中國(guó)的稀土

徐成鵬

1.稀土的定義

稀土就是化學(xué)元素周期表中鑭系元素——鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu),以及與鑭系15個(gè)元素密切相關(guān)的兩個(gè)元素——鈧(Sc)和釔(Y)共17種元素,稱為稀土元素(Rare Earth),簡(jiǎn)稱稀土(RE或R,其氧化物稱REO)。稀土元素是從18世紀(jì)末開始陸續(xù)被發(fā)現(xiàn),當(dāng)時(shí)人們常把不溶于水的固體氧化物稱為土,稀土一般是以氧化物狀態(tài)分離出來(lái)的,又很稀少,故得名稀土。稀土元素的發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了150多年,從1794年芬蘭人加多林(J.Gadolin)分離出釔開始,到1947年美國(guó)人馬林斯基(J.A.Marinsky)等制得钷結(jié)束。通常根據(jù)稀土元素原子電子層結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì),以及它們?cè)诘V物中共生情況和不同離子半徑可產(chǎn)生不同性質(zhì)的特征,將17種稀土元素分為兩組:輕稀土(又稱鈰組)包括鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓;重稀土(又稱釔組)包括鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧、釔。稱鈰組或釔組,是因?yàn)榈V物經(jīng)分離得到的稀土混合物中,常以鈰或釔占優(yōu)勢(shì)而得名。

2.稀土資源的分布

稀土元素在地殼中豐度并不稀少,只是分散而已。雖然稀土的絕對(duì)量很大,但到目前為止能真正成為可開采的稀土礦并不多,且在世界上分布極不均勻,主要集中在中國(guó)、美國(guó)、印度、俄羅斯、南非、澳大利亞、加拿大、埃及等,其中中國(guó)的占有率最高。根據(jù)2005年美國(guó)地質(zhì)研究局?jǐn)?shù)據(jù),在全世界已探明的稀土工業(yè)儲(chǔ)量中中國(guó)占43%,為4 300萬(wàn)噸,是一個(gè)名符其實(shí)的稀土資源大國(guó)。我國(guó)稀土資源極為豐富,分布也較為合理,主要稀土礦有白云鄂博稀土礦、山東微山稀土礦、四川冕寧稀土礦、江西風(fēng)化殼淋積型稀土礦、湖南褐釔鈮礦和漫長(zhǎng)海岸線上的海濱砂礦等。中國(guó)的稀土資源儲(chǔ)量大,礦種和稀土元素齊全,稀土品位高,礦點(diǎn)分布合理。

3.稀土的用途

稀土具有豐富優(yōu)異的光、電、磁、超導(dǎo)、催化等性能,有“工業(yè)味精”、“新材料之母”之稱。目前已廣泛應(yīng)用于永磁材料、儲(chǔ)氫材料、石油化工、冶金、環(huán)境保護(hù)、拋光材料等領(lǐng)域。

永磁材料:以稀土制造的永磁材料磁性能高出普通永磁材料4~10倍,尤其釹鐵硼永磁體是目前發(fā)現(xiàn)磁性能最高的永磁材料,被稱為超級(jí)磁體和當(dāng)代永磁之王。研究還發(fā)現(xiàn),把硼添加到釹鐵永磁合金中可提高其磁能積和抗退磁的能力。這些性能優(yōu)良的永磁材料可用于飛機(jī)及宇宙航行器的儀表、精密儀器、微型電機(jī)等。

儲(chǔ)氫材料:在合適的溫度和壓力下,五鎳鑭LaNi5合金能吸收氫分子:LaNi5+3H2=LaNi5H6,冷卻該合金時(shí)氫被吸收,加熱時(shí)解吸,提供了一種安全的儲(chǔ)氫方法。在室溫及2.5大氣壓下,1公斤的LaNi5合金能吸收14克氫,可見LaNi5的儲(chǔ)氫效率之高(還有比液氫安全的優(yōu)點(diǎn)),這類儲(chǔ)氫材料在利用氫作燃料方面有廣闊的前景。

有色金屬合金:有色金屬合金中也廣泛應(yīng)用稀土,如稀土鎂合金(含有Mg,Zn,Zr,La,Ce)可用于制造噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)裝置、直升飛機(jī)的變速箱、飛機(jī)的著陸輪和座艙罩。在鎂合金中添加稀土金屬的優(yōu)點(diǎn)是可提高其高溫抗蠕變性,改善鑄造性能和室溫可焊性。

石油裂化催化劑:稀土分子篩裂化催化劑是用于石油裂化工藝中性能優(yōu)良(催化活性大、產(chǎn)品及收率高)的催化劑,這種催化劑多數(shù)用混合稀土氯化物與相應(yīng)的鈉型分子篩發(fā)生陽(yáng)離子交換反應(yīng)制成。

凈化環(huán)境:汽車尾氣凈化催化劑是稀土應(yīng)用量最大的項(xiàng)目之一,在全球范圍內(nèi),僅汽車尾氣凈化方面每年消耗量的稀土可達(dá)1.5萬(wàn)噸。稀土在汽車尾氣凈化過(guò)程中的作用有多方面:調(diào)節(jié)空燃比、增加催化劑的活性、增加催化劑的熱穩(wěn)定性、提高催化劑的性能和使用壽命。

拋光材料:電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給稀土在高新技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用帶來(lái)高潮,由于稀土元素具有特殊的電子層結(jié)構(gòu),可以將吸收到的能量轉(zhuǎn)換為光的形式發(fā)出。利用這一特性制成的稀土熒光材料可用于計(jì)算機(jī)顯示器及各種顯示屏和熒光燈。以彩電為代表的家電產(chǎn)品廣泛應(yīng)用稀土的熒光、拋光、永磁、功能陶瓷、玻璃添加劑等多種功能材料,帶動(dòng)了20世紀(jì)80年代稀土開發(fā)應(yīng)用;90年代以來(lái),以計(jì)算機(jī)為代表的電子信息產(chǎn)品飛速發(fā)展,帶動(dòng)了稀土在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。

4.我國(guó)稀土開發(fā)利用現(xiàn)狀

由于過(guò)度開采、盲目競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象嚴(yán)重,我國(guó)的稀土資源始終沒有得到有效保護(hù)和開發(fā),資源效益也沒有顯現(xiàn)出來(lái),業(yè)內(nèi)人士戲稱“真是黃金賣出蘿卜價(jià)”。我國(guó)稀土資源向海外市場(chǎng)低價(jià)流失現(xiàn)象十分嚴(yán)重。2005年,我國(guó)稀土年出口量比1990年翻了9倍,但價(jià)格卻下降了55%以上。因在我國(guó)購(gòu)買稀土原料初級(jí)產(chǎn)品不受配額限制,一些發(fā)達(dá)國(guó)家的企業(yè)近年來(lái)又大規(guī)模在我國(guó)稀土資源區(qū)投資設(shè)廠,僅內(nèi)蒙古就有近10家外資工廠。這些企業(yè)在當(dāng)?shù)卮罅抠I入稀土原料和金屬,簡(jiǎn)單加工后便運(yùn)到國(guó)外進(jìn)行深加工或儲(chǔ)備,成功地規(guī)避了我國(guó)出口配額限制。國(guó)外企業(yè)拿到初級(jí)產(chǎn)品,提純后產(chǎn)品增值10倍。直到2009年,國(guó)外90%以上的稀土上中游產(chǎn)品都是從我國(guó)進(jìn)口的。日本、歐美等國(guó)看準(zhǔn)了便宜的“中國(guó)貨”,甚至封存自己的礦,靠購(gòu)買中國(guó)稀土滿足其各行業(yè)及尖端科技領(lǐng)域?qū)ο⊥临Y源的需求。海外市場(chǎng)的刺激,致使國(guó)內(nèi)稀土被亂采濫挖,各種各樣的非法小作坊無(wú)序開發(fā),造成稀土資源的大量損耗。針對(duì)上述情況,中國(guó)科學(xué)院徐光憲等多名院士曾呼吁我國(guó)應(yīng)盡快建立稀土戰(zhàn)略資源儲(chǔ)備制度,強(qiáng)化稀土資源保護(hù),加強(qiáng)稀土資源開發(fā)的宏觀調(diào)控工作,科學(xué)開發(fā)、控制總量、調(diào)整結(jié)構(gòu),以保護(hù)珍貴的戰(zhàn)略資源,奪回國(guó)際定價(jià)權(quán)。