Co jsou to kovy vzácných zemin?

Kovy vzácných zemin v periodické tabulce prvků.

"Vzácná země" kovy nejsou tak vzácné, jak znějí – ve skutečnosti pravděpodobně některé používáte právě teď. Jsou klíčem k celé řadě běžných zařízení, od tabletových počítačů a televizorů po hybridní automobily a větrné turbíny, takže může být povzbudivé vědět, že ve skutečnosti je běžných několik druhů. Cerium je například 25. nejhojnějším prvkem na Zemi.

Tak proč se jim říká "vzácný" Země? Název zmiňuje jejich nepolapitelný charakter, protože 17 prvků málokdy existuje v čisté formě. Místo toho se rozptylují difuzně s jinými minerály v podzemí, takže je nákladné těžit.

A bohužel to není jejich jediná nevýhoda. Těžba a rafinace vzácných zemin vytváří nepříznivý dopad na životní prostředí, což vede většinu zemí k zanedbávání vlastních rezerv, i když poptávka stoupá. Čína byla hlavní výjimkou od počátku 90. let, kdy dominovala světovému obchodu se svou ochotou intenzivně těžit vzácné zeminy – a vypořádat se s jejich kyselými radioaktivními vedlejšími produkty. To je důvod, proč USA, přestože vlastní vlastní ložiska, stále získávají z Číny 92 procent vzácných zemin.

To nebyl problém teprve nedávno, když Čína začala zpřísňovat svírání na vzácných zeminách. Země poprvé zavedla obchodní limity v roce 1999 a její vývoz se od roku 2005 do roku 2009 snížil o 20 procent. Poté v roce 2010 vzali dramatický nosedive a v průběhu sporu s Japonskem stlačili globální zásoby a v posledních letech se ještě více snížili. Čína tvrdí, že je lakomá z ekologických důvodů, nikoli z ekonomického vlivu, ale škrty však přesto způsobily velké cenové špičky. Cena například 129 USD za libru v květnu 2011, například z pouhých 19 USD o rok dříve.

Mnoho zákazníků z Číny již nakupuje v okolí: Vklady v Rusku, Brazílii, Austrálii a jižní Asii vzbudily široký zájem, stejně jako jediný vzácný zemní důl v USA. Přestože se tento důl znovu otevřel po desetiletí dlouhé přestávce – a drží největší ložisko vzácných zemin mimo Čínu – USA, stejně jako mnoho zemí, nechtějí být novým světovým zdrojem zdrojů vzácných zemin. "Zásadní jsou diverzifikované globální dodavatelské řetězce," energetické oddělení uvedlo ve zprávě a2010.

Proč tolik zemí nechce využívat vlastní zásoby vzácných zemin? A díky čemu jsou vzácné zeminy tak jedinečné na začátku? Odpovědi na tyto a další otázky najdete v následujícím přehledu těchto 17 záhadných kovů.

Vzácné plemeno

Většina výzev vzácných zemin spočívá v jejich schopnosti plnit nejasné a velmi specifické úkoly. Europium poskytuje například červený fosfor pro televizory a počítačové monitory a nemá žádnou známou náhradu. Cerium podobně ovládá i průmysl leštění skla "prakticky všechny výrobky z leštěného skla" v závislosti na tom, podle amerického geologického průzkumu.

Permanentní magnety jsou další velkou úlohou vzácných zemin. Jejich nízká hmotnost a vysoká magnetická síla umožnily miniaturizovat širokou škálu elektronických součástek, včetně mnoha používaných v domácích spotřebičích, audio / video zařízeních, počítačích, automobilech a vojenských zařízeních. Inovace jako malé, multi-gigabajtové skokové mechaniky a DVD mechanismy by pravděpodobně neexistovaly bez magnetů vzácných zemin, které jsou často vyráběny z neodymové slitiny, ale mohou také obsahovat praseodym, samarium, gadolinium nebo dysprosium..

Produkce vzácných zemin může způsobit problémy se životním prostředím, ale má také ekologickou stránku. Jsou životně důležité například pro katalyzátory, hybridní automobily a větrné turbíny, jakož i pro energeticky úsporné zářivky a systémy s magnetickým chlazením. Výhodou je také jejich nízká toxicita, protože baterie typu lanthanum-nikl-hydrid pomalu nahrazují starší druhy, které používají kadmium nebo olovo. Červené pigmenty z lanthanu nebo ceru také postupně odstraňují barviva, která obsahují různé toxiny. (Další informace viz níže uvedený seznam kovů vzácných zemin a jejich použití.)

Podívej, jehož toxin

Spousta zelených technologií se spoléhá na vzácné zeminy, ale paradoxně výrobci vzácných zemin mají dlouhou historii poškozování životního prostředí při získávání kovů. Stejně jako mnoho průmyslových odvětví, které zpracovávají minerální rudy, končí i toxickými vedlejšími produkty známými jako "ocasy," které mohou být kontaminovány radioaktivním uranem a thiem. V Číně jsou tyto hlušiny často ukládány do "jezera vzácných zemin" jako ty na obrázku níže:

Satelitní pohled na čínský komplex vzácných zemin Baotou. Doly jsou vpravo nahoře; odpadní jezera jsou vlevo.

