Metale ziem rzadkich

Metale ziem rzadkich (z ang. REE, RE - Rare Earth Elements, Rare Earths) - to pierwiastki składające się z grupy 15 lantanowców o liczbach atomowych od 57 do 71: lantan, cer, prazeodym, neodym, promet, samar, europ, gadolin, terb, dysproz, holm, erb, tul, iterb, lutet oraz dwóch skandowców: skand - l. a. (liczba atomowa) 21 i itr - l. a. 39.

Metale te charakteryzuje podobieństwo właściwości chemicznych i fizycznych wynikające z ich zbliżonych promieni jonowych. Z tego też powodu dostrzega się silne pokrewieństwo geochemiczne tych pierwiastków skutkujące tworzeniem plejad. Jest to niekorzystne z technologicznego punktu widzenia, gdyż istotnie utrudnia ich rozdział na poszczególne pierwiastki (K. Podbiera-Matysik, K. Gorazda, Z. Wzorek 2012, s. 148).

TL;DR

Metale ziem rzadkich to grupa 15 lantanowców i dwóch skandowców o podobnych właściwościach chemicznych i fizycznych. Można je klasyfikować według różnych kryteriów, takich jak chemiczne, technologiczne i gospodarczo-ekonomiczne. Zasoby metali ziem rzadkich na świecie są stosunkowo duże, z Chinami jako największym dostawcą. Istnieje wiele technologii pozyskiwania i zastosowania tych metali, jednak mają one negatywny wpływ na środowisko i generują dużą ilość odpadów. Metale ziem rzadkich są szeroko wykorzystywane w nowoczesnych technologiach, np. w samochodach hybrydowych czy produkcji energooszczędnego oświetlenia LED.

Klasyfikacja metali ziem rzadkich==W praktyce można napotkać na różne kryteria klasyfikacji metali ziem rzadkich. Możemy je podzielić m.in. biorąc pod uwagę kryteria chemiczne, technologicznie i gospodarczo-ekonomiczne (A. Jarosiński 2016, s. 77-79)===Kryterium chemiczne=

Wynika z ich wzajemnego pokrewieństwa. Ze względu na kryterium chemiczne można spotkać się z trzema metodami podziału metali ziem rzadkich:

• podział na grupę cerową i itrową;
• podział na grupę cerową, terbową i itrową;
• podział na lekkie pierwiastki ziem rzadkich (LREE) oraz na ciężkie pierwiastki ziem rzadkich (HREE)

Kryterium technologiczne

Jest ono związane z temperaturą topnienia metalu. Umożliwia dobranie odpowiedniej metody otrzymania miszmetalu lub innego rzadkiego metalu. Ze względu na kryterium technologiczne metale ziem rzadkich dzieli się na 3 grupy:

• miszmetal, czyli stop metali ziem rzadkich oraz metale: Ce, Pr, Nd, Sm, których temperatura topnienia wynosi ≤ 1370 K. Otrzymuje się je zazwyczaj poprzez elektrolizę soli stopionych;
• metale takie jak Sm, Eu, Yb, Tm, otrzymywane na drodze karbotermii lub lantanotermii;
• metale HREE oprócz Tm i Y o temperaturze topnienia ≥ 1670 K, wytwarzane metodami metalotermicznymi

Kryterium gospodarczo - ekonomiczne

Kryterium to odnosi się do zapotrzebowania oraz dostępności metali ziem rzadkich na rynku i dzieli je na:

• krytyczne, o bardzo dużym zapotrzebowaniu i trudnym dostępie (Nd, Eu, Tb, Y, Er);
• nieuznawane za krytyczne (La, Pr, Sm, Gd);
• nadmiarowe, występujące w ilościach, które nie są możliwe obecnie do zagospodarowania (Ce, Ho, Tm, Yb, Lu)

Występowanie metali ziem rzadkich na świecie

Minerałów ziem rzadkich nie charakteryzuje ściśle określona geneza. Ich złoża występują w skałach pochodzenia magmowego, metamorficznego oraz osadowego i są dzielone na 2 typy: złoża pierwotne i wtórne. Złoża pierwotne związane są z procesami magmowymi i hydrotermalnymi, natomiast wtórne z procesami sedymentacyjnymi i wietrzeniem skał (P. Ryder, M. Nowak 2015, s. 356).

Według danych szacunkowych zawartość lantanowców w skorupie ziemskiej waha się w granicach 150-220 ppm. Zasoby te są stosunkowo duże, jednak tylko niewielka liczba złóż jest stale eksploatowana (K. Podbiera-Matysik, K. Gorazda, Z. Wzorek 2012, s. 150). Zdecydowanie największym dostarczycielem metali ziem rzadkich są Chiny, kontrolują aż 90% zasobów światowych. Największe należące do Chin złoże znajdujące się na terenie Mongolii Wewnętrznej to Bayan Obo. Zawiera ono około 48 mln ton Ln₂O₃, co stanowi ok. 85% całkowitych zasobów Chin. Do dość zasobnych złóż należy także Mountain Pass w USA zawierające 5-15% Ln₂O₃. Do lat 80 XX w. to właśne głównie z Doliny Mountain pochodziły metale ziem rzadkich. Chiny i USA należą do największych producentów koncentratów batnaesytowych, zaś monacytowych - Indie (w mniejsyzm stopniu także Brazylia i w rejonach Oceanu Spokojnego - Malezja, Wietnam, Australia). W Rosji podstawowym surowcem są łoparyty.

