Редкоземельные металлы

Несовместимость и коэффициент распределения.

В этой статье было сделано много замечаний по поводу совместимости и несовместимости элементов, и сейчас предстоит дальнейшие уточнение по поводу этих пунктов. Совместимость и несовместимость элементов в породах вулканического происхождения и геохимии представлены рядом значений, называемых коэффициентом распределения. Коэффициент распределения элемента в специфическом минерале – это выражение его способности к стабильному формированию части кристаллической решетки на протяжении всего минерала. Иначе говоря, коэффициент распределения элемента в отдельном минерале представлен количеством, с которым он входит или выходит в него в процессе нагревания или охлаждения, по сравнению с общей частью минеральной кристаллической решетки.

Коэффициент распределения – не число, которое отличает отдельный элемент от других, как его атомная масса, радиус или заряженность, это число, которое отражает направленность и расположенность элементов к особому способу поведения в специфических геохимических условиях. Эти числа, большей частью, являются обозначением функции ионного радиуса (актуальный физический размер) атома элемента в сравнении с точками кристаллических решеток в минерале, в которые они могут или не могут включаться, комбинируясь с валентностью атома или заряженностью (обычно +3) в отношении с заряженностью соседнего атома, с которым он может реагировать при специфических условиях (например, летучесть кислорода). Некоторые атомы просто не включаются в данные минералы. Это называется «несовместимость». Степень, с которой они не включаются и, соответственно, невозможность их присутствия в минерале, выражается численно.

Элемент с низким коэффициентом в большей степени вымывается при плавлении, а элементы с высоким коэффициентом более расположены к тому, чтобы быть сильно захваченными кристаллической решеткой и быть представленными в минерале. Другими словами, низкий коэффициент для отдельного минерала отражает его несовместимость с элементами, а высокий коэффициент показывает совместимые элементы. Что-либо с коэффициентом больше 1 считается совместимым, а с коэффициентом меньше 1 – несовместимым, хотя такое разделение довольно символическое.

Борьба за месторождения

Эксперты считают, что за месторождения редкоземельных металлов будет идти такая же конкурентная борьба, как и за углеводороды.

В 2013 году британская частная компания SRE Minerals заявила, что на территории КНДР, в провинции Пхёнан-Пукто, находится одно из крупнейших в мире месторождений редкоземельных элементов. Компания подписала с северокорейским правительством соглашение о его разработке на 25 лет. Также предусмотрено строительство перерабатывающего завода. По предварительным оценкам, запасы РЗЭ в этом районе превышают 200 млн тонн. Стоимость таких объёмов сырья исчисляется триллионами долларов. 

Также по теме

Индустрия без подзаряда: почему взлёт цен на кобальт угрожает производству смартфонов и электрокаров

Производство электрокаров, смартфонов и высокотехнологичных гаджетов может оказаться под угрозой. Всё дело в стремительном удорожании…

В 2014 году несколько российских компаний, включая НПО «Мостовик», начали переговоры с властями КНДР о сотрудничестве. Российская сторона должна была взяться за модернизацию и реконструкцию железнодорожной сети КНДР, получив в обмен доступ к разработке полезных ископаемых в стране. Речь, в первую очередь, шла о добыче редкоземельных элементов и строительстве горно-обогатительных комбинатов. Совместный проект, в который планировалось вложить более $25 млрд, получил название «Победа».

Ещё один регион, располагающий большими запасами редкоземельных элементов, — Африка. Одна только ЮАР занимает шестое место в мире по запасам редкозёмов.

Такие сырьевые богатства не могли не привлечь иностранцев. В конце 2017 года британская компания Rainbow Rare Earths начала добычу редкоземельных элементов на руднике Gakara в Бурунди.

В 2016 году власти другой африканской страны, Зимбабве, предложили России сотрудничество в сфере добычи редкоземельных металлов. С такой инициативой выступил министр шахт и развития горно-рудной промышленности страны Уолтер Чидаква.

Однако и Россию, и другие страны на африканском континенте теснит Китай: Пекин уже давно активно развивает своё экономическое присутствие в Африке.