Jako zpravodaj AFP si zemědělci v blízkosti čínského dolu Baotou stěžují na umírání plodin, ztracené zuby a ztracené vlasy, zatímco testy na půdu a vodu ukazují vysokou hladinu karcinogenů v této oblasti. Čína teprve nedávno začala zakazovat takové znečištění, možná se poučila z lekce Mountain Pass v Kalifornii, která zásobovala většinu vzácných zemin světa, dokud ji v roce 2002 nezvratily ekonomické a ekologické tlaky. Zisky dolu po léta klesaly, protože Čína srazila ceny vzácných zemin svou vlastní těžbou šílenství, zatímco řada úniků odpadních vod v letech 1984 až 1998 rozlila tisíce galonů toxického kalu do kalifornské pouště, čímž šikanovala veřejný obraz dolu.

Když však čínská produkce nyní klesá, rostoucí ceny opět otevřely dveře pro Mountain Pass. V dubnu 2011 společnost Molycorp Mineralshosted slavila událost ohlašující návrat svého nečinného dolu, o kterém někteří politici tvrdí, že je klíčem k omezení dovozu ze Spojených států na dovoz. "Musíme se odstavit z naší úplné závislosti na Číně pro vzácné zeminy," Rep. Mike Coffman, R-Colo., Řekl Financial Times. Vzhledem k celosvětovému významu vzácných zemin je těžké nesouhlasit, ale strašidlo úniků stále přetrvává. Molycorp to ví, generální ředitel Mark Smithtold v Atlantiku v roce 2009, a chce být "ekologicky lepší, nejen kompatibilní." Společnost utrácí 2,4 milionu dolarů ročně na monitorování a dodržování předpisů, což zvyšuje náklady, ale Smith říká, že to neodradí úzkostné kupce. "Jsme kontaktováni společnostmi z žebříčku Fortune 100, kteří se obávají, kde dostanou další libru [vzácných zemin]," hetoldBloomberg News. "O čem s námi chtějí mluvit, jsou dlouhodobé, stabilní a bezpečné zásoby."

Během následujících 30 let může společnost Molycorp prohloubit svou jámu v Mountain Pass (na obrázku) o dalších 300 stop, což by mohlo zvýšit celosvětové zásoby vzácných zemin o 10 procent ročně. A není to jediná společnost, která by chtěla využít americké rezervy: Wings Enterprises obnovuje svůj důl Pea Ridge ve státě Missouri, zatímco v roce 2014 se může otevřít nový důl ve Wyomingu. Celkově odborníci říkají, že růst těžby vzácných zemin je jen nevyhnutelný, přidání toxické hvězdičky do mnoha technologií určených k boji proti změně klimatu.

Může však existovat jeden způsob, jak snížit poptávku po nové těžbě: recyklace vzácných zemin. Čínské vývozní politiky vedly některé japonské společnosti k recyklaci vzácných zemin, jako je Mitsubishi, která studuje náklady na opětovné použití neodymu a dysposia z praček a klimatizačních zařízení. Společnost Hitachi, která ročně spotřebuje až 600 tun vzácných zemin, plánuje recyklaci, aby splnila 10 procent svých potřeb. Spojené království také nedávno zahájilo projekt sledování vyřazených "elektronický odpad" jako mobilní telefony a televizory, a doufat, že podpoří recyklaci nejen vzácných zemin, ale také zlata, stříbra a mědi. Dokud však tyto programy nebudou nákladově efektivnější, USA a další země téměř jistě budou testovat, jak vzácné – a jak bezpečné – opravdu vzácné zeminy jsou..

Seznam vzácných zemin

Tady je bližší pohled na některé způsoby použití každého prvku vzácných zemin:

  • Skandium:Přidáno k rtuťovým výbojkám, aby jejich světlo vypadalo spíše jako sluneční světlo. Používá se také v některých typech atletických zařízení – včetně hliníkových baseballových pálek, rámů jízdních kol a lakrosových tyčinek – stejně jako v palivových článcích..
  • Yttrium:Vytváří barvy v mnoha televizních obrazovkách. Vede také mikrovlny a akustickou energii, simuluje diamantové drahokamy a mimo jiné posiluje keramiku, sklo, slitiny hliníku a slitiny hořčíku.
  • Lanthanum:Jedna z několika vzácných zemin vyráběla uhlíkové obloukové lampy, které filmový a televizní průmysl používá pro osvětlení studio a projektorů. Také se nachází v bateriích, cigaretových zapalovačích a specializovaných typech skla, jako jsou objektivy fotoaparátu.
  • Cerium:Nejrozšířenější ze všech kovů vzácných zemin. Používá se v katalyzátorech a naftových palivech ke snížení emisí oxidu uhelnatého ve vozidlech. Používá se také v uhlíkových obloukových světlech, lehčích nálevech, leštičkách na sklo a samočisticích pecích.
  • Praseodym:Používá se především jako legovací činidlo s hořčíkem k výrobě vysoce pevných kovů pro letecké motory. Může být také použit jako zesilovač signálu v optických kabelech a pro vytvoření tvrdého skla svářečských brýlí..
  • Neodym:Používá se hlavně k výrobě výkonných neodymových magnetů pro pevné disky počítačů, větrné turbíny, hybridní automobily, sluchátka do uší a mikrofony. Používá se také k barvení skla a k výrobě lehčích kadidel a svářečských brýlí.
  • Promethium:Na Zemi se přirozeně nevyskytuje; musí být uměle vyrobeno štěpením uranu. Přidáno k některým druhům světelných barev a jaderných mikrobaterií, s potenciálním využitím v přenosných rentgenových zařízeních.
  • Samarium:Ve směsi s kobaltem se vytvoří permanentní magnet s nejvyšší demagnetizační odolností jakéhokoli známého materiálu. Zásadní pro stavbu "chytrý" rakety; také se používá v uhlíkových obloukových lampách, lehčích kadidlech a některých typech skla.
  • Europium:Nejreaktivnější ze všech kovů vzácných zemin. Používá se po desetiletí jako červený fosfor v televizních přijímačích – a v poslední době v počítačových monitorech, zářivkách a některých typech laserů – ale jinak má jen málo komerčních aplikací.
  • Gadolinium:Používá se v některých regulačních tyčích jaderných elektráren. Používá se také v lékařských aplikacích, jako je zobrazování magnetickou rezonancí (MRI), a průmyslově ke zlepšení zpracovatelnosti železa, chrómu a různých dalších kovů..
  • Terbium:Používá se v některých polovodičových technologiích, od pokročilých sonarových systémů až po malé elektronické senzory a palivové články určené k provozu při vysokých teplotách. Také produkuje laserové světlo a zelené fosfory v televizních zkumavkách.
  • Dysprosium:Používá se v některých regulačních tyčích jaderných elektráren. Používá se také v některých druzích laserů, osvětlení s vysokou intenzitou a ke zvýšení koercivity vysoce výkonných permanentních magnetů, jako jsou například ty, které se nacházejí v hybridních vozidlech.
  • Holmium:Má nejvyšší magnetickou sílu jakéhokoli známého prvku, díky čemuž je užitečný v průmyslových magnetech i v některých tyčích jaderné kontroly. Používá se také v laserech v pevném stavu a pomáhá barvit kubický zirkon a určité druhy skla.
  • Erbium:Používá se jako fotografický filtr a jako zesilovač signálu (aka "dopingový agent") v optických kabelech. Používá se také v některých tyčích pro jadernou regulaci, kovových slitinách a k barvení specializovaného skla a porcelánu ve slunečních brýlích a levných špercích..
  • Thulium:Nejvzácnější ze všech přirozeně se vyskytujících kovů vzácných zemin. Má málo komerčních aplikací, i když se používá v některých chirurgických laserech. Poté, co byl vystaven záření v jaderných reaktorech, je také používán v přenosné rentgenové technologii.
  • Ytterbium:Používá se v některých přenosných rentgenových zařízeních, ale jinak má omezené komerční využití. Mezi jeho speciální aplikace se používá u některých typů laserů, zátěžových měřičů zemětřesení a jako dopingový prostředek v optických kabelech.
  • Lutetium:Hlavně omezeno na speciální použití, jako je výpočet věku meteoritů nebo provedení skenování pozitronovou emisní tomografií (PET). Používá se také jako katalyzátor pro proces "praskání" ropné produkty v ropných rafinériích.

Více informací

Chcete-li se dozvědět více o kovech vzácných zemin, podívejte se na následující související odkazy a video:

  • USA v nebezpečí přerušení dodávek vzácných zemin
  • Mohla by se těžba vzácných zemin přesunout na Měsíc?

https://www.youtube.com/embed/4wPYbSjVrVQ

Kliknutím zobrazíte kredity obrázků

Obrazové kredity

Zpracování vzácných zemin: Ames National Laborator

Magnet vzácných zemin: americké energetické oddělení

Satelitní fotografie komplexu Baotou Steel: Google Eart

Rtuťové výbojky: National Institutes of Health

TV s plochou obrazovkou: americké energetické oddělení

Zaostřeno na studio: Images Jupiter

Návěs: Argonne National Laboratory

F-22 Raptor: Ministerstvo obrany USA

Větrná turbína: Národní laboratoř pro obnovitelné zdroje energie

Mikrobatérie: Národní laboratoř pro obnovitelné zdroje energie

Magnet vzácných zemin: Národní laboratoř Ames

Červené a modré lasery: Jeff Keyzer / Flickr

Jaderná chladicí věž: Národní laboratoř Los Alamos

Zelený laser: Oak Ridge National Laboratory

Porsche Cayenne Hybrid: fueleconomy.gov

Kubický zirkon: greencollander / Flickr

Sluneční brýle: Komise pro bezpečnost spotřebních výrobků

Ruční rentgen: NASA

Kabely z optických vláken: NASA

Duha naftového paliva: Guinnog / Wikimedia Commons

CS.AskMeProject