Retų žemių krizė

Rytiniame Mojave dykumos pakraštyje, valanda kelio automobiliu į pietvakarius nuo Las Vegaso Mountain Pass mieste, Kalifornijoje, yra 1,4 milijardo metų senumo cerio, neodimio ir kitų metalų telkinys, kuris yra turtingiausias retųjų žemių elementų šaltinis. Jungtinėse Amerikos Valstijose. Šalia kalvų, apgyvendintų kaktusais, Džošua medžiais ir klajojančiais vėžliais, yra didžiulis įdegio ir baltų uolų sąvartynas, susidaręs per daugiau nei 50 gamybos metų 50 akrų atviroje kasykloje. Kasykla kadaise buvo didžiausia pasaulyje šių metalų, kurie yra labai svarbūs tokiems įvairiems produktams kaip kompiuterių standieji diskai, kompaktinės fluorescencinės lemputės ir elektromobilių varikliuose naudojami magnetai, gamintoja. Svetainėje jų vis dar yra pakankamai, kad galėčiau iškasti dar mažiausiai 30 metų. Tačiau 2002 m. jis buvo uždarytas dėl rimtų aplinkos problemų ir Kinijos gamintojų, kurie tiekė metalus mažesnėmis sąnaudomis. Dešimtmetį kasykla nedirbo.





Galingoji mano: Ši 50 akrų kasykla Kalifornijos Mohave dykumos rytiniame pakraštyje kadaise buvo pirmaujanti retųjų žemių metalų tiekėja pasaulyje. Kasyklos dugne susikaupė vanduo, kai prieš dešimtmetį ji buvo uždaryta.

Pasaulyje didėjant medžiagų paklausai, aikštelės savininkas „Molycorp Minerals“ praėjusį gruodį atnaujino kasybą Kalnų perėjoje. Šiuo metu ji yra vienintelė retųjų žemių metalų gamintoja Vakarų pusrutulyje ir viena iš nedaugelio už Kinijos ribų, kuri šiuo metu gamina 95 procentus viso pasaulio tiekimo. Praėjusį rugsėjį, Kinijai nustojus eksportuoti medžiagas į Japoniją dviem mėnesiams, viso pasaulio šalys pradėjo grumtis, siekdamos užsitikrinti savo šaltinius. Tačiau net ir be Kinijos apribojimų ir atgaivinant Kalifornijos kasyklą, kai kurių retųjų žemių metalų tiekimas visame pasaulyje netrukus gali pritrūkti paklausos. Ypatingą susirūpinimą kelia neodimis ir disprosis, iš kurių gaminami magnetai, padedantys generuoti sukimo momentą elektrinių ir hibridinių automobilių varikliuose, o sukimo momentą paversti elektros energija didelėse vėjo turbinose. Praėjusį gruodį paskelbtoje ataskaitoje JAV Energetikos departamentas apskaičiavo, kad dėl plataus elektra varomų transporto priemonių ir jūros vėjo jėgainių naudojimo iki 2015 m. gali pritrūkti šių metalų.

Naujos technologijos: 2011 m

Ši istorija buvo mūsų 2011 m. gegužės mėn. numerio dalis



  • Žr. likusią numerio dalį
  • Prenumeruoti

Kas nutiks tada, gali spėlioti. Daugelyje svarbiausių šių metalų alternatyvų nėra, kai reikalingi stiprūs nuolatiniai magnetai – medžiagos, kurios išlaiko magnetinį lauką ir nereikalauja energijos šaltinio, kuris sukeltų magnetizmą, per juos leisdamas elektros srovę. Dauguma kasdienių magnetų, įskaitant tuos, kuriuose yra užrašai ant šaldytuvo, yra nuolatiniai magnetai. Tačiau jie nėra labai stiprūs, o pagaminti iš retųjų žemių yra nepaprastai stiprūs. Neodimio lydiniai su geležimi ir boru yra keturis ar penkis kartus stipresni pagal svorį nei nuolatiniai magnetai, pagaminti iš bet kurios kitos medžiagos. Tai yra viena iš priežasčių, kodėl retųjų žemių magnetai randami beveik visuose hibridiniuose ir elektriniuose automobiliuose. Pavyzdžiui, Toyota Prius variklis naudoja apie kilogramą retųjų žemių metalų. Vėjo turbinoms jūroje gali prireikti šimtų kilogramų.

Nauja kasybos veikla ne tik Mountain Pass, bet ir Australijoje bei kitur padidins tiekimą, bet to nepakanka, kad per ateinančius kelerius metus būtų patenkinta tam tikrų svarbių metalų, ypač disprozio, paklausa. Ir riboti naujų kasybos operacijų pajėgumai nėra vienintelė problema. Kadangi iš retųjų žemių gaminami tokie puikūs magnetai, mokslininkai nuo devintojo dešimtmečio pradžios mažai stengėsi juos tobulinti ar kurti kitas medžiagas, kurios galėtų atlikti šį darbą. Nedaug mokslininkų ir inžinierių už Kinijos ribų dirba su retųjų žemių metalais ir magnetų alternatyvomis. Pakaitalų išradimas ir jų panaudojimas varikliuose užtruks ne vienerius metus, pirmiausia norint sukurti mokslinę patirtį, o paskui sukurti gamybos infrastruktūrą. Jungtinės Valstijos prarado kompetenciją, kai uždarytos kasyklos ir magnetų gamyba persikėlė į Aziją, kad būtų netoli veikiančių kasyklų ir pigesnės darbo jėgos, sako George'as Hadjipanayis, Delavero universiteto fizikos ir astronomijos katedros katedros vedėjas. Todėl mokslininkams ar įmonėms buvo mažai paskatų dirbti su magnetais. Dabar, anot jo, nėra daug finansavimo ir nėra pramonės.

Atstatymas: Apdorojimo įranga „Molycorp Minerals“ kasykloje Kalifornijoje, pavaizduota čia 2010 m. gruodžio mėn., šiuo metu yra atkuriama. Pateiktoje įrangoje yra mašinos, naudojamos uolienoms iš kasyklos smulkinti ir ištirpinti bei retųjų žemių oksidams išgauti ir džiovinti.



Atgimęs

Retųjų žemių metalų, nepaisant pavadinimo, Žemės plutoje yra gana daug. 16 gamtoje pasitaikančių retųjų žemių metalų paprastai randami susimaišę telkiniuose, kuriuose dažnai yra ir radioaktyvių elementų, o norint atskirti metalus, reikia brangių procesų, kurių metu susidaro toksiškų teršalų troškinys. Mes žinome, kokia [bendra] retųjų žemių metalų koncentracija yra visose telkinio vietose, sako Molycorp kasyklos vadovas Rocky Smithas, stovėdamas ant vienos iš 800 pėdų gylio duobėje išraižytų pakopų ir rodydamas rūda prikrautą uolą; jis yra rausvai atspalvis su bastnäsite, mineralu, kuriame yra retųjų žemių mišinio. Tačiau žinoti, kur yra retųjų žemių metalai, ir atskirų metalų ištraukimas iš rūdos yra du skirtingi dalykai.

Pirmasis retųjų žemių oksidų išgavimo iš aplinkinių uolienų žingsnis yra uolienų smulkinimas ir susmulkinimas į smulkius miltelius. Tai praleidžiama per daugybę rezervuarų, kur retųjų žemių elementai plūduriuoja į viršų. Nepageidaujami mineralai nugrimzta į dugną, o šios pavojingos atliekos, vadinamos atliekomis, siunčiamos saugoti į tvenkinius. Tuo tarpu gautas retųjų žemių metalų koncentratas skrudinamas krosnyse, o vėliau ištirpinamas rūgštyje. Susidariusio dumblo dalis, kurioje yra retųjų žemių, sumaišytų metalų oksidų pavidalu, pašalinama. Galiausiai tirpiklis neutralizuojamas.

Reakcijos metu susidaro daug druskos: kai 1990-aisiais Kalnų perėjos kasykla veikė visu pajėgumu, kiekvieną metų dieną kiekvieną minutę ji pagamindavo net 850 galonų sūrių nuotekų. Šiose atliekose taip pat buvo radioaktyvaus torio ir urano, kurie kaip apnašos susikaupė vamzdžio, kuriuo nuotekos buvo tiekiamos į už 11 mylių esančius garavimo tvenkinius, viduje. Kelis kartus 1990-aisiais dėl valymo operacijų, skirtų pašalinti susidariusias apnašas, dujotiekis sprogo ir į dykumą išsiliejo šimtai tūkstančių galonų pavojingų atliekų. Kalifornijos valstija įsakė „Molycorp“, kuri tuomet buvo naftos bendrovės „Unocal“ padalinys, išvalyti atliekas. 2002 m. įmonei, kuri ir taip sunkiai uždirba pelną, pritrūko vietos atliekoms laikyti ir nepavyko gauti leidimo statyti naują saugyklą. Kasykla užsidarė.



Reta rūda: Kalnų perėjos sprogimų išstumtose uolienose yra retųjų žemių mineralinio bastnäzito.

„Chevron“ įsigijo „Unocal“ 2005 m., kartu įsigijęs „Molycorp“ ir „Mountain Pass“ kasyklą. 2008 m. grupė privačių investuotojų nupirko kasyklą ir įkūrė įmonę „Molycorp Minerals“, kuri kuria perdirbimo technologijas, kurios, anot jos, nebereikės garinimo tvenkinių ir vamzdynų. 2009 m. „Molycorp“ pradėjo perdirbti sukauptą bastnäsitą, kad išgautų mišrų retųjų žemių mineralinį didimą. Praėjusią vasarą bendrovė išėