中國的稀土

徐成鵬

1.稀土的定義

稀土就是化學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個元素密切相關的兩個元素——鈧(Sc)和釔(Y)共17種元素,稱為稀土元素(Rare Earth),簡稱稀土(RE或R,其氧化物稱REO)。稀土元素是從18世紀末開始陸續被發現,當時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分離出來的,又很稀少,故得名稀土。稀土元素的發現經歷了150多年,從1794年芬蘭人加多林(J.Gadolin)分離出釔開始,到1947年美國人馬林斯基(J.A.Marinsky)等制得钷結束。通常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離子半徑可產生不同性質的特征,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,是因為礦物經分離得到的稀土混合物中,常以鈰或釔占優勢而得名。

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、美國、印度、俄羅斯、南非、澳大利亞、加拿大、埃及等,其中中國的占有率最高。根據2005年美國地質研究局數據,在全世界已探明的稀土工業儲量中中國占43%,為4 300萬噸,是一個名符其實的稀土資源大國。我國稀土資源極為豐富,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、江西風化殼淋積型稀土礦、湖南褐釔鈮礦和漫長海岸線上的海濱砂礦等。中國的稀土資源儲量大,礦種和稀土元素齊全,稀土品位高,礦點分布合理。

3.稀土的用途

稀土具有豐富優異的光、電、磁、超導、催化等性能,有“工業味精”、“新材料之母”之稱。目前已廣泛應用于永磁材料、儲氫材料、石油化工、冶金、環境保護、拋光材料等領域。

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現磁性能最高的永磁材料,被稱為超級磁體和當代永磁之王。研究還發現,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。這些性能優良的永磁材料可用于飛機及宇宙航行器的儀表、精密儀器、微型電機等。

儲氫材料: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,冷卻該合金時氫被吸收,加熱時解吸,提供了一種安全的儲氫方法。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的儲氫效率之高(還有比液氫安全的優點),這類儲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動機的傳動裝置、直升飛機的變速箱、飛機的著陸輪和座艙罩。在鎂合金中添加稀土金屬的優點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良(催化活性大、產品及收率高)的催化劑,這種催化劑多數用混合稀土氯化物與相應的鈉型分子篩發生陽離子交換反應制成。

凈化環境:汽車尾氣凈化催化劑是稀土應用量最大的項目之一,在全球范圍內,僅汽車尾氣凈化方面每年消耗量的稀土可達1.5萬噸。稀土在汽車尾氣凈化過程中的作用有多方面:調節空燃比、增加催化劑的活性、增加催化劑的熱穩定性、提高催化劑的性能和使用壽命。

拋光材料:電子信息產業的發展給稀土在高新技術領域應用帶來高潮,由于稀土元素具有特殊的電子層結構,可以將吸收到的能量轉換為光的形式發出。利用這一特性制成的稀土熒光材料可用于計算機顯示器及各種顯示屏和熒光燈。以彩電為代表的家電產品廣泛應用稀土的熒光、拋光、永磁、功能陶瓷、玻璃添加劑等多種功能材料,帶動了20世紀80年代稀土開發應用;90年代以來,以計算機為代表的電子信息產品飛速發展,帶動了稀土在電子產品中的應用。

4.我國稀土開發利用現狀

由于過度開采、盲目競爭現象嚴重,我國的稀土資源始終沒有得到有效保護和開發,資源效益也沒有顯現出來,業內人士戲稱“真是黃金賣出蘿卜價”。我國稀土資源向海外市場低價流失現象十分嚴重。2005年,我國稀土年出口量比1990年翻了9倍,但價格卻下降了55%以上。因在我國購買稀土原料初級產品不受配額限制,一些發達國家的企業近年來又大規模在我國稀土資源區投資設廠,僅內蒙古就有近10家外資工廠。這些企業在當地大量買入稀土原料和金屬,簡單加工后便運到國外進行深加工或儲備,成功地規避了我國出口配額限制。國外企業拿到初級產品,提純后產品增值10倍。直到2009年,國外90%以上的稀土上中游產品都是從我國進口的。日本、歐美等國看準了便宜的“中國貨”,甚至封存自己的礦,靠購買中國稀土滿足其各行業及尖端科技領域對稀土資源的需求。海外市場的刺激,致使國內稀土被亂采濫挖,各種各樣的非法小作坊無序開發,造成稀土資源的大量損耗。針對上述情況,中國科學院徐光憲等多名院士曾呼吁我國應盡快建立稀土戰略資源儲備制度,強化稀土資源保護,加強稀土資源開發的宏觀調控工作,科學開發、控制總量、調整結構,以保護珍貴的戰略資源,奪回國際定價權。