Ещё один регион, где могут столкнуться интересы крупных держав, — Афганистан. Эта страна — настоящая кладовая минерального сырья, включая редкоземельные металлы. Речь, в частности, идёт о празеодиме — этот металл применяют для улучшения свойств ряда сплавов и изготовления специальных стёкол. Также в Афганистане можно добывать церий, неодим, лантан и самарий. Работы по разведке афганских недр начали ещё советские специалисты, продолжили искать РЗЭ здесь уже американцы в 2000-х годах. 

• Джелалабад, Афганистан
• AFP

Недавно Дональд Трамп и президент Афганистана Ашраф Гани договорились о добыче редкоземельных металлов американскими компаниями на территории республики. Американский лидер решил поколебать монополию КНР на рынке редкозёмов, и развитие зарубежных проектов играет приоритетную роль в этой стратегии, считают эксперты.

Соглашение с Канберрой также закономерно для Вашингтона, ведь страны близки в политическом отношении, а Австралия располагает богатыми запасами природных ресурсов, включая РЗЭ.

Важную роль на рынке редкоземельных элементов играет и Казахстан, богатый разнообразными природными ресурсами. Как пояснил Бельчук, за право разрабатывать казахстанские месторождения борются компании из Японии, Южной Кореи, Китая.

Технология обогащения

Сырьё, из которого извлекаются редкие металлы и элементы обычно содержат в себе десятые, а то и тысячные доли процента необходимых материалов.

Подготовительный процесс

Дробление и измельчение позволяют отделить добываемые минералы от пустой породы. В результате получается продукт приемлемой для дальнейшей переработки формы с заданной концентрацией добываемого металла.

В случае трудностями с обогащением (урановые руды или ряд других полезных ископаемых) применяют гидрометаллургические способы извлечения металлов. Для ряда ценных минералов крупноразмерной фракции используется ручная разработка руды на транспортёре.

Основной процесс

Основной процесс обогащения представляет собой механические, физические и химические процессы, целью которых является получение концентрата (продукта обогащения руды, обладающего повышенной концентрацией необходимого минерала) и отходов.

В случае переработки руд редких металлов применяют следующие виды обогащения:

• Дробление с последующей обработке на грохоте основано на разной степени твёрдости полезных и пустых пород.
• Скольжение нужных минералов по наклонной плоскости со скоростью отличной от неиспользуемых материалов.
• Гравитационное обогащение – принцип действия этого метода базируется на разной скорости падения зёрен минералов в газообразной или жидкой среде.
• Флотационное обогащение, – в основу которого положено изменение смачиваемости поверхности под воздействием флотореагентов.
• Магнитное обогащение разделяет материалы по их магнитным свойствам.
• Электростатическое обогащение основано на использовании различии электрических свойств минералов.

Вспомогательный процесс

Технологические процессы, способствующие проведению основных процессов переработки, носят название «вспомогательных».

Непосредственно из руд получить редкие металлы не представляется возможным. На выходе целого ряда сложных процессов основной переработки имеются лишь оксиды и соли. Конечных потребителей это, естественно, не устраивает, так как им требуются металлы высокой степени очистки.

Для решения этой проблемы применяют методы обогащения, суть которых заключается: в разложении, создании соединений нужной чистоты, получении технически чистого металла или сплавов с его наличием в их составе, рафинировании металла, получении слитков или изделий с одновременным формированием нужной физико-химической структуры. В основе этих методов лежат гидрометаллургические, химические и пирометаллургические процессы.

Химические свойства

Оксиды редкоземельных элементов. По часовой стрелке от центрального первого: празеодим, церий, лантан, неодим, самарий, гадолиний

Скандий, иттрий и лантаноиды имеют высокую реакционную способность. Химическая активность этих элементов особенно заметна при повышенных температурах. При нагревании до 300—400 °C металлы реагируют даже с водородом, образуя RH₃ и RH₂ (символ R выражает атом редкоземельного элемента). Эти соединения достаточно прочные и имеют солевой характер. При нагревании в кислороде металлы легко реагируют с ним, образуя оксиды: R₂O₃, CeO₂, Pr₆O₁₁, Tb₄O₇ (лишь только Sc и Y при помощи образования защитной оксидной плёнки являются стойкими на воздухе, даже при нагревании до 1000 °C). Во время горения данных металлов в атмосфере кислорода выделяется большое количество тепла. При сгорании 1 г лантана выделяется 224,2 ккал тепла. Для церия характерной особенностью является свойство пирофорности — способность искриться при разрезании металла на воздухе.

