Насколько редки редкоземельные элементы на самом деле?

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

Неодим — один из крайне сложных в добыче редкоземельных элементов. Фото: RHJ/Getty — Неодим — один из крайне сложных в добыче редкоземельных элементов. Фото: *RHJ/Getty*

Редкоземельные элементы обладают множеством полезных свойств, что делает их очень востребованными в энергетической и технологической отраслях. Эта группа включает 17 металлов, в том числе 15 металлов в конце периодической таблицы, а также иттрий и скандий.

Наиболее ценными из этих элементов являются неодим, празеодим, тербий и диспрозий, которые выступают в качестве сверхмощных миниатюрных магнитов, являющихся важнейшим компонентом электронных устройств, таких как смартфоны, аккумуляторы электромобилей и ветряные турбины. Однако ограниченные запасы редкоземельных элементов являются серьезной проблемой для компаний и правительств при производстве этих необходимых в наше время товаров.

Редкоземельные элементы на самом деле не так уж и редки. Согласно исследованиям Геологической службы США (USGS) по содержанию различных элементов в кристаллической матрице (среднее содержание в земной коре), большинство редкоземельных элементов присутствуют примерно в тех же количествах, что и распространенные металлы, такие как медь и цинк. «Они, безусловно, не так редки, как такие металлы, как серебро, золото или платина», — сказал Аарон Нобл, профессор Вирджинского политехнического университета.

Однако извлечение их из природных источников крайне затруднительно. «Проблема в том, что они не сконцентрированы в одном месте. В каждом килограмме сланца на территории Соединенных Штатов содержится около 300 миллиграммов редкоземельных элементов», — сказал Пол Зиемкевич, директор Института водных исследований Западной Вирджинии.

Как правило, металлы концентрируются в земной коре в результате различных геологических процессов, таких как потоки лавы, гидротермальная активность и образование гор. Однако необычные химические свойства редкоземельных элементов означают, что в этих специфических условиях они обычно не концентрируются вместе. Следы редкоземельных элементов рассеяны по всей планете, что снижает эффективность их добычи.

В некоторых случаях кислая подземная среда может незначительно повышать содержание редкоземельных элементов в определенных местах. Однако обнаружение таких мест — лишь первая задача.

В природе металлы существуют в виде смесей, называемых рудами, содержащих молекулы металла, связанные с другими неметаллами (антиионами) прочными ионными связями. Для получения чистого металла эти связи должны быть разорваны, а неметалл удален. Сложность этой задачи зависит от металла и неметалла, с которым он связан.

«Медная руда обычно находится в виде сульфидов (химических соединений, содержащих серу и другие элементы). Руду нагревают до тех пор, пока сульфиды не начнут выделяться в виде газа, а чистая медь не осядет на дне реактора. Это довольно простой процесс извлечения. Для некоторых других металлов, таких как оксиды железа, требуются добавки для высвобождения металла. Но разделение редкоземельных элементов гораздо сложнее», — объясняет Зиемкевич.

Редкоземельные металлы имеют три положительных заряда и образуют чрезвычайно прочные ионные связи с фосфатными антиионами, каждый из которых имеет три отрицательных заряда. Поэтому в процессе экстракции необходимо преодолеть чрезвычайно прочную связь между положительно заряженным металлом и отрицательно заряженным фосфатом.

«Редкоземельные руды — это очень химически стабильные минералы, для разложения которых требуется огромное количество энергии и химической силы. Как правило, этот процесс требует чрезвычайно низкого уровня pH, суровых условий и чрезвычайно высоких температур, поскольку связи внутри руды невероятно прочны», — сказал Нобл.

Трудности с извлечением чистых элементов привели к тому, что их стали называть «редкоземельными». Некоторые эксперты исследуют новые методы переработки и извлечения этих ценных металлов из промышленных отходов и старой электроники, чтобы снизить нагрузку на существующие запасы. Они также пытаются воссоздать уникальные магнитные и электронные свойства редкоземельных элементов в новых соединениях, надеясь, что эти новые соединения станут более доступной альтернативой. Однако, несмотря на растущий спрос, в настоящее время эффективных альтернатив редкоземельным элементам не существует.

Ту Тао (согласно Live Science )

Ссылка на источник