«Витамины» промышленности: ученые рассказали, как редкоземельные металлы изменили мир высоких технологий

Редкоземельные металлы (РЗМ) — это, как правило, электропроводные и пластичные металлы серебристо-белого цвета. Несмотря на название, эти элементы разбросаны в земной коре повсюду, просто они не попадаются в концентрированной и экономически выгодной форме. Термин «редкоземельные» (от лат. terra rara) был введен в обиход в XVIII веке, когда РЗМ были обнаружены как компоненты сложных оксидов, которые в то время назывались «землями» (от лат. terra), а «редкими» (от лат. rara) их прозвали, поскольку никогда раньше не видели и считали не распространенными.

В науке есть схожее по звучанию понятие, но путать их не надо. Есть распространенные, но труднодобываемые редкоземельные металлы — группа из 17 элементов: скандия, иттрия и 15 лантаноидов (лантан, самарий, лютеций, диспрозий, гольмий, эрбий, празеодим, тулий, церий, диспрозий, иттербий, тербий, неодим, европий, прометий).

А есть 18 редких металлов, которые и правда почти не встречаются в земной коре. Четыре из них можно получить после обогащения в виде концентратов: бериллий, ниобий, литий, тантал. Еще 14 называют попутными микрокомпонентами, или рассеянными редкими металлами.

Финский химик Юхан Гадолин в 1794 году открыл первый химический элемент группы редкоземельных металлов – иттрий – в минерале иттербите, позже переименованном в гадолинит. А сам минерал обнаружили шахтеры шведской деревни Иттерби, отсюда и название.

РЗМ встречаются по всему миру почти в половине месторождений. Значимое количество редкоземов содержится примерно в 250 минералах, но в качестве руд экономически целесообразны лишь некоторые из них: бастнезит, монацит, ксенотим и лопарит. Кроме того, источником ценных элементов являются обогащенные глины.

Наиболее востребованы в промышленности неодим, празеодим (дидим) и самарий — для создания мощных постоянных магнитов. Еще эта парочка улучшает свойства сверхпроводников, стекла и сплавов, используется в лазерах и для получения пигментов. Остальные РЗМ нужны для производства аккумуляторных батарей, специальных сплавов, ветрогенераторов, ядерных реакторов, катализаторов в нефтепроме, жидкокристаллических дисплеев, радаров, керамики и так далее.

Неодимовые магниты — самые мощные. Они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту: в магнитно-резонансных томографах, металлоискателях, жестких дисках для компьютеров и др. Без них невозможно представить альтернативную энергетику, ведь неодимовые магниты — ключевой компонент электродвигателей и генераторов ветряных турбин. Благодаря высокой силе сцепления с металлами неодимовые магниты могут удерживать предметы, которые превышают их собственный вес в 100 раз.

Некоторые редкоземельные металлы ведут себя крайне непредсказуемо. На воздухе при комнатной температуре они медленно тускнеют, а при контакте с холодной водой образуют гидроксиды и выделяют водород. При взаимодействии с паром они быстро превращаются в оксиды, а при нагреве до 400 °C самовозгораются. Подобное разнообразие состояний превращает их переработку и хранение в технологически сложную задачу.

Церий находится на 25 месте по распространенности в мире, что ставит его на один уровень с медью. За ним следуют лантан и неодим; они встречаются в тех же объемах, что и свинец. Хотя редкоземельных металлов много, они не сконцентрированы в рудных отложениях, а равномерно распределены в земной коре, поэтому их так трудно добывать. Тот же церий выделяют из смеси элементов процессами экстракции и хроматографии, а потом электролизом расплава CeF3 (фторида церия).

На фоне своих «соседей» по элементной таблице особо выделяется прометий. Это нестабильный радиоактивный элемент, он практически не встречается в природе, а производится лишь в ядерных реакторах. В 1920-х годах итальянские ученые заявили, что открыли новый 61 элемент — флоренций, а в Иллинойсском университете США объявили, что 61 элемент — это иллиний. Но все оказались неправы. В 1945 году химики Д. Маринский, Л. Гленденин и Ч. Кориэлл получили новое вещество из продуктов деления урана, и спустя 5 лет за № 61 закрепилось имя «прометий». Благодаря чистому бета-излучению он использовался в радиоактивных батарейках, а сейчас исследуется как замена актиния в противораковых препаратах. На Земле содержится всего лишь несколько сотен граммов этого элемента.

Первое место по объему добычи и поставкам редкоземельных металлов занимает Китай — здесь извлекают и перерабатывают от 65 до 80% всех РЗМ. Дальше в рейтинге: США, Австралия, Мьянма, но их суммарные запасы дают всего около 24%. Россия занимает седьмое место по добыче. Единственным источником редкоземельного сырья в России является лопаритовый концентрат, производимый из руд Ловозерского месторождения в Мурманской области.

Годовая потребность российской экономики в редкоземельных металлах составляет около 2000 тонн. Основными сферами потребления РЗМ в России являются: оптическое производство и полировальные порошки; производство катализаторов для нефтепереработки, химической промышленности, автокатализаторов; металлургия, производство керамики; лабораторные реактивы, а также фармацевтика, электроника, искусственные кристаллы, люминофоры, магниты.

На 2025 год Россия занимает 1% рынка редкоземельного сырья. Но по запасам РЗМ мы занимаем второе место в глобальном рейтинге с показателем в 28,5 миллиона тонн. Крупнейшие месторождения: Ловозерское месторождение (Мурманская область), Томторское месторождение (Республика Саха, Якутия), Холтосонское месторождение (Забайкальский край), Ковдорское месторождение (Мурманская область), Федорово-Панский массив (Мурманская область), Хибинская группа месторождений (Мурманская область). Изучением запасов редкоземельных металлов занимается Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья.

Знаете, почему некоторые смартфоны такие дорогие? Для их производства необходимы девять редкоземельных элементов:

● гадолиний — в дисплеях, динамиках и электронных схемах,

● диспрозий — добавка в магниты электросхем для сохранения свойств при нагреве и температурных перепадах,

● европий — для красного светящегося вещества дисплея,

● иттрий — для дисплеев, светодиодов,

● лантан — в электронных схемах, дисплее, шлифованном стекле, для оптических линз,

● неодим — магниты в схемах и динамиках из сплава с железом и бором,

● празеодим — добавка в неодимовые  магниты, дисплей, динамик,

● тербий — для зеленого люминесцирующего вещества на дисплее, в динамиках, схемах  и вибрационном механизме для защиты мини-магнитов от высоких температур,

● церий — для шлифованного стекла.

Можно ли заменить их более дешевыми металлами? Конечно! Но это ухудшит цветовое отображение на дисплее, увеличит вес гаджета, снизит скорость работы и устойчивость к перегреву.

В течение многих лет иттрий и европий использовались в качестве люминофоров, которые помогали нам видеть красный цвет на ламповых телевизорах. Соединения гадолиния и тербия использовались для получения желто-зеленых люминофоров. При добавлении в состав очень небольшого количества этих редкоземельных элементов цвета на экране получались яркими и приятными для глаз.

Наиболее необычное применение РЗМ — в технологиях борьбы с контрафактом. Особые соединения редкоземельных элементов отражаются в ультрафиолетовом свете, благодаря чему они особенно полезны при выявлении поддельной валюты.

Добыча и переработка РЗМ очень дорогая, так как их часто обнаруживают рассеянными в низких концентрациях. Чтобы получить большое количество вещества, требуются огромные ресурсы и крупномасштабные операции с разрушением ландшафтов. Очистка редкоземельных элементов тоже энергоемкий и химически сложный процесс, где задействованы вредные вещества, такие как концентрированные кислоты. Да и сама руда, из которой они добываются, часто содержит радиоактивный торий и уран. Случайные утечки или ненадлежащая утилизация могут привести к опасным последствиям для людей и окружающей среды. Например, при производстве одной тонны редкозема из руды по стандартной китайской технологии образуется: одна тонна радиоактивных отходов; 12000 кубометров газовой смеси с пылью, фтороводородной и серной кислотой, диоксидом серы; 75 кубометров кислотного раствора.

РЗМ регулярно входят в списки «стратегических» типов минерального сырья разных стран, то есть наиболее важных для обеспечения национальной безопасности и развития экономики. Помимо редкоземельных, в них часто включают редкие металлы и другие полезные ископаемые. В России такой перечень включает 61 позицию.

НИТУ МИСИС

86 статей

Университет науки и технологий МИСИС — это ведущий вуз в области создания, внедрения и применения новых технологий и материалов; первый в стране, получивший статус «Национального исследовательского технологического университета». Первое место в России и ТОП-100 в мире в рейтинге QS Materials Science за 2023 год. В университете действуют 45 научно-исследовательских лабораторий и 3 научных центра мирового уровня. В состав НИТУ МИСИС входят 8 институтов, 4 филиала в России и 2 за рубежом.

Показать больше