稀土不是土

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最近由于疫情肆虐，本“球村”各大祠堂都不太對付，甩鍋的甩鍋、吃瓜的吃瓜，大家一起在這病毒橫行的時空里上演著各式劇集。這段時間各大熱點詞匯都是吃瓜群眾必須了解的知識點，比如咱們前幾期講過的石油，還有本期要說的稀土。

稀土是什么東西？

不管你是兩耳不聞窗外事一心只讀圣賢書的“呆子”還是家事國事天下事事事關(guān)心就不關(guān)心自己事的鍵盤俠，看了最近的新聞應(yīng)該都不難得到如下一個結(jié)論：偉大的中華民族與萬惡腐朽的西方資本主義列強之間正在進行著一場沒有硝煙的戰(zhàn)爭。而來來回回的刀光劍影中有著許多關(guān)鍵字——稀土，就是其中之一。那么，這個“稀土”究竟是個什么東西呢，難不成是用來種菜的？

所謂稀土-指的就是f匕學(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），再加上和15個鑭系元素有著非常密切關(guān)系的鈧（Sc）和釔（Y），這17種元素被統(tǒng)稱為稀土元素（Rare Earth），簡稱稀土（RE或R）。不過，以咱們今天的眼光來看，稀土這個詞的誕生過程純屬一個歷史的笑話。話說18世紀末的人們由于沒有《GEEK》看，不能科學(xué)地了解世界，錯誤地把不溶于水的固體氧化物稱為“土”并且還當成一個習(xí)慣保留了下來，而當時被發(fā)現(xiàn)的稀土元素都是以氧化物的形式出現(xiàn)的，于是便有了“稀土”之“土”的說法。

可咱們都是經(jīng)受過9年義務(wù)教育洗禮的，根據(jù)中學(xué)化學(xué)的基本定義可知，當我們提及“××元素”如何如何的時候，都指的是這種元素單質(zhì)的性質(zhì)，而不是化合物。氧化物非單質(zhì)，所以稀土也非土。相反，這個家族的成員不但不“土”，反而個個都是錚錚鐵骨的金屬純爺們兒，它們也都具有金屬光澤、鐵磁性和化學(xué)還原性等典型的金屬性質(zhì)。

另一方面，由于當時稀土礦石的分離技術(shù)實在過于落后，所以成品產(chǎn)量少得可憐，但有些人偏偏還死不承認，硬要說這是因為礦石里的稀土元素含量低，于是又有了“稀土”之“稀”。事實上，稀土元素在地殼內(nèi)的含量相當豐富——比如鈰，它在地殼中的含量排第25位，比爛大街的鉛（Pb）元素還要高;而即使是稀土家族中地殼含量最低的镥，也比廣大群眾喜聞樂見的黃金（Au）要高出200來倍呢！由此可見，稀土元素一點也不“稀”，不過“稀土”這個稱謂由于約定俗成的關(guān)系還是保留下來。

稀土家族中第一個問世的元素是釔（Y），它是芬蘭人加多林在1794年發(fā)現(xiàn)的。話說加多林這貨從小受資本主義思想的腐蝕立志當一個煤老板，卻沒有出生在山西境內(nèi)，所以長大以后他開始滿世界地尋找煤礦。在做了N年無用功以后，加多林終于在一個叫伊特比（ Ytterby）的瑞典小鎮(zhèn)發(fā)現(xiàn)了一種黑色礦石，于是興沖沖地把這種礦石樣品送去分析，但鑒定結(jié)果卻無情地擊碎了他的發(fā)財夢——這玩意不是煤炭！他又換了幾家鑒定機構(gòu)，結(jié)果還是一樣。

只是加多林還是不死心，他堅定地認為是這些人眼紅自己，所以決定自己來分析。結(jié)果這一弄，雖然還是沒有發(fā)現(xiàn)煤，但他卻意外地得到了一種未知的“新土”，并從中分離出了新的元素。這下可不得了，加多林在一夜之間就成了學(xué)術(shù)界的英雄。有了名聲，money和face自然也接踵而至，于是，超額完成兒時目標的加多林為了紀念伊特比（Ytterby）這塊福地，他將新元素命名為了Yttrium （當然，這個拉丁文詞語也有氧化物的意思）。釔的發(fā)現(xiàn)，是加多林人生的一小步，卻是人類的一大步，它給人類文明打開了一扇新的大門，從此以后，無數(shù)的化學(xué)工作者開始投入到發(fā)現(xiàn)新稀土然后發(fā)財?shù)臐L滾洪流中。

鑒于加多林在瑞典發(fā)現(xiàn)了釔，所以N多人都跑到這個小國來碰運氣。1803年，德國化學(xué)家克拉普洛特在分析一種出產(chǎn)于瑞典瓦斯特拉斯城的紅色重石時，發(fā)現(xiàn)其中有一種未知元素的氧化物存在，因為這東西在灼燒時呈現(xiàn)赭色，于是他很沒有創(chuàng)意地就直接將其命名為ochre（赭色土），而這種新元素也被命名為ochroium。與此同時，本地人貝奇里烏斯和希辛格在研究這種礦石時也有相同發(fā)現(xiàn)，但他們將其命名為ceria（鈰土），元素則稱為cerium，以紀念當時發(fā)現(xiàn)的一顆小行星CERES。雖然ochroium和cerium指的都是同一種元素，但根據(jù)“強龍不壓地頭蛇”的基本原理，克拉普洛特最后既沒撈到money和face，他的ochroium也被歷史無情地拋棄了，而cerium的叫法卻—直沿用至今。

