементов привела к появлению названия «редкоземельные элементы». Некоторые эксперты изучают новые методы переработки и извлечения этих ценных металлов из промышленных отходов и старой электроники, чтобы снизить нагрузку на текущие поставки. Они также пытаются воссоздать уникальные магнитные и электронные свойства редкоземельных элементов в новых соединениях, надеясь, что эти новые соединения станут более доступной альтернативой. Однако в настоящее время эффективных альтернатив редкоземельным металлам не существует, несмотря на растущий спрос.

Ту Тао (согласно Live Science )

Ссылка на источник