从手机屏幕和数码相机到导弹、雷达和潜艇,稀土无处不在。作为一种不可再生的稀缺战略资源,被誉为“工业维生素”和“新材料之母”,广泛应用于尖端科技和军事工业领域。

作为一种不可再生的稀缺战略资源,被誉为“工业维生素”和“新材料之母”,广泛应用于尖端科技和军事工业领域。

在炼钢过程中,只需向钢中添加少量稀土,就可以使原来的优质钢更“坚固”,并提高其使用寿命。

在军事领域,稀土可以大大提高武器装备的合金战术性能。例如,在海湾战争中,稀土镧夜视仪已成为美国坦克压倒性优势的来源。

在核能领域,稀土元素钆及其同位素是最有效的中子吸收剂,可以用作控制核电站连锁反应水平的抑制剂,成为核反应堆的“安全之神”

事实上,稀土无处不在,从手机屏幕和数码相机到导弹、雷达和潜艇。作为一种不可再生的稀缺战略资源,被誉为“工业维生素”和“新材料之母”,广泛应用于尖端科技和军事工业领域。那么,稀土是如何被发现的呢?如何开始新用途发现之旅?

人们常把不溶于水的固体氧化物称为土壤,例如氧化铝为“粘土”,氧化钙为“碱土”,等等。实际上,稀土是镧、钪、钇等17种金属元素的总称。由于当时很难冶炼和提纯,用于提取这些元素的矿物相对稀少,获得的氧化物很难熔化、溶于水和分离,其外观与“土壤”非常相似,因此被称为稀土,从18世纪开始使用。

稀土的“大家族”可分为轻稀土和中重稀土。镧、铈、镨、钕、镨、钐和铕是轻稀土元素,也称铈族稀土元素;钪、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥和钇是中重稀土元素,也称为钇族稀土元素。这两种元素的电子层结构和物理化学性质不同,它们在矿物中的共生关系和离子半径也不同。

在应用方面,轻稀土也被业内人士称为“伪稀土”。虽然股票数量大且使用广泛,但其价值相对较低;重稀土资源稀缺,可用于航空航天、军事、国防和新材料合成等高科技领域。它们价格昂贵,几乎没有可替代性。

据上述专家介绍,稀土元素在地壳中分布广泛,但分布极不均匀。其中,有许多稀土储量,包括亚洲的中国和印度,北美的美国和加拿大,以及俄罗斯、澳大利亚、南非、埃及等国家。我国稀土矿产资源丰富,居世界四大稀土矿之首:资源储量约占23%;产量居世界首位,占世界稀土商品总量的80%-90%;销量第一,60%-70%的稀土产品出口国外;应用第一,大部分稀土用于家用。

不仅如此,世界上70%以上的重稀土资源是在中国南方的离子矿山中发现的,主要分布在江西、广东、福建、广西等省。重稀土资源高达30%-80%,是具有绝对竞争优势的战略性资源。中国也是世界上唯一一个能够供应所有稀土元素的国家。

1794年,芬兰化学家gadolin从未知矿化中发现了稀土元素,即在硅铍钇矿石中发现了“稀土钇”(氧化钇)。从1794年发现稀土钇到1947年提取最后一种稀土元素镨,历时150多年,充满了历史误解。

事实上,稀土元素的发现首先描述如下:稀土元素的发现始于北欧。1787年,业余矿物学家阿伦尼乌斯在斯德哥尔摩附近一个名叫yteerby的小村庄发现了一种他从未见过的黑矿,并用村庄的名字将其命名为yteerite。1794年,加多林声称在这种矿物中发现了一种新元素“稀土钇”,并将其命名为钇。

人们认为今年是第一个稀土元素“钇”被发现的时候。事实上,这是一种误解。因为gadolin最初发现的“稀土钇”不是稀土元素,而是“稀土钇”的混合氧化物。后来科学家从这种“稀土钇”中发现了重稀土元素,如镱、铒和铽。原来,最初的化学家把这对“孪生兄弟”视为“一个人”。同样的误解也发生在轻稀土上。

在中国,第一个稀土矿是由何作林教授于1934年发现的。此后,中国地学工作者不断探索和总结中国地质构造演化发展的特点,应用和创新了新的成矿理论,在全国范围内发现和证实了一批重要的稀土矿床,认为中国稀土资源具有成矿条件好的最基本特征,分布广,北轻南重,有价元素含量高,综合利用价值高。

稀土元素中有15个“成员”来自一个庞大的“家族”——镧系元素,在元素周期表中统称为镧57到镥71之间的15种元素。

在物理性质上,稀土金属为银白色,柔软且有韧性;其活性强,仅次于碱金属和碱土金属,需要与空气隔离保存。同时,稀土金属是一种强还原剂,其还原能力仅次于镁(mg),其反应活性可与铝相比。随着原子序数的增加,还原能力趋于逐渐减弱,其电子逐渐排列在内部4f轨道上,而外部电子的排列基本相同,因此这些“成员”的化学性质相对相似。每一款产品都在高端技术领域展示了它的魔力

由于各种稀土元素的性质非常相似,并且大多数以氧化物混合物的形式存在于各种复杂矿物中,因此稀土元素的分离和提纯是一项极其困难的工作。直到1947年,美国科学家发明了离子交换法分离稀土,著名学者斯伯丁改进了离子交换法的工艺,制备了公斤级纯单稀土,为研究各种单稀土的内在特性和开发稀土的用途创造了基础条件。人们逐渐认识到稀土丰富的光学、电学、磁学和核性能,为开发和应用各种稀土功能新材料和新器件奠定了基础。

信息、生物、新材料、新能源、空间和海洋已被当代科学家提升为六大新科技群体。人们之所以重视稀土、稀土研究和稀土开发,是因为稀土的每一个成员都有自己的特点,每一个成员都有非凡的技能,并在高精度和尖端科学技术领域显示出其神奇的力量。目前,由稀土元素生产的稀土永磁、发光、储氢、催化等功能材料是先进装备制造、新能源等高新技术产业不可或缺的原料。广泛应用于电子、石化、冶金、机械、新能源、轻工、环保、农业等领域。

例如,镧可用于制备许多有机化学产品和光转换农业薄膜的催化剂。在国外,科学家给镧在作物上的作用起了“超级钙”的美称。铈合金耐热,可用于制造喷气推进部件。作为玻璃添加剂,它可以吸收紫外线和红外线;它也是一种优良的环保材料,应用于汽车尾气净化催化剂中,可有效防止大量汽车尾气排放到空气中。

钕的最大用户是钕铁硼永磁材料,该材料以其优异的性能广泛应用于电子、机械等行业。钕铁硼永磁体的出现为稀土高新技术领域注入了新的生机和活力。阿尔法磁谱仪的成功研制标志着我国钕铁硼磁体的磁性能已进入世界一流水平。

在医学上,钆的水溶性顺磁复合物可以改善人体的核磁共振成像信号;铥可作为便携式医用X光机的辐射源,制造便携式血液辐射器,放射X射线照射血液,减少白细胞,从而减少早期的排斥反应。由于其对肿瘤组织的高度亲和力,铥也可用于肿瘤的临床诊断和治疗。

稀土还可用作优良的荧光、激光和电光源材料,以及有色玻璃和陶瓷的釉料。稀土离子与羟基、偶氮基或磺酸基形成络合物,使稀土广泛用于印染工业。一些稀土元素,如钐、铕、钆、镝和铒,具有中子俘获截面积大的特点,可以用作原子反应堆的控制材料和减速剂。铈和钇可以用作反应堆燃料的稀释剂,因为它们的中子俘获截面小。

几乎每三到五年,科学家就可以发现稀土的新用途,每六项发明中就有一项与稀土密不可分。随着科学技术的发展和稀土科学技术的拓展和推广,稀土元素将有更广阔的利用空间。

稀土一夜成名,但不幸的是,许多人并不真正了解稀土。他们的观念往往是这样的:稀土是我国的战略资源,稀有而珍贵;赣州生产稀土,但几乎都是开采的,环境破坏非常严重;我国多年来一直将稀土作为卷心菜出售,允许外国人购买、储存并将其埋在海里;外国稀土资源不被他人开发,它们都受到保护。中国的稀土开采完成后,将以高价出售给中国;中国的稀土资源比例持续下降的原因是中国开采了太多的稀土并将其销售到国外。真相是什么?

