稀土[xītǔ]一詞是歷史遺留下來的名稱;是元素周期表第Ⅲ族副族元素鈧、釔和鑭系元素共17種化學元素的合稱。鈧和釔因為經常與鑭系元素在礦床中共生,且具有相似的化學性質,故被認為是稀土元素。
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稀土元素是從18世紀末葉開始陸續發現,當時人們常把不溶於水的固體氧化物稱為土。稀土一般是以氧化物狀態分離出來的,又很稀少,因而得名為稀土。多數呈銀灰色,晶體結構多為HCP或FCC。主要有氟碳鈰、獨居石、鈰鈮鈣鈦礦等
人類第一種發現的稀土礦物是從瑞典伊特比村的礦山中提取出的矽鈹釔礦,許多稀土元素的名稱正源自於此地。
稀土元素氧化物是指元素週期表中原子序數為57 到71 的15種鑭系元素氧化物,以及與鑭系元素化學性質相似的鈧(Sc) 和釔(Y)共17 種元素的氧化物。
根據稀土元素原子電子層結構和物理化學性質,以及它們在礦物中共生情況和不同的離子半徑可產生不同性質的特徵,十七種稀土元素通常分為二組,分爲「輕稀土元素」和「重稀土元素」:
「重稀土元素」(或, 釔組稀土; 原子序數比較大):釓Gd、鋱Tb、鏑Dy、鈥Ho、鉺Er、銩Tm、鐿Yb、鎦Lu、镥、釔。
也有的根據物理化學性質的相似性和差異性,除鈧之外(有的將鈧劃歸稀散元素),劃分成三組,即
「輕稀土組」: 鑭、鈰、镨、釹、钷;
「中稀土組」: 釤、銪、钆、铽、鏑;
「重稀土組」: 钬、鉺、铥、鐿、镥、釔。
應用 (依用途):
稀土已被廣泛應用於冶金、機械、石油、化工、玻璃、陶瓷、紡織、皮革、農牧養殖、永磁材料各傳統方面領域, 都得到了廣泛的應用,在社會生活中幾乎隨處可見,它們神奇地隱藏在某種東西里。隨著科技的進步和應用技術的不斷突破,稀土氧化物的價值將越來越大。
一. 軍事方面:稀土有工業“黃金”之稱,由於其具有優良的光電磁等物理特性,能與其他材料組成性能各異、品種繁多的新型材料,其最顯著的功能就是大幅度提高其他產品的質量和性能。比如大幅度提高用於製造坦克、飛機、導彈的鋼材、鋁合金、鎂合金、鈦合金的戰術性能。而且,稀土同樣是電子、激光、核工業、超導等諸多高科技的潤滑劑。稀土科技一旦用於軍事,必然帶來軍事科技的躍升。從一定意義上說,美軍在冷戰後幾次局部戰爭中壓倒性控制,以及能夠對敵人肆無忌憚地公開殺戮,正緣於稀土科技領域的超人一等。
稀土金屬或氟化物、矽化物加入鋼中,能起到精煉、脫硫、中和低熔點有害雜質的作用,並可以改善鋼的加工性能;稀土矽鐵合金、稀土矽鎂合金作為球化劑生產稀土球墨鑄鐵,由於這種球墨鑄鐵特別適用於生產有特殊要求的複雜球鐵件,被廣泛用於汽車、拖拉機、柴油機等機械製造業;稀土金屬添加至鎂、鋁、銅、鋅、鎳等有色合金中,可以改善合金的物理化學性能,並提高合金室溫及高溫機械性能。
六. 農業方面作用:研究結果表明,稀土元素可以提高植物的葉綠素含量,增強光合作用,促進根係發育,增加根係對養分吸收。稀土還能促進種子萌發,提高種子發芽率,促進幼苗生長。除了以上主要作用外,還具有使某些作物增強抗病、抗寒、抗旱的能力。大量的研究還表明,使用適當濃度稀土元素能促進植物對養分的吸收、轉化和利用。玉米用稀土拌種,出苗、拔節比對照早1~2天,株高增加0.2米,早熟3~5天,而且籽粒飽滿,增產14%。大豆用稀土拌種,出苗提早1天,單株結莢數增加14.8~26.6個,3粒莢數增多,增產14.5%~20.0%。噴施稀土可使蘋果和柑橘果實的Vc含量、總糖含量、糖酸比均有所提高,促進果實著色和早熟。並可抑制貯藏過程中呼吸強度,降低腐爛率。