Диоксид церия

Лантан, церий и другие металлы уже при обычной температуре реагируют с водой и кислотами-неокислителями, выделяя водород. Из-за высокой активности к атмосферному кислороду и воде куски лантана, церия, празеодима, неодима и европия следует хранить в парафине, остальные из редкоземельных металлов окисляются плохо (за исключением самария, который покрывается плёнкой оксидов, однако не полностью разъедается ей) и их можно хранить в нормальных условиях без противоокислительных веществ.

Химическая активность редкоземельных металлов неодинакова. От скандия до лантана химическая активность возрастает, а в ряду лантан — лютеций — снижается. Отсюда следует, что наиболее активным металлом является лантан. Это обуславливается уменьшением радиусов атомов элементов от лантана до лютеция с одной стороны, и от лантана до скандия — с другой.

Эффект «лантаноидной контракции» (сжатия) приводит к тому, что следующие после лантаноидов элементы (гафний, тантал, вольфрам, рений, осмий, иридий, платина) имеют уменьшенные радиусы атомов на 0,2—0,3 Å отсюда и очень схожие их свойства со свойствами соответствующих элементов пятого периода.

В элементах — скандий, иттрий, лантан — d-оболочка предпоследнего электронного слоя только начинает образовываться, поэтому радиусы атомов и активность металлов в этой группе возрастают сверху вниз. Этим свойством группа отличается от других побочных подгрупп металлов, у которых порядок изменения активности противоположный.

Поскольку радиус атома иттрия (0,89 Å) близок к радиусу атома гольмия (0,894 Å), то по активности этот металл должен занимать одно из предпоследних мест. Скандий же из-за своей активности должен располагаться после лютеция. В этом ряду ослабляется действие металлов на воду.

Редкоземельные элементы чаще всего проявляют степень окисления +3. Из-за этого наиболее характерными являются оксиды R₂O₃ — твёрдые, крепкие и тугоплавкие соединения. Будучи основными оксидами, они для большинства элементов способны соединяться с водой и создавать основания — R(OH)₃. Гидроксиды редкоземельных металлов малорастворимы в воде. Способность R₂O₃ соединяться с водой, то есть основная функция, и растворимость R(OH)₃ уменьшаются в той же последовательности, что и активность металлов: Lu(OH)₃, а особенно Sc(OH)₃, проявляют некоторые свойства амфотерности. Так, кроме раствора Sc(OH)₃ в концентрированном NaOH, получена соль: Na₃Sc(OH)₆·2H₂O.

Поскольку металлы данной подгруппы активны, а их соли с сильными кислотами растворимы, они легко растворяются и в кислотах-неокислителях, и кислотах-окислителях.

Все редкоземельные металлы энергично реагируют с галогенами, создавая RHal₃ (Hal — галоген). С серой и селеном они также реагируют, но при нагревании.

Использование редкоземельных металлов

Редкоземельные элементы (РЗЭ) представляют собой очень востребованную на сегодняшний день группу элементов. Их используют во многих областях, активно развивающихся в настоящее время.

Очень сложно переоценить значение данных веществ. Новые исследования позволяют предположить, что развитие технологий с применением РЗЭ позволять снизить или даже полностью ликвидировать энергетическую зависимость государств. На их основе разрабатываются технологии будущего в таких сферах как, здравоохранение, оборона, компьютерная промышленность и всевозможные гаджеты для связи. К тому же они позволяют применять «зеленые технологии» (электрические автомобили, очищение воды, солнечная энергия, катализаторы).

Сплав с использованием РЗЭ позволяет создавать несущие конструкции, которые можно использовать в самолетостроении, причем при производстве сверхзвуковых моделей. Данные элементы весьма востребованы в космической отрасли. Иллюминаторы, изготавливаемые при добавлении РЗЭ способны выдерживать просто невероятные механические нагрузки.

Отраслевое потребление редкоземельных металлов в мире

Продукция	2010 г.	2015 г.
	тыс. т	$ млн.	тыс. т	$ млн.
Катализаторы	17,5	75	16,5	66
Полировальные средства	11,5	80	20,0	50
Стекло	14,0	70	12,5	47
Сплавы	12,5	75	12,5	63
Магниты	10,5	130	8,0	75
Люминофоры	6,0	300	4,5	158
Керамика	3,0	40	2,5	30

Общие закономерности концентрации и распространения РЗЭ.

Сдерживающая родительская литологическая и петрогенетическая среда гор обеспечивает при процессах плавления различия в общем количестве и распределении элементов всего класса, но не все интерпретации этого сложны. Во-первых, как отмечалось ранее, какая-либо степень плавления и сортировки будет результировать, главным образом, обогащенными РЗЭ в продуктах самых низких температур плавления и наиболее подвижных вулканических горных породах. Как результат, общая структура может быть рассмотрена во всей солнечной системе. Свободный Cl в большом количестве представлен в Солнечной системе. Твердые планеты обогащены этими хлорными хондритами. Кора скальных планет более обогащена, чем мантия. Высоко распределенные кислые породы сильнее обогащены по сравнению с их мафитовыми и ультра-мафитовыми прародителями и т.д.

Вторая главная тенденция в поведении РЗЭ – это то, как они взаимодействуют с исходными и производными объемами горных пород, общее обогащение или обеднение тяжелых РЗЭ относительно легких. К тяжелым относится группа элементов от тербия до лютеция. Элементы, относящиеся к тяжелым, обладают большей атомной массой. Легкие РЗЭ – от лантана до гадолиния. Они обладают меньшей атомной массой. По мере возрастания атомного номера РЗЭ наблюдается хоть и небольшое, но устойчивое снижение ионного радиуса.  Несмотря на то, что изменение несущественно, оно создает ощутимый эффект на совместимость РЗЭ, обусловленную меньшим или большим атомным номером. Иными словами, так как тяжелые РЗЭ меньше по размерам, они лучше включены в кристаллическую решетку формирующих силикатов, чем легкие РЗЭ. Это значит, что они, по сравнению с легкими РЗЭ, обедняют формирующиеся впоследствии породы, что сильно изменит распределение РЗЭ в пользу светлого конца спектра. Крайнее проявление этого – в появлении силикатов гранатового цвета, в которых тяжелые РЗЭ высоко совместимы с любыми стандартами.

Третья главная тенденция в использовании РЗЭ для интерпретации вулканических петрогенетических отношений – это разработка аномалии европия в его ответе на кристаллизацию плагиоклаза. Хотя эта функция очень специфична, она заметна в таком большом проценте участков РЗЭ, что трудно ее недооценить. Европий, как отмечалось выше, способен менять заряженность с +3, характерной для всех РЗЭ, на +2, путем присоединения одного валентного электрона. Как результат, европий может замещать кальций в плагиоклазовых кристаллических решетках. Плагиоказовый полевой шпат – один из самых распространенных минералов каменных участков Солнечной системы. Температуры его кристаллизации и плавления умеренные, поэтому он – частый участник процессов плавления и кристаллизации горных пород на протяжении вулканических процессов. Так как плагоклаз изолирует европий в своих кристаллических решетках, породы, кристаллизованые из расплавленной массы, после того, как плагиоклаз был кристаллизован в достаточно больших количествах, будут показывать снижение уровня РЗЭ, из которых извлечен европий. Также расплав, который включает в себя первично кристаллизованный плагиоказ, может показать возрастающее количество европия в сравнении с уровнем других РЗЭ. Суммируя все это, можно сказать, что если в процесс кристаллизации включен плагиоклаз , то будет наблюдаться положительный (плавление) или отрицательный (кристаллизация) рост аномалии европия.

Эти три примера только часть из возможных способов, при которых тонкие различия в ионном радиусе или заряженности могут провоцировать большие различия в совместимости минералов и последующих элементных коэффициентов распределения. Эти типы различений делаю РЗЭ очень чувствительным инструментом для рассмотрения и понимания дифференциации на всех уровнях – от планетарного до очень локального.