稀土的开发和应用必然要消耗一定的资源,但目前稀土的消耗量仍赶不上新增的资源。中国稀土资源比例的持续下降是由于稀土资源的不断发现和稀土储量数据的不断更新。特别是随着国外稀土资源数据的披露和采用,全球稀土资源总量不断增加。如果中国的稀土资源量不增加,或者增加的幅度没有国外大,这一比例就会下降。近40年来,我国南方各省以及四川、山东、湖北等地发现了多种类型的稀土资源。一些资源已计入中国稀土资源数据,但仍有许多资源尚未完成工业储量勘探,且未反映在现有储量数据中。

稀土的“稀有”和“不稀有”不仅取决于其实际库存,还取决于其分布是集中还是分散。更重要的是,这取决于提取技术水平和市场需求。随着稀土开采技术和稀土应用价值的提高,划定的稀土矿的界限品位可以降低,那些不能视为资源的稀土也可以归类为稀土资源,工业储量数据将大大增加。这是人们对应该努力研究、开发和提取新技术的期望。例如,某类型稀土矿床的工业储量数据是按0.1%的截止品位圈定和计算的。如果通过技术突破,解决了从品位较低的原生矿床或含量较低的稀土溶液中提取稀土的技术问题,并能有效分离与之共存的杂质离子,开发的技术能够满足环保要求;换言之,对于原有的高品位稀土原矿,开采成本可以降低50%。然后,稀土资源的矿石品位可以降低到0.05%或更低。由于过去低于0.1%的稀土矿区未包括在储量表中,因此需要在降低截止品位后将其包括在内。这样,许多不能算作稀土矿区的大面积地区将成为稀土矿区。资源量的增加可能超过两倍,甚至十倍或一百倍。另一方面,通过创新研究,发现了稀土的新用途,或稀土的应用价值更高,这将大大增加稀土的市场需求,导致稀土价格上涨,并可以完全弥补矿石品位下降导致的采矿成本增加。这样,稀土资源的矿石品位也可以降低,资源量将大大增加。因此,稀土提取、分离和应用技术的研究成果对调节稀土的稀和非稀起着非常重要的作用。

稀土的“稀有”和“不稀有”也与其年消费量有关。资源的丰度通常由地壳中元素的含量或克拉克值来表示。克拉克值将因资源统计数据的变化而变化。根据这些数据,稀土的储量相当于铜的储量!根据全球铜资源和消费情况,现有铜资源可能足以维持数十年。目前,世界稀土年消费量仅10多万吨。根据现有资源,其开采寿命可达数百年,甚至数千年。因此,稀土“并不稀有”,可以供应给各国进行大规模开发和应用。特别是轻稀土资源,在世界许多其他地方都有发现。包钢尾矿中稀土含量为3%-5%。这个尾矿库中有很多稀土,但目前没有用。铽、铕、镝、钬、铒、铥、镥等元素在南方离子吸附稀土中都是“稀有”的,因为这些元素的库存量远低于其他稀土元素,供应量少,用途多,价格高。但近年来,由于LED照明技术的发展和稀土荧光粉应用技术的进步,对稀土荧光材料的需求有所下降,对铽和铕的需求并不强劲,这似乎不是很“稀有”。从长远来看,稀土的功能性质一直在改善,一些新的功能性质将继续被发现。当这些应用被推广时,它们的需求将增加,市场供需关系将发生变化,原来的“不稀有”元素也将变得“稀有”。

总之,稀土应用研究是关于稀土丰度或稀缺性的操纵器。因此,稀土应用研究一直是世界各国发展的重点领域。

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