應用 (依元素):
1.鑭: 應用非常廣泛,如應用於壓電材料、電熱材料、熱電材料、磁阻材料、發光材料(蘭粉)、貯氫材料、光學玻璃、鐳射材料、各種合金材料等。她也應用到製備許多有機化工產品的催化劑中,光轉換農用薄膜也用到鑭,在國外,科學家把鑭對作物的作用賦與“超級鈣”的美稱。
2.鈰: 廣泛應用於(1)玻璃添加劑,能吸收紫外線與紅外線,現已被大量應用於汽車玻璃。不僅能防紫外線,還可降低車內溫度,從而節約空調用電。從1997年起,日本汽車玻璃全加入氧化鈰,1996年用於汽車玻璃的氧化鈰至少有2000噸,美國約一千多噸。(2)目前正將鈰應用到汽車尾氣淨化催化劑中,可有效防止大量汽車廢氣排到空氣中。美國在這方面的消費量占稀土總消費量的三分之一強。(3)硫化鈰可以取代鉛、鎘等對環境和人類有害的金屬應用到顏料中,可對塑膠著色,也可用於塗料、油墨和紙張等行業。目前領先的是法國羅納普朗克公司。(4)CeiSAF鐳射系統是美國研製出來的固體雷射器,通過監測色氨酸濃度可用於探查生物武器,還可用於醫學。鈰應用領域非常廣泛,幾乎所有的稀土應用領域中都含有鈰。如拋光粉、儲氫材料、熱電材料、鈰鎢電極、陶瓷電容器、壓電陶瓷、鈰碳化矽磨料、燃料電池原料、汽油催化劑、某些永磁材料、各種合金鋼及有色金屬等。
3.鐠: 是用量較大的稀土元素,其主要用於玻璃、陶瓷和磁性材料中。(1)鐠被廣泛應用於建築陶瓷和日用陶瓷中,其與陶瓷釉混合製成色釉,也可單獨作釉下顏料,製成的顏料呈淡黃色,色調純正、淡雅。(2)用於製造永磁體。選用廉價的鐠釹金屬代替純釹金屬製造永磁材料,其抗氧性能和機械性能明顯提高,可加工成各種形狀的磁體。廣泛應用於各類電子器件和馬達上。(3)用於石油催化裂化。以鐠釹富集物的形式加入Y型沸石分子篩中製備石油裂化催化劑,可提高催化劑的活性、選擇性和穩定性。我國70年代開始投入工業使用,用量不斷增大。(4)鐠還可用於磨料拋光。另外,鐠在光纖領域的用途也越來越廣。
4.釹: 是釹鐵硼永磁材料。釹鐵硼永磁體的問世,為稀土高科技領域注入了新的生機與活力。釹鐵硼磁體磁能積高,被稱作當代“永磁之王”,以其優異的性能廣泛用於電子、機械等行業。釹還應用於有色金屬材料。在鎂或鋁合金中添加1.5~2.5%釹,可提高合金的高溫性能、氣密性和耐腐蝕性,廣泛用作航空航太材料。另外,摻釹的釔鋁石榴石產生短波雷射光束,在工業上廣泛用於厚度在10mm以下薄型材料的焊接和切削。在醫療上,摻釹釔鋁石榴石雷射器代替手術刀用於摘除手術或消毒創傷口。釹也用於玻璃和陶瓷材料的著色以及橡膠製品的添加劑。隨著科學技術的發展,稀土科技領域的拓展和延伸,釹元素將會有更廣闊的利用空間。
5.鉕: 主要用途有(1)可作熱源。為真空探測和人造衛星提供輔助能量。(2)Pm147放出能量低的β射線,用於製造鉕電池。作為導彈制導儀器及鐘錶的電源。此種電池體積小,能連續使用數年之久。此外,鉕還用於可擕式X-射線儀、製備螢光粉、度量厚度以及航標燈中。
6.釤: 呈淺黃色,是做釤鈷系永磁體的原料,釤鈷磁體是最早得到工業應用的稀土磁體。這種永磁體有SmCo5系和Sm2Co17系兩類。70年代前期發明了SmCo5系,後期發明了Sm2Co17系。現在是以後者的需求為主。釤鈷磁體所用的氧化釤的純度不需太高,從成本方面考慮,主要使用95%左右的產品。此外,氧化釤還用於陶瓷電容器和催化劑方面。另外,釤還具有核性質,可用作原子能反應堆的結構材料,屏敝材料和控制材料,使核裂變產生巨大的能量得以安全利用。
7.氧化銪: 用於新型X射線醫療診斷系統的受激發射螢光粉。另, 可用於製造有色鏡片和光學濾光片,及用於磁泡貯存器件; 在原子反應堆的控制材料、屏敝材料和結構材料中也能一展身手。
8.釓在現代技革新中將起重要作用。它的主要用途有:(1)其水溶性順磁絡合物在醫療上可提高人體的核磁共振(NMR)成像信號。(2)其硫氧化物可用作特殊亮度的示波管和x射線螢光屏的基質柵網。(3)在釓鎵石榴石中的釓對於磁泡記憶記憶體是理想的單基片。(4)在無Camot迴圈限制時,可用作固態磁致冷介質。(5)用作控制核電站的連鎖反應級別的抑制劑,以保證核反應的安全。(6)用作釤鈷磁體的添加劑,以保證性能不隨溫度而變化。
應用 (依領域):
目前稀土元素的應用蓬勃發展,已擴展到科學技術的各個方面,尤其現代一些新型功能性材料的研製和應用,稀土元素已成爲不可缺少的原料。它被稱作新材料的“寶庫”,是材料科學家最關注的一組元素,被多個國家政府列爲發展高科技産業的關鍵元素。經過100余年的不斷發展,現在,我們身邊的各類物品中,含有稀土元素的真是不勝枚舉:每個人每天通過彩色電視機欣賞節目,在那美妙無比的五光十色背後,釔和銪起了重要作用;照相機鏡頭裏含有鑭;石英表、小型錄放影機裏裝有由釤或釹做成永久磁鐵;汽車用的汽油,實際上是經過含鑭、鈰等元素的催化劑提煉出來的。
以下是稀土元素在各領域的應用:
1. 磁性材料:釹、釤、鐠、鏑等是製造現代超級永磁材料的主要原料,其磁性高出普通永磁材料4~10倍,廣泛應用于電視機、音響、醫療設備、磁浮列車及軍事工業等高科技領域。據專家預測,本世紀末此類材料産值將達到35億美元。
2. 儲氫材料: 稀土與過渡元素的金屬間化合物MMNi5(MM爲混合稀土金屬)和LaNi5是優良的吸氫材料,被稱爲「氫海綿」。
3. 精密陶瓷:經氧化釔穩定的氧化鎬是性能十分優異的結構陶瓷,可製作各種特殊用途的刀剪;可以製作汽車發動機,因其具有高導熱、低膨脹系數、熱穩定性能好、在1650℃下工作強度不降低,有發動機馬力大、省燃料等優點 。
4. 催化劑:稀土除用于製造石油裂化催化劑外,廣泛應用于很多化學反應,如稀土氧化物La2O3、Nd2O3和Sm2O3用於環己烷脫氫製苯,用LnCoO3代替鉑催化氧化氨製硝酸。並在合成異戊橡膠、順丁橡膠的生産中作爲催化劑。
5. 電光源工業領域:稀土作爲熒光燈的發光材料,是節能性的光源,特點是光效好、光色好、壽命長。比白熾燈可節電 75~80%。
6. 顯示器的發光材料:稀土元素中釔、銪是紅色螢光粉的主要原料,廣泛應用於彩色電視機、計算機及各種顯示器。
7. 激光材料:稀土離子是固體激光材料和無機液體激光材料的最主要的催化劑,其中以摻Nd3+的激光材料研究得最多,除釔鋁石榴石(YAG)、鋁酸釔(YAP)玻璃等基本質外,高稀土濃度激光材料可能稱爲特殊應用的材料。目前許多國家已廣泛使用摻有稀土元素的晶體作激光器。
8. 冶金工業領域:稀土在冶金工業中應用量很大,約占稀土總用量的1/3。稀土元素容易與氧和硫生成高熔點且在高溫下塑性很小的氧化物、硫化物以及硫氧化合物等,鋼水中加入稀土,可起脫硫及脫氧作用,改善鋼的常、低溫韌性、斷裂性、減少某些鋼的熱脆性並能改善加熱工性和焊接件的牢固性。
9. 石油化工領域:稀土用於石油裂化工業中的稀土分子篩裂化催化劑,特點是活性高、選擇性好、汽油的生産率高。稀土在這方面的用量很大。