Cały czas trwają poszukiwania nowych źródeł pozyskania metali ziem rzadkich ze względu na ich znaczenie w rozwoju nowoczesnych technologii. W Polsce minerały tych pierwiastków występują w rejonach Szklarskiej Poręby czy w rejone Tajno koło Białegostoku, jednak w tak niskich zawartościach, że nie mają one znaczenia gospodarczego (A. Jarosiński 2016, s. 81).

Technologie pozyskiwania metali ziem rzadkich

Zazwyczaj pierwiastki ziem rzadkich otrzymuje się z następujących typów materiałów: batnaesytu oraz monacytu. Proces pozyskiwania koncentratów metali ziem rzadkich jest bardzo złożony ze względu na ich niską koncentrację i składa się z różnych metod przeróbczych uzależnionych od składu chemicznego rudy, struktury wzbogacenia surowca i tekstury. Zazwyczaj koncentraty minerałów pierwiastków ziem rzadkich uzyskuje się na drodze wzbogacania flotacyjnego, grawitacyjnego i magnetycznego (A. Jarosiński 2016, s. 82).

Przykładowe wykorzystania powyższych metod (J. Całus-Moszko, B. Białecka 2012, s. 63):

W Mountain Pass w USA, gdzie występuje jedno z najbardziej zasobnych złóż rud, stosuje się metodę flotacji oraz ługowanie kwasem solnym, co prowadzi do uzyskania 70% koncentratu.

Podstawowy surowiec w Rosji - łoparyty, produkowany jest z wykorzystaniem metod grawitacyjnych i eletromagnetycznych. Umożliwia to uzyskanie koncetratu zawierającego 95% łoparytu. Koncentrat ten jest przetwarzany w dużej temperaturze za pomocą chlorowania gazowego, w obecności czynników redukujących. Metody grawitacyjne są także stosowane do obróbki rud monacytowych i ksenotymu.

W Baotou koncentrat jest wyprażany w bardzo wysokich temperaturach kwasem siarkowym. Następnie pierwiastki metali ziem rzadkich są wypłukiwane z roztworu, a pozostałe wytrącane do odpadów.

Najbardziej skomplikowanym etapem pozyskiwania metali ziem rzadkich jest rozdzielanie lantanowców. W tym celu stosowane są metody frankcjonowanej krystalizacji czy frakcjonowanego strącania z roztworu. Do najskuteczniejszych metod zalicza się natomiast: ekstrakcję i chromatografię jonowymienną, prowadzące do uzyskania 99,99% koncentratów.

Technologie te nie są obojętne dla środowiska, gdyż skutkują powstaniem dużej ilości odpadów. Koncentraty uzyskuje się na drodze wzbogacania ogromnych ilości rud, co skutkuje degradacją obszarów ziemi.

Zastosowanie metali ziem rzadkich

W stanie wolnym lantanowce są miękkimi, kowalnymi, srebrzystobiałymi metalami. Około 25% z nich stosowanych jest w postaci metalicznej, jako tzw. metal mieszany składający się z ceru (45-50%), lantanu (22-25%), neodymu (18%), preodymu (5%) i samaru o właściwościach odtleniających i odsiarczających (1%) (J. Całus-Moszko, B. Białecka 2012, s. 65).

Metale ziem rzadkich są szeroko stosowane w nowoczesnych technologiach. Dla przykładu, w samochodach Toyota Prius zawartych jest kilkanaście kilogramów metali ziem rzadkich, które zwiększają twardość i odporność na pękanie elementów metalicznych (K. Podbiera-Matysik, K. Gorazda, Z. Wzorek 2012, s. 148).

Inne przykłady zastosowań metali ziem rzadkich (J. Całus-Moszko, B. Białecka 2012, s. 66):

• Europ - w medycynie jako bardzo czuły znacznik, do produkcji energooszczędnego oświetlenia LED, kolorowych lamp i monitorów;
• Neodym - do produkcji silnych magnesów, laserów, głośników, szkła lamp przednich;
• Itr - w technologiach mikrofalowych, w reaktorach jądrowych;
• Erb - w okularach przeciwsłonecznych do barwienia szkła na różowo, w medycynie, w operacjach skóry;
• Holm - do wytwarzania silnych pól magnetycznych;
• Lutet - w medycynie nuklearnej, w tomografii komputerowej;
• Prazeodym - w stopach do zmiany właściwości metali;
• Lantan - w urządzeniach medycznych i optycznych, akumulatorach;
• Gadolin - w kuchenkach mikrofalowych, w technologiach radarowych;
• Dysproz - do produkcji laserów, w magnesach stałych, samochodach elektrycznych;
• Cer - w produkcji katalizatorów, w szybach przednich UV

Metale ziem rzadkich — artykuły polecane

Kogeneracja — Biodegradacja — Pieczywo — Recykling tworzyw sztucznych — Utylizacja — Metale szlachetne — Polietylen — Biokatalizatory — Paliwa kopalne

Bibliografia

• Całus-Moszko J., Białecka B. (2012), Potencjał i zasoby metali ziem rzadkich w świecie oraz w Polsce, Prace Naukowe GIG, nr 4
• Jarosiński A. (2016), Możliwości pozyskiwania metali ziem rzadkich w Polsce, Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk, nr 92
• Podbiera-Matysik K., Gorazda K., Wzorek Z. (2012), Kierunki zastosowania i pozyskiwania metali ziem rzadkich, Czasopismo techniczne. Chemia, R. 109, Z. 16, 1-Ch, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej
• Ryder P., Nowak M. (2015), Przegląd głównych minerałów pierwiastków ziem rzadkich - złoto XXI wieku, Przegląd Geologiczny, vol.63, nr 6

Autor: Marcelina Kutek