Химические свойства

Редкоземельные металлы в сухом воздухе покрываются тонкой пленкой, в основе которой лежат их оксиды. Она служит эффективной защитой как от механического, так и химического воздействия.

Во влажной среде они начинают медленно окисляться и трансформируются в гидроксиды. Данные процессы имеют место при температуре окружающей среды более 250 ºC. При 450 ºC редкоземельные металлы в кислородной среде сгорают до оксидов с активным выделением тепла.

Редкоземельные металлы охотно вступают в реакции с серой и хлором. При нагревании также взаимодействует с бромом и йодом.

Редкоземельные металлы растворяются в кислотах минеральной группы. Инертны по отношению к большинству видов щелочей.

Редкоземельные элементы – основные производители

В настоящее время основным разработчиком, а также потребителем РЗЭ, является Китай. Около 95% РЗЭ добывается в этой стране. Данные элементы двигают технический прогресс вперед, и помогают создавать новые, более совершенные технические новинки, приносящие несомненную пользу человечеству.

Это позволяет Китаю регулировать цены на данное сырье, а также устанавливать квоты на потребление. Китай активно наращивает запас данного ресурса для своих собственных нужд.

Ранее США также весьма активно разрабатывали месторождения, но сейчас практически прекратили добычу. Элементы добываются открытым способом и наносят непоправимый ущерб почве и здоровью рабочих, именно по этой причине многие месторождения перестали разрабатываться.

На сегодняшний день Россия находится на втором месте как поставщик редкоземельных элементов.

Сфера применения

Производство и потребление редких металлов и элементов растёт с каждым годом. Особую потребность в них испытывают самые перспективные отрасли науки и техники.

Радиоэлектроника

Саму основу полупроводниковых приборов составляют такие химические элементы, как галлий, германий, индий, селен, теллур. В современных мобильных устройствах насчитывается порядка двух десятков редкоземельных металлов. Стоящие на каждом рабочем столе дисплеи мониторов содержат в своём составе европий, иттрий, тербий. На базе ниобия созданы сверхпроводящие материалы. Создание современной электронной лампы невозможно без бериллия, вольфрама, молибдена, циркония и тория.

Приборостроение

Очень широкое применение редкие металлы находят в приборостроении. Это, прежде всего рубидий и цезий – наиболее востребованные материалы при производстве фотоэлементов. Кроме того из редких металлов изготавливают сверхмощные магниты, электровакуумную технику, люминесцентные лампы, солнечные батареи. Множество современных технических средств содержит в своём составе драгоценные материалы: платину, золото, серебро, иридий, палладий, родий. Радиоактивные металлы широко используются в изготовлении приборов для научных исследований и медицины.

Атомная техника

Использование явления радиоактивности в своё время послужило основой создания ядерной энергетики. Реакторы современных атомных электростанций, ледоколов, атомных подводных лодок работают на уране. Кроме того в атомной технике достаточно широко используются: бериллий, цирконий, гафний, ниобий, тантал, ванадий и литий. И это – далеко не предел. Современные исследования термоядерных реакций, а в перспективе и создание новых атомных установок в самых различных отраслях потребуют всё большего привлечения редких минералов и элементов.

Машиностроение

Современное машиностроение имеет в своём арсенале более 60 металлов и тысячи сплавов. Значительную часть из них составляют редкие металлы. Очень часто они выступают в качестве важных добавок в составе сплавов. Именно благодаря таким добавкам, создаются высокопрочные соединения, устойчивые к высоким температурам, химическому и механическому воздействию, коррозии.

Сфера применения редких металлов в машиностроении всеобъемлюща. Они встречаются всюду: начиная от нано технологий – до изготовления космических аппаратов и гигантских судов.

Химическая промышленность

Химическая отрасль немыслима без использования редких металлов и их соединений. Они повсюду: в технологическом оборудовании, среди контрольно-измерительных приборов и непосредственно в самих химических процессах. С помощью катализаторов из редких металлов сегодня мы получаем сахар, спирт, щавелевую кислоту, производим разнообразные виды топлив и технологическое сырьё.

Металлургия

Именно металлургия служит основным проводником редких металлов во все отрасли мирового хозяйства. Ведь лишь благодаря самим металлургическим процессам и получаются готовые изделия этих химических элементов. Но это далеко не всё. Важную роль играют эти минералы и в производстве чёрной и цветной металлургии, позволяя получать металлы и сплавы с заранее заданными свойствами.

Редкий Земеля или актив который может удвоится.

• • 21 мая 2019, 19:15
  • |
  • Sarmatae

Здравствуйте, коллеги!

Наш коллега уже высказался по этому вопросу: Китай повышает ставки в торговой войне

У коллеги с другого ресурса так же прочитал материал о возможном росте акций компаний добывающих редкоземельные металлы. Процитирую: «С учетом того что Китай действительно может ввести (не сейчас, так позже) эмбарго на поставку редкоземельных металлов в США, есть смысл подумать вот о чем. Китай — не монополист. Это значит, что цены на „мировом рынке минус Китай“ в случае введения РЕАЛЬНОГО эмбарго вырастут, причем очень сильно. Это значит, что доходы компаний, которые занимаются добычей этих элементов ВНЕ Китая, быстро увеличатся и не исключено, что можно будет увидеть хороший подскок цены их акций сразу после введения такого эмбарго. То есть потенциальный катализатор резкого роста — есть, а негативных специфических катализаторов — нет, единственное что может обвалить эти акции — мировой кризис или рецессия, но этот класс акций будет тогда „валиться“ вместе со всеми остальными. портфель единственного известного мне ETF, который специализируется на компаниях, добывающих редкоземельные металлы — это VanEck Vectors Rare Earth/Strategic Metals ETF –  „

( Читать дальше )

Азиатско-Тихоокеанский регион будет доминировать на мировом рынке.

Азиатско-Тихоокеанский регион доминировал на мировом рынке в 2019 году. С ростом автомобильного производства, увеличением инвестиций в отрасль здравоохранения, а также ростом спроса и производства керамики потребление редкоземельных элементов также, согласно прогнозам, заметно возрастет в регионе в течение прогнозируемого периода.

Производство автомобилей увеличивается в таких странах, как Индия, Таиланд, Вьетнам и Индонезия

Китай, крупнейший в мире производитель автомобилей, уделяет основное внимание увеличению производства и продажи электромобилей в стране. С этой целью в стране запланировано увеличить производство электромобилей (EV) до 2 миллионов в год к 2021 году и до 7 миллионов в год к 2025 году. Китай имеет крупнейшую в мире базу по производству электроники

Страна обслуживает не только внутренний спрос на электронику, но и экспортирует электронную продукцию в другие страны. С увеличением располагаемых доходов среднего класса в стране и повышением спроса на электронные товары в странах, импортирующих электронные товары из Китая, производство электроники будет расти

Китай имеет крупнейшую в мире базу по производству электроники. Страна обслуживает не только внутренний спрос на электронику, но и экспортирует электронную продукцию в другие страны. С увеличением располагаемых доходов среднего класса в стране и повышением спроса на электронные товары в странах, импортирующих электронные товары из Китая, производство электроники будет расти.

Такие страны, как Индия, Южная Корея и Япония, также являются одними из основных стран, производящих электронную продукцию. Индия стала свидетелем инвестиций в электронную промышленность, что обусловлено государственными инициативами и стимулами, предлагаемыми для увеличения производства электроники в стране.

Спрос и производство керамики наиболее высоки в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Растущий спрос на керамику в таких отраслях, как аэрокосмическая и оборонная промышленность, энергетика, здравоохранение и производство потребительских товаров, стимулирует производство в керамической промышленности.

Следовательно, такие рыночные тенденции, вероятно, будут стимулировать спрос на такие продукты, как магниты, керамика, стекло и т. д. В регионе, что, как ожидается, будет стимулировать рост рынка редкоземельных элементов в ближайшие годы.

Рынок редкоземельных элементов – это фрагментированный рынок, на котором множество игроков занимают незначительную долю, чтобы индивидуально влиять на динамику рынка. Некоторые из заметных игроков на рынке включают Avalon Advanced Materials Inc, Rare Element Resources Ltd, Eutectix, Shin-Etsu Chemical Company, Alkane Resources Ltd и другие.