10. 玻璃工業領域:稀土在玻璃工業中有三個應用:玻璃著色、玻璃脫色和製備特種性能的玻璃。用於玻璃著色的稀土氧化物有釹(粉紅色並帶有紫色光澤)、鐠玻璃為綠色(製造濾光片)等;二氧化鈰可將玻璃中呈黃綠色的二價鐵,氧化成三價鐵而脫色,避免了過去使用砷氧化物的毒性,還可以加入氧化釹進行脫色;稀土特種玻璃如鈰玻璃(防幅射玻璃)、鑭玻璃(光學玻璃)。
11. 陶瓷工業領域:稀土可加入陶瓷和瓷釉之中,減少釉破裂並使其具有光澤。稀土更主要用作瓷器的顏料,稀土氧化物可以製造耐高溫透明陶瓷(應用于激光等領域)、耐高溫坩埚(冶金)。
12. 其他領域:
衆所周知,製造槍炮、炸彈、飛機、汽車、坦克、軍艦等用的特種鋼鐵;交通電信、電機用導線等,大多是多種金屬的合成産物;各種動力設備,發動機之發動需要燃料,煤炭和石油不可缺少;軍用建築、軍用設備,包括部分軍用物資如軍用服裝等,需用非金屬材料;製造原子彈氫彈,少不了鈾礦等放射性礦産品;如釔鋁榴石激光測距儀測距可達4,000 ~20,000米,精度爲±5 米。據稱,美、德、日、英、以色列的坦克等武器系統均采用這類激光測距儀。
稀土的需求量 (耗用):
稀土金屬(Rare-erth metal, 簡稱RE或REM) 被稱為是"21世紀的科技金屬" ,之所以如此稱呼是因為它的用途相當廣泛,從日常生活用到的汽車觸媒轉換器、石油精煉用催化劑、永磁馬達中的磁性材料、打火機的雷石、玻璃及陶瓷的染料等,到特殊領域用途如航太零件、電子、雷射、核能工業、超導體等,是高科技產業中不可或缺的添加劑;在冶金方面更可以大幅提高鋼材/鋁/鎂/鈦合金材料的性能,就連近來常常佔據新聞版面豐田汽車的 Prius,其電動馬達和電池運作也需要耗費大量的稀土金屬。儘管全球稀土的交易金額不過數十億美金,但卻是高科技產業關鍵原料,因此,工業大國無不將稀土金屬是為戰略資源,其重要性不言而喻。
世界各國對稀土與能源有關領域的研究給予極大重視。稀土資源發展前景極其光明,目前全世界稀土市場每年需求折合成稀土氧化物約8~9萬噸。
據經濟專家分析,稀土原料是電子、信息、激光、電磁、新材料等戰略産業必須的原料,釹、釤、鉺、釔、銪、銩、鈥等均離不開稀土。世界各國對稀土與能源有關領域的研究給予極大重視。稀土資源發展前景極其光明,目前全世界稀土市場每年需求折合成稀土氧化物約8~9萬噸。
從稀土的耗用量來看,日本是全球最大的稀土消費國之一,占世界稀土應用總量近30%的份額,年進口規模超過3萬噸,同時,日本也是目前世界上應用稀土實現附加值最高的國家,用於高新技術領域的稀土占到其總用量的90%以上,主要應用在永磁與拋光材料方面,2009年估計日本被分配到稀土總進口量約3.8萬噸,Toyota與Honda兩家車廠就可能耗用到所有的配額。因此日本從2007年起開始實施稀有金屬替代材料開發專案,針對銦(In)、鏑(Dy)、鎢(W)、白金(Pt)、鈰(Ce)、鋱(Tb)等進行替代材料的研發,期能減緩對大陸限制稀土出口所造成的衝擊。同時日本也已經開始尋找替代來源。據瞭解,Toyota已轉向加拿大(西北地區索爾湖開發中的稀土元素礦床)和越南尋求稀土資源,日本住友商事(Sumitomo)也已加速與哈薩克最大核能電力公司的合資計劃,以確保大陸以外的稀土金屬供應來源。
美國是世界上另一個稀土應用大國,用於高新技術領域的稀土占到其總用量的77%,每年的稀土進口規模約2萬噸,面對著稀土需求及大陸對稀土金屬輸出的管制,目前雖無稀土開採作業,但計畫將美國加州一處稀土元素礦場於2012年時重新開採,這個位於加州帕斯山(Mountain Pass)的露天礦場,面積廣達55英畝(22.3公頃),蘊含世界已知最豐富的一系列「稀土」(rare earth)金屬,開採計畫將由總部設於科羅拉多州(Colorado)的Molycorp Minerals LLC公司來進行,估計在未來數年內恢復提煉數千噸產品,以因應美國本身的需求。目前最大宗應用市場包括拋光微晶玻璃、車用觸媒轉換器、以及用在電腦螢幕、電燈、雷達、電視等的磷光劑。
產國 & 產地分佈
全世界已知有約9261萬噸稀土礦,其中有一半以上儲藏在中國。內蒙古包頭市的白雲鄂博混合礦儲量巨大,是目前世界第一大稀土礦。
在礦產供應上有著先天上的問題,那就是稀土金屬的蘊藏量雖不稀少,但分散,根據USGS的統計資料顯示,大陸就占了全球蘊藏量的1/3、內蒙古的白雲鄂博區更是全球最大的稀土礦區。全球稀土金屬蘊藏量分布情況分別為大陸(30.86%)、美國(14.88%)、澳洲(5.99%)、獨立國協(21.67%)、印度(1.30%)、巴西(0.10%)、馬來西亞(0.03%)及其他地區(25.17%)。自1980年中起,美國因為環保、開採成本高、失去價格競爭優勢等因素下,目前已不再開採。自2008年起大陸的稀土金屬產量已佔全球97%,是全球稀土金屬最主要的供應國,印度約2.2%,巴西與馬來西亞不到1%。
中國是唯一能夠提供全部17種稀土金屬的國家,已探明儲量為8389萬噸(稀土氧化物),佔世界總儲量的56%,居世界第一,是名副其實的「稀土大國」。大陸稀土金屬將牽絆著全球綠能產業未來的發展
但如果同1998年美國礦務局提供的數據相比,因過度開採和廉價出口(有媒體譏諷為「豬肉價」),中國稀土的儲量已下降了22%,目前,政府已準備出台相關措施以應對。號稱大陸「改革開放總設計師」的鄧小平就曾說過:「中東有石油,大陸有稀土」,北京很早就看出這類金屬的價值,現在大陸也效法「石油輸出國家組織」(OPEC)處理石油的態度,嚴加控管這類重要的天然能源供應。
其它擁有稀土資源的國家和地區有美國、獨立國協、澳洲、印度、加拿大、南非和巴西等,而歐盟和日本基本沒有稀土資源,它們的稀土來源主要從中國進口。
目前新聞是說,"據資源開發產業分析,北韓正在開發的696處礦山,有包括稀土類的42種礦物質資源,潛在價值高達6984兆韓元(約合6兆餘美元)。"
日本媒體報導,東京大學研究團隊在日本最東端的南鳥島周邊海域,發現含大量稀土的泥礦床。這是日本首度在專屬經濟海域發現稀土,蘊藏量相當於日本約230年的消費量。而且那是他們以知的含量,周邊可能蘊藏著幾千年也用不完的稀土。不過,那是在海面5600公尺下的海底,開採困難; 雖然日本方面宣稱只要運用從海底油田汲取原油的技術,就可能開發出深海汲取海泥的技術,研發出新系統後,再搭載日本的海洋研究開發機構擁有的「地球號」海洋資源探勘船,1天可汲取1萬5000噸的海泥。不過現實成面上來說,1萬5000噸海泥還要再提煉成稀土, 難度是相當高的.
其他:
「稀土」中的「土」字實際上指的是氧化物。這些元素被發現時人們以為它們在地球上分佈非常稀少。實際上它們在地殼內的含量相當高,最高的鈰是地殼中第25豐富的元素,比鉛還要高。而最低的「稀土金屬」鎦在地殼中的含量比金甚至還要高出200倍。因此,國際純粹與應用化學聯合會現在已經廢棄了「稀土金屬」這個稱呼。
每種稀土元素都存在放射性同位素,輻射強度夠的話就能致癌.
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