到了1839年，有個叫莫桑得爾的瑞典人在做粗鈰土樣品的分析工作時，無意中發(fā)現(xiàn)樣品里除了鈰以外還有一種新元素——鑭。為了紀念這個當年的漏網(wǎng)之魚，他將其命名為lanthanum（這個詞源于希臘文，原意就是“隱蔽”）。既然鈰土里有新元素，那釔土里不是也有可能有嗎？

基于這個判斷，莫桑得爾開始重新對加多林當年發(fā)表的釔土文獻資料進行整理和研究。結(jié)果這一研究，還真研究出了名堂。1843年，莫桑得爾采用分級沉淀法從釔土里分離出了一種新物質(zhì)，命名為erbia（鉺土），元素名為erbium（和釔一樣，鉺的這個名字同樣是為了紀念原產(chǎn)地Ytterby小鎮(zhèn)）。在屢次嘗到了炒別人冷飯的甜頭后，莫桑得爾可謂是春風(fēng)得意馬蹄疾，而幸運女神也令人發(fā)指地再一次眷顧于他——莫桑得爾于同年居然又發(fā)現(xiàn)了鋱元素（不過不知為何，他—直到1877年才將這種新元素正式命名為terbium）。鑭、鉺和鋱這三種新元素的發(fā)現(xiàn)，不僅讓莫同學(xué)飛黃騰達，也打開了稀土世界的第二扇大門，更掀起了稀土發(fā)財神話的新高潮。

科技的發(fā)展一日千里，到了19世紀后半葉，光譜分析法問世了，元素周期表發(fā)表了，電化學(xué)分離工藝也誕生了。于是，在這三大神器的光輝下，諸多尚未曝光的稀土家族成員紛紛表示“壓力山大”。1879年，瑞典人克利夫發(fā)現(xiàn)了鈥和銩。同年，瑞典化學(xué)家尼爾森和克菜夫分別在硅鈹釔礦和黑稀金礦中找到了鈧（這玩意就是門捷列夫當初預(yù)言的“類硼”元素，所以這也再次證明了元素周期表的正確性和門捷列夫的?！了冢?/p>

到了1880年，瑞士人馬里格納克分離出了釓。1885年，奧地利人維爾斯巴赫成功分離出鐠和釹。次年，法國人波伊斯發(fā)現(xiàn)了鏑。此后，釤、銪、镥、鐿也一個接一個地被廣大渴望發(fā)財?shù)幕瘜W(xué)家們發(fā)現(xiàn)。1974年，馬林斯基和格倫丹寧從原子反應(yīng)堆的鈾燃料里分離出了最后一個稀土元素——钷。至此，稀土家的17口人都已亮相完畢。這些元素的發(fā)現(xiàn)（還有與之而來的money和face），是人類科技發(fā)展史上最激動人心的時刻之一，不但極大地開闊了我們的認知視野，而且還實實在在地影響和改變著人類的日常生活，它們就像隱形的翅膀托著我們?nèi)缃竦母呖萍忌睢幢阄覀兏緵]注意過它們。當然，根據(jù)看廣告得來的經(jīng)驗，隱形的翅膀還需要護翼配合才能產(chǎn)生最大功效，否則生活遲早會側(cè)漏。

稀土的用途

據(jù)統(tǒng)計，目前在全世界范圍內(nèi)的每五項專利發(fā)明中就有一項是和稀土有關(guān)的。試想—下，如果咱們的生活中沒有了稀土，那也就意味著沒有電腦，沒有網(wǎng)絡(luò)，沒有電視，沒有音響，沒有手機，沒有iPad，沒有汽車，沒有飛機……總之就是各種沒有！

稀土磁性材料

磁性材料是一種用途廣泛的東西，自古便是如此。比如指南針，它就是一個采用了磁性材料的偉大發(fā)明。到了現(xiàn)代，磁性材料更是在各行各業(yè)中全面開花。雖然在咱們平時的生活中磁性材料的上鏡率似乎很低，但是人家卻毫無怨言地默默為我們奉獻著——從常見的耳機、話筒、音箱、硬盤、顯示器、按鍵開關(guān)、天線、電機、繼電器、傳感器、變壓器、磁盤、磁封、玩具、密碼鎖、復(fù)印機、核磁共振（MRI），到不怎么常見的磁控管、行波管、泵、微波器件、磁阻器件、霍爾器件、磁軸承、選礦機、磁力分離器、電感器、振動子、電視偏轉(zhuǎn)軛、電纜、微波吸收材料、電磁鐵、加速器高頻加速腔、磁場探頭、磁性基片、磁場屏蔽、高頻淬火聚能、電磁吸盤、磁敏元件，再到那些說不清道不明的磁療、磁化水、磁麻醉……嘿嘿，這才叫真人不露相！

衡量磁性材料好壞的參數(shù)有很多，但其中最重要的無疑是磁能積。磁能積越大，意味著材料每單位體積所能產(chǎn)生外磁場的能量也就越大。早期的磁性材料一般是磁鋼、鐵氧體或鋁鎳鈷合金一類的東西，它們歷史悠久，價格也很和諧。但是，隨著工業(yè)發(fā)展對磁性材料的要求越來越高，這些傳統(tǒng)材料漸漸顯得力不從心：磁能積不夠大，磁力不夠強，而且用久了還會慢慢衰減。

經(jīng)過多年等待，一種革命性的新材料終于在業(yè)界的千呼萬喚下登場了，這就是稀土永磁材料。（所謂永磁，就是說這玩意能在某一特定空間里產(chǎn)生一個恒定的磁場，而維持這個磁場卻不需要任何外部電源。）這種材料的誕生過程只能用一個詞來概括，那就是點石成金——首先把一定量的釤和釹等稀土元素加入諸如鈷和鐵一類的過渡金屬里，然后用粉末冶金的方法壓型燒結(jié)，最后經(jīng)磁場充磁——就這樣，—方頑鐵脫胎換骨，變成了全新的稀土永磁材料。而它到底有多牛？答案是100多倍。

是的，稀土永磁材料比原來那些傳統(tǒng)磁性材料的磁性能足足要高出100多倍，相當厲害吧？這直接促進了磁性器件的小型化發(fā)展，提高了產(chǎn)品的性能。目前，稀土永磁材料常見的有兩種：釤鈷（SmCo）永磁體和釹鐵硼（NdFeB）永磁體。前者性能更好，但由于釤和鈷這兩種東西都不便宜，所以釤鈷永磁體主要應(yīng)用在微波管、精密測量儀表、自動導(dǎo)航定向陀螺儀等花錢不眨眼的軍工產(chǎn)品上。而釹鐵硼永磁體由于其和諧的價格，成了工業(yè)上的香餑餑，大規(guī)模應(yīng)用于前面提及的那些各種各樣的產(chǎn)品上。毫不夸張地說，咱們身邊的10個帶電的東西-起碼有7、8樣肚子里都有稀土永磁材料的身影。

除了永磁體，稀土磁性材料家族還有可替代傳統(tǒng)壓縮機的稀土磁致冷材料。這東西的原理說穿了其實很簡單：當給它施加磁場后，磁矩按磁場方向排列，這就導(dǎo)致磁熵變小;而撤去磁場后，磁矩立刻由原來的有序排列狀態(tài)變得雜亂無章，所以磁熵也變大了。根據(jù)熱力學(xué)原理，體系需要從環(huán)境中吸收熱量，于是環(huán)境溫度降低，最終達到制冷的目的，整個過程既沒有污染，又節(jié)約電，所以非常和諧，完全可以把冰箱空調(diào)從氟利昂的泥潭中解救出來（熵在各個學(xué)科中有不同的具體定義，但總的來說指的都是體系混亂的程度）。

此外，還有在外加磁場作用下就會發(fā)生機械形變的稀土超磁致伸縮材料，它能隨磁場的改變產(chǎn)生精確的長度變化。其實磁致伸縮材料并不是什么新鮮發(fā)明，在以前就有。只不過在添加了稀土以后，全新的稀土超磁致伸縮材料比傳統(tǒng)的鐵、鈷、鎳等材料的磁致伸縮值要大100倍-1000倍，完全不可同日而語。這種材料的用途極其廣泛，可以用在低頻大功率聲吶、水下通訊、海下地貌測量、聲響水雷探測與引爆、火箭燃料調(diào)節(jié)與控制、空間站與衛(wèi)星控制、火箭定向調(diào)節(jié)、導(dǎo)彈調(diào)節(jié)、激光定位系統(tǒng)等軍工行業(yè)。

除了上面介紹的那些材料，還有可以用于集成微波和磁光隔音器和電磁型微電機的稀土永磁薄膜、稀土磁光存儲材料、巨磁阻材料等等……可見，稀土磁性材料是一個非常強大的玩意，應(yīng)用十分廣泛，影響著我們生活的方方面面，是咱們身邊最熟悉的陌生人。

稀土發(fā)光材料

19世紀末，愛迪生發(fā)明了電燈，把光明帶給了人類。然而受制于其工作原理，”小愛”同學(xué)的白熾燈在使用過程中有90%多的電能都白白轉(zhuǎn)化成了無用的熱能，只有區(qū)區(qū)不到10%的能量是用來發(fā)光的，不和諧不環(huán)保。即便是在幾十年前，這也是極不受待見的，在過去那個節(jié)能燈當?shù)赖臅r代。節(jié)能燈完全是靠著稀土打出來的天下。就拿廣大人民群眾喜聞樂見的三基色節(jié)能燈來說，它使用的熒光粉就是稀土光致材料，比如負責(zé)發(fā)紅光的紅粉是以氧化釔為基質(zhì)，摻雜一定量的氧化銪而成;綠粉則是在CeO.67MgO.33AI11O19基質(zhì)材料中摻雜了氧化鋱;而藍粉在BaMgAI16O27基質(zhì)材料中摻雜的也是銪。節(jié)能燈之所以叫節(jié)能燈，是因為它的發(fā)光效率高，比傳統(tǒng)白熾燈省電在80%以上，而且壽命也是白熾燈的8倍-10倍。可以想象，如果商人“小愛”同學(xué)還在世的話，他一定會表示你們都開掛，是不是玩不起……

除了照明，稀土發(fā)光材料還用于彩電顯像管、電腦顯示器和醫(yī)療設(shè)備等方面。因為這玩意的吸收能力強，轉(zhuǎn)換效率高，可以發(fā)射從紫外一直到紅外的光譜，尤其是在可見光區(qū)域，有很強的發(fā)射能力，而且物理和化學(xué)性質(zhì)也很穩(wěn)定。按照激發(fā)方式的不同，稀土發(fā)光材料一般還可以細分為稀土陰極射線發(fā)光材料、稀土光致發(fā)光材料、×射線稀土發(fā)光材料、稀土閃爍體和稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料等。比如顯像管和顯示器用的就是稀土陰極射線發(fā)光材料;前面介紹過的節(jié)能燈采用了稀土光致發(fā)光材料;等離子顯示屏（PDP）中的稀土發(fā)光材料是電致發(fā)光材料;而上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料多用在夜視鏡上（所謂上轉(zhuǎn)換，就是說這種材料發(fā)射的光子的能量大于吸收的，這就好比“吃的是革，擠出的是奶”，可以將紅外光轉(zhuǎn)化為可見光）。

稀土發(fā)光材料還有個很重要的分支就是稀土激光材料，它是與激光同時誕生的，而稀土元素是激光工作的重要元素，90%的激光材料都與稀土有關(guān)。一般來說，稀土激光材料可分為固體、液體和氣體三大類，其中以稀土固體激光材料的應(yīng)用最廣像是稀土石榴石體系（如Nd：YAG）就是研究、開發(fā)和應(yīng)用最活躍的體系。

目前，稀土激光材料廣泛用于通訊、醫(yī)療、信息儲存、切割和焊接等方面。比如光纖，在長距離傳輸過程中信號必然會發(fā)生光衰減，但如果使用了摻鉺的光纖放大器（EDFA），那光纖線路的傳輸容量、信號質(zhì)量和傳輸速度都會有極大改善。除EDFA外，還有摻鐠氟化物光纖放大器二者的原理一樣，只是激發(fā)光的波長略有差異。盡管稀土元素在光纖中用量很少，世界每年的總用量也僅為公斤級，但它們所起的作用卻是決定性的。

稀土催化材料

林子大了什么鳥都有，而城市大了，什么污染也都有。比如工業(yè)上的各種排放，比如人口暴增帶來的各種垃圾，比如被代表歡樂祥和的煙火表演……而在城市的各種污染中，最主要的莫過于汽車尾氣。雖然“郭嘉”對于治理汽車尾氣污染想了很多辦法，像是單雙號限行、小排量減稅、清潔能源補貼、搖號購車什么的，但這些基本上都是些治標不治本的浮云?？刂破囄矚庵形廴疚锏暮坎攀翘岣呖諝赓|(zhì)量的最直接最有效途徑，而這也是汽車尾氣凈化器在國外是一個很大的產(chǎn)業(yè)的原因（美國的安吉樂哈德、約翰遜馬太、聯(lián)合信號和德國的德古薩，為全球最大的4家汽車尾氣凈化器公司）。

一般來說，汽車尾氣里主要是碳氫化合物、氮氧化合物、一氧化碳二氧化硫、含鉛化合物、苯丙芘及固體顆粒物這些東西。所以尾氣凈化器要干的事就是利用催化劑將尾氣中的碳氫化合物和一氧化碳氧化為無毒的二氧化碳，同時將氮氧化合物（NOx）還原成氮氣，再將其他有害物質(zhì)吸收，以達到凈化的目的。這個過程可以用下面的反應(yīng)式來表示：

CO+1/2O2→CO2

*CH4+2O2→CO2+2H2O

*NOx+xCO→1/2N2+xCO2

（注：方程式中的“*”分別代表多組分烴類和氮的氧化物。）

早期的汽車尾氣凈化器多采用的是鉑和銠等貴金屬催化劑，這種催化劑的活性高，凈化效果好，但價格極其不靠譜，這對于以賺錢為核心的貪婪資本家們來說是絕對不能忍受的。于是，在利益的驅(qū)動和注水豬肉的巨發(fā)下，稀土催化劑登場了。它在原來的貴金屬催化劑中加入了鑭和鈰等稀土化合物，鈰元素具有儲氧功能，并能穩(wěn)定催化劑表面上鉑和銠的分散性，而鑭則可以替代銠，所以其成本得到了大幅降低。

在稀土的作用下，這種催化劑還可以使上面的三個反應(yīng)同時進行，從而達到了同時凈化一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化合物的效果，極大提高了催化劑的效率。此外，在催化劑載體中加入的鑭、鈰、釔這些稀土元素還能提高載體的抗高溫氧化性能，使催化劑的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性更好，活性更高，壽命更長，并提高了其抗鉛、硫中毒的能力，有此催化劑，夫復(fù)何求??！

除了尾氣凈化，石油化工也是稀土應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，更是消耗稀土的大戶之一。就拿石油煉制來說吧，由于我國的原油整體偏重，如果用傳統(tǒng)的蒸餾法加工，那只能得到大約30%的輕質(zhì)油。本著一貫的光榮傳統(tǒng)，石化巨頭們當然不能容忍這種情況發(fā)生，剩下的重質(zhì)油一定得用什么方法二次加工成輕質(zhì)油才能降低成本。這種二次加工，指的就是催化裂化。它是咱們國家重油輕質(zhì)化的重要手段，目前國內(nèi)70%的汽油和30%的柴油都是來自催化裂化的，否則光靠蒸餾的話，石化巨頭們早把92#汽油賣到100塊/L了。

傳統(tǒng)的裂化催化劑采用的是沸石分子篩，所謂沸石分子篩，其實就是一種結(jié)晶的鋁硅酸鈉，當其孔道中的鈉離子被其他陽離子交換后，它就呈現(xiàn)催化作用。原來的分子篩是用H+或NH4+離子進行交換的，但這種催化劑有個缺點就是不能持久，用久了以后沸石晶體會崩塌，基質(zhì)因熔化而燒結(jié)，于是催化劑就由于永久性中毒而不能用了。但是如果把H+或NH4+離子換成輕稀土離子（比如鑭、鈰、鐠），這些三價的陽離子對沸石分子篩的親和力更好，更加水乳交融易于交換，而且交換后的分子篩晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、活性高、對汽油的選擇性更好。于是，稀土元素又一次扮演了點石成金的角色。

補充說明—下，催化裂化技術(shù)不僅是輕質(zhì)油品的主要來源，而且還可以為石油加工的下游行業(yè)提供原料。像是乙烯、丙烯、丁烯和液化氣這些重要的化工原料，其實都是從黑乎乎的原油里分離出來的，而這些行業(yè)用的催化劑里也都有各種稀土元素的身影，硬是很好很強大。

稀土儲氫材料

大家都知道-石油和煤炭是咱們?nèi)祟愇拿鞯拿?，要沒有它們，和諧社會就是個笑話。但是石油煤炭的儲量是有限的，總有用完的時候，再加上使用過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，所以人們—直在尋找化石燃料的替代品。而氫氣無疑是各種解決方案中的佼佼者，因為它是一種完全無污染的燃料，最終產(chǎn)物只是水而已;而且具有很高的能量密度，是相同質(zhì)量汽油的兩倍;氫可以從水中提取，基本上可以看作無窮無盡……雖然看上去挺美好，然而氫能源開發(fā)應(yīng)用的關(guān)鍵卻在于能否經(jīng)濟安全地制取和儲運氫氣。

人們很早就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，稀土金屬與氫氣反應(yīng)可以生成稀土氫化物REH2，而這種氫化物要加熱到1000攝氏度以上才會分解;但如果在稀土金屬中再加入某些其他金屬形成合金后，它在較低溫度下也可吸放氫氣，所以通常將這種合金稱為儲氫合金。

與老式的高壓瓶相比，裝有儲氫合金的容器雖然重量差不多，但體積可縮小到原來的1/4，還能在低壓力下儲存，相當靠譜。

常見的鎳氫電池，它的負極就是用鑭+鎳體系（LaNi5）的稀土儲氫材料做的，這種電池的電化學(xué)容量高，循環(huán)工作壽命長，活性高，電極反應(yīng)可逆性好，對電解液有著良好的耐蝕性，還有寬廣的工作溫度范圍（-20℃-60℃）。與傳統(tǒng)的鎳鎘電池相比，鎳氫電池的能量密度提高了兩倍，而且丟棄以后也沒啥污染，所以它是一種綠色能源，也是現(xiàn)在唯一可以與鋰電相匹敵的電池。

稀土超導(dǎo)材料

1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡末林·昂內(nèi)斯意外發(fā)現(xiàn)將金屬汞（水銀）冷卻到-268.98℃時，汞的電阻突然消失。很顯然，導(dǎo)體沒有了電阻，電流流在經(jīng)這種導(dǎo)體時就不會發(fā)生熱損耗，所以電流可以毫無阻力地在導(dǎo)線中形成強大的電流，從而產(chǎn)生超強的磁場。于是，卡末林把這種現(xiàn)象稱之為超導(dǎo)，他也因為這一發(fā)現(xiàn)而獲得了1913年的諾貝爾化學(xué)獎。

這種超導(dǎo)材料好是好，但是它的工作溫度已經(jīng)快接近絕對零度（0K=-273.15℃;K就是開爾文溫標，起點為絕對零度）了，咱們又不是五小強里的冰河，所以為了使超導(dǎo)材料具有實用性，人們—直在探索開發(fā)高溫超導(dǎo)材料。從1911年開始到現(xiàn)在，超導(dǎo)體的工作溫度已經(jīng)從當初的4.2K提高到了250K（-23℃），而超導(dǎo)體的成分也由原來的單一金屬變成如今摻雜了稀土的鋇鑭銅氧化物，這些都讓超導(dǎo)技術(shù)開始走向大規(guī)模的應(yīng)用。

比如超導(dǎo)材料的超級導(dǎo)電性可以用來制作各種應(yīng)用于電機、高能粒子加速器、磁懸浮運輸、受控?zé)岷朔磻?yīng)等領(lǐng)域的磁體;可以制作電力電纜，用于大容量輸電;還可以制成通信電纜和天線，其性能比現(xiàn)在的這些常規(guī)材料強悍得多。另—方面，超導(dǎo)材料具有完全的抗磁性，所以可制成無摩擦陀螺儀和軸承、輻射探測器、微波發(fā)生器和邏輯元件等。最后，超導(dǎo)材料在集成電路上更是大有用武之地，做出來的超導(dǎo)計算機不僅體積小、重量輕，而且運算速度比現(xiàn)在的半導(dǎo)體計算機要快上百倍，真是讓人無比期待！

稀土塑料

塑料絕對要算咱們老百姓的小日子里最為喜聞樂見的東西了，雖然優(yōu)點無數(shù)，但是人們用久了，記住的卻都是它的缺點。像是什么手感差啊，不耐用啊，易燃啊，對人體有害啊……所以塑料家族的哥幾個紛紛表示不服。于是，他們找到了稀土家的MM們，希望能眾美女碰出點什么火花來……

比如PVC（聚氯乙烯樹脂），這家伙從小就是個革命立場不堅定的貨色，成型加工溫度要高于分解溫度，所以往往在還沒成為“有用之材”之前就可恥地掛了，相當?shù)牟唤o力。為了避免它出師未捷身先死，人們給PVC里加入了一種熱穩(wěn)定劑。這玩意好比主題思想，可以讓PVC的分解溫度提高到成型溫度之上，而且分解溫度越高，熱穩(wěn)定性就越好，成型也越容易。但和主題思想一樣，傳統(tǒng)的熱穩(wěn)定劑問題也不小，因為它的成分主要是鉛鹽和金屬皂鹽，這些東西不但有毒，而且使用量大，還會使塑料制品變得不透明，顯然不適合我們和諧社會的發(fā)展要求。

本著治病救人的崇高革命理念，稀土家的鑭MM和鈰MM決定委身下嫁于PVC同學(xué)。由于這兩位MM根正苗幺工、如狼似虎，在高剪切力和250攝氏度的高溫下部很穩(wěn)定，不會自分解讓PVC家后院起火;她們沒有毒性，也沒有架子，與PVC很容易混合，分散相當均勻;而且加入量很少，可以提高PVC的擠出量和易塑化性，制成的塑料光澤度和透明度都很好，各項理化性能和傳統(tǒng)的鉛金屬穩(wěn)定劑相比都有不同程度提高。就這樣，昔日扶不起的阿斗脫胎換骨，成了一位塑料真漢子、穩(wěn)定純爺們。

眼看PVC完成了華麗變身，PC（聚碳酸酯）也不禁有些心癢難耐。和軟骨頭的PVC大哥不一樣，PC天生便是一副錚錚鐵骨，它的耐沖擊強度很高，電絕緣性、耐腐蝕性、耐磨性也都不錯，而且無色透明，著色性一流。按理說，這樣的人生已經(jīng)完美，應(yīng)該是無欲無求了。而事實的確也差不多，但是大家都不知道，PC同學(xué)內(nèi)心深處從小便埋藏著一個偉大的夢想：我要出名！我要成為所有人注目的焦點！其實-這種想法本來也沒啥，很多人都有。但由于粗線條的PC腦袋同樣粗線條——在它看來，“成為所有人注目的焦點”的意思就是”成為亮點”;而要成為”亮點”，那最簡單的方法莫過于讓自己發(fā)光，也就是做一塊會發(fā)光的塑料。

不過，這個兒時的夢想它從未對任何人說起過，因為怕被人笑話。PC以前也偷偷嘗試過讓自己發(fā)光，但它選用的那種以硫化物為基質(zhì)、銀和錳為激發(fā)劑的發(fā)光物質(zhì)不但光亮度差，發(fā)光時間短，而且只能呈現(xiàn)一種顏色的光，相當單調(diào)，完全不給力。直到有一天，PC碰見了稀土家的MM，它頓時覺得自己圓夢的時候到了。因為稀土離子中處于激發(fā)態(tài)的電子壽命比普通離子要長得多，而且稀土在固體中可以形成發(fā)光中心，這樣一來，磷光體在激發(fā)停止后還可以繼續(xù)發(fā)光，相當符合可持續(xù)發(fā)展的時代精神;此外，在稀土激活的磷光體中容易摻雜和敏化，這樣就能制備出不同余暉、不同顏色的磷光體，它們的亮度高，耐燒傷，化學(xué)穩(wěn)定性很好，而且制備工藝也很簡單。反正就兩字：靠譜！最后，PC終于實現(xiàn)了自己發(fā)光的夢想——成了一個廣告燈箱……

除了這些，塑料和稀土兩家人的故事還有很多。像是釹鐵硼（前面介紹過的稀土永磁材料）和樹脂的一見鐘情，便有了各類磁性塑料;而鐠、釹與聚丙烯的邂逅，則誕生了光澤柔和鮮亮，色調(diào)純正的彩色塑料，它在酸、堿溶液和太陽曝曬的摧殘下依然可以保持本色。對某些塑料來說，稀土是不老藥，要是在成型加工時來點稀土化合物，就可以大大延緩塑料的老化壽命;對另一些塑料來說，稀土又是大力丸，要是將鐠、釹加入聚苯乙烯塑料中，其熱穩(wěn)定性、沖擊強度和彎曲強度都會有明顯提高?？偠灾⊥辆褪侨f金油，就是“萬能之土”。

廢水處理

水是生命之源，我們的日常生活干啥都離不開水。用的水多了，廢水自然也不會少。要是對這些各種各樣的廢水放任不管直接排放的話，那我們的藍色星球遲早會變成一個臭水球。一般來說，廢水里的污染物主要有磷化合物、氨氮化合物、氟化物、有機化合物和砷、鉻、鎘等重金屬離子。

傳統(tǒng)的廢水處理方法有兩種：化學(xué)法和生物法。所謂化學(xué)法，其實就是“對癥下藥”，水里有什么污染物就下什么藥，所以它的處理能力很犀利。但這顯然是一種拆東墻補西墻的做法，很容易對水體造成二次污染。而生物法靠的則是微生物，它們從污水中獲取養(yǎng)分，同時降解和利用有害物質(zhì)，從而達到凈化的效果。

雖然生物法消耗少、效率高、成本低、工藝操作管理方便可靠、沒有二次污染，但如果它面對的是磷、氟化物和重金屬離子這些無機污染物，那就無能為力了。而采用負載了鑭或鈰氧化物的稀土吸附劑，就可以彌補前面那兩種方法的不足，可以通吃各種臟東西，又不會污染水體。因為稀土金屬氧化物在水溶液中可以和水配位形成水合氧化物，由于稀土金屬原子的電勢小、堿性大，所以這種水合氧化物會帶電荷，具有很強的吸附性和很大的吸附容量。此外，稀土吸附劑的再生能力很強，用上十次八次也毫無壓力;而且它一點不挑剔，水體是酸性堿性都無所謂。

稀土陶瓷

首先說明—下，咱們這兒說的陶瓷，可不是家里吃飯的碗、勺子或是花瓶那些東西。它是一種功能性材料的泛稱，在二十世紀特別是第二次世界大戰(zhàn)以后，隨著電子信息、自動控制、傳感技術(shù)、生物工程、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展和需要，便研究開發(fā)形成了這種新型材料。功能陶瓷可以利用電、磁、聲、光、熱、力等直接的物理效應(yīng)和耦合效應(yīng)，依靠它們提供的一種或多種性質(zhì)，來實現(xiàn)各種使用功能，是典型的給點陽光就燦爛。

比如絕緣材料（電、熱）、電容器介電材料、鐵電和壓電材料、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、電光材料、熱電材料、化學(xué)吸附材料和固體電解質(zhì)材料這些玩意都屬于功能陶瓷的范疇。它們也被廣泛地應(yīng)用于電聲、水聲、超聲器件、信號處理、紅外技術(shù)、引燃引爆技術(shù)、微型馬達，汽車安全氣囊系統(tǒng)等領(lǐng)域。由此可見，功能陶瓷已經(jīng)是一個很強悍的材料了。

但如果在功能陶瓷材料中再摻雜點諸如釔、鑭、釤、鈰、釹等稀土元素，那就更是如虎添翼。稀土元素會極大地改變陶瓷材料的燒結(jié)性能、微觀結(jié)構(gòu)、致密度、強度、相組成等物理和機械性能，更可以極大地提升超導(dǎo)材料的實用價值，使它們特有的功能效應(yīng)得到顯著提高。像是智能陶瓷、生物陶瓷、抗菌陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、記憶陶瓷這些近年來涌現(xiàn)出來的新型材料，都是稀土和功能陶瓷擦出的火花。

稀土元素之所以有這么多神奇的用途，是有原因的。我們打開元素周期表就可以看到，這17個稀土元素都位于ⅢB族，其中鈧、釔和鑭分別是第四、五、六長周期中過渡元素系列的第一個元素。第六周期的鑭往后的14個元素性質(zhì)和鑭都十分相似，所以它們被門捷列夫排到了周期表的同一格內(nèi)，這就好比15個兄弟自立了一個堂口。由于這種特殊地位，因此鑭系元素的性質(zhì)十分相近，但又不完全相同。它們的許多性質(zhì)，如離子半徑、電子能級這些都有著近乎連續(xù)的變化（這就好像衣服的尺碼一樣，從XS到XXL一應(yīng)俱全），所以人們在要用的時候就能從中挑選出合適的元素。

稀土的開采加工

羅馬不是一天能建成的，稀土礦石想要變成人見人愛的“萬能之土”，也還有一條很長的路要走。既然叫“礦”，那就說明這些稀土并不會像超市貨架上的東西似的擺在那兒供人隨便挑選，它們都深埋在地下，所以我們首先要把它們開采出來。

一般來說，礦石的開采有兩種：露天開采和礦井開采。露天開采又叫剝離法開采，這種方法就像剝水果一樣，先挖掉礦層上面的表土和巖石（術(shù)語叫覆蓋層），然后再開采顯露的礦層。露天開采適用于地勢平坦、礦層埋藏不深的地方，現(xiàn)在許多現(xiàn)代化露天礦使用設(shè)備已經(jīng)可以剝除厚達60余米的覆蓋層。

不過我們完全可以想象，如稀土礦之類的值錢貨留在地表淺層的肯定早就被挖光了，所以想要挖出這些深埋低下的礦藏，就必須采用礦井開采法。它有三種形式：豎井、斜井和平硐。所謂豎井，是一種從地面開掘以提供到達某一礦層或某幾個礦層通道的垂直井，井下挖出來的礦石先倒入豎井旁邊位于礦層水平線以下的礦倉里，再裝入豎井箕斗從井下提升上來。而斜井則是用來對付非水平礦層的一種傾斜巷道，井內(nèi)裝有用來運礦的帶式輸送機，人員和材料則用軌道車輛運輸。

平硐是一種水平或接近水平的隧道，它開掘于水平或傾斜礦層在地表露出處，經(jīng)常隨著礦層開掘，允許采用任何常規(guī)方法將礦石從工作面連續(xù)運輸?shù)降孛嫔蟻?。至于采用哪種開采形式，這個完全取決于當?shù)氐V層的實際情況，因地制宜才是王道啊！

好，現(xiàn)在稀土礦石挖出來了。不過剛剛重見天日的它們，轉(zhuǎn)眼就被送進了破碎機粉身碎骨，悲劇?。∑鋵?，這種破碎處理是為后續(xù)的選礦工序做準備。因為所有的稀土礦都是屬于伴生礦，要得到稀土就得先選礦分離。

拿我國的白云鄂博礦來說，它是包鋼的鐵、稀土礦石基地，在開采鐵礦的同時還會開采出稀土，兩種礦石都是值錢的玩意，不可能當雜質(zhì)丟掉，所以要進行分離，才能物盡其用。通常，礦山采用的是弱磁或強磁選礦機，這樣可以得到鐵精礦和強磁中礦、尾礦。然后，根據(jù)鐵礦石和稀土礦石的比重不同，再用浮選工藝進行稀土選礦，最后就可以得到稀土精礦了。

稀土精礦中的稀土，一般都是以難溶于水的碳酸鹽、氟化物、磷酸鹽、氧化物或硅酸鹽等形態(tài)存在。所以為了獲得稀土產(chǎn)品，就得進行冶煉。稀土礦的冶煉方法也有三種：堿法冶煉、酸法冶煉和火法冶煉。三種方法各有千秋，每種方法所對應(yīng)的后續(xù)分離過程也不一樣。但對可憐的稀土礦石來說，無論選哪條路都不會是陽關(guān)大道。接下來，我們就來看看它究竟是怎么個悲惶法吧！

首先看堿法冶煉，它是最傳統(tǒng)的方法，適用于品位大于55%以上的稀土精礦，對精礦質(zhì)量有很高的要求。其實這也不難理解，想當初，稀土哪有今天這么火啊，所以開采量不會有多大。俗話說慢工出細活，開采數(shù)量小了，礦石的品質(zhì)自然就高了，于是便有了堿法冶煉。它的工序很簡單，先把礦石用酸液浸泡，讓稀土元素都溶解到溶液里;然后過濾，把礦石里頭那些不溶于酸的雜質(zhì)都去掉;再加入堿液，讓稀土離子沉淀下來;然后把稀土沉淀物撈出來，再用純水給它洗N遍澡，這樣就能去掉其中藏著的雜質(zhì)離子;最后，在稀土沉淀物里加入鹽酸（HCI），讓其溶解，這樣就可以得到高純度的氯化稀土料液了。

不過，這種稀土料液還是個混合物，里頭有著各種稀土元素的氯化匕物。原因很簡單，因為稀土家族和煤礦鐵礦這些家伙還不一樣，它們從小親密無間，一般的酸浸堿泡是不能拆散其骨肉親情的。所以我們要獲得單一的稀土，就得靠強力手段——萃?。}酸體系）。雖說稀土族元素性質(zhì)非常接近，但還是不完全相同，而萃取利用的就是這一點點不同，才能將其一一分離。經(jīng)過萃取，最后我們就能得到各種稀土氯化物產(chǎn)品了。它們既可以直接使用，又可以進一步還原得到稀土金屬單質(zhì)，但不管是氯化物還是單質(zhì)，都在工業(yè)上大有用武之地。堿法工藝基本沒有廢氣排放，而且廢水和廢渣量也比較少，但它各個工序基本都是間歇式操作，所以效率相對略低。

堿法冶煉好是好，但是太挑食，如果它面對的是低品位礦石，那效率就是個悲劇，于是便有了酸法冶煉。這種方法的工序其實和堿法差不多，只不過它浸泡礦石用的是濃硫酸，沉淀劑用的是碳酸氫銨（NH4HCO3），所以最后得到的是碳酸稀土。它和氯化稀土一樣，是稀土工業(yè)里最主要的兩種初級產(chǎn)品。碳酸稀土可以直接用于拋光粉行業(yè)，也可以轉(zhuǎn)化為氯化稀土，還可以經(jīng)硫酸體系的萃取分離，得到單一元素的稀土產(chǎn)品。酸法冶煉雖然可以消化那些貧礦，但是這種工藝在反應(yīng)過程中會產(chǎn)生大量的酸性廢水、廢氣，后期治理成本相當可怕，可謂費力不討好。

堿法冶煉和酸法冶煉都屬于濕法冶金，而火法冶金則跟煉鐵煉鋼沒什么區(qū)別，無非就是利用高溫從礦石中提取金屬或其化合物的冶金過程，由于在這個過程里沒有水溶液的參與，所以它又被稱為干法冶金。

這種工藝方法簡單（適合山寨），設(shè)備簡單（還是適合山寨），步驟簡單（依然適合山寨），所以在廣大的山寨小稀土礦旁總是土高爐林立。雖然火法冶金投資見效快，但它有一個大的問題——浪費極大！特別是那些土高爐，煉出一種稀土，往往會把其他十幾種伴生的稀土元素全部當廢渣丟掉（雖然這種浪費對山寨小稀土礦老板們來說完全不是問題，他們挖稀土礦就跟挖土似的……），再加上火法冶金的高能耗和嚴重的三廢污染，相當不和諧，現(xiàn)在已經(jīng)明令取締了。

咱們在這里僅從技術(shù)層面談了一下關(guān)于稀土的事情，然而許多問題絕不是技術(shù)層面上能解決的。中國稀土長路漫漫，我們要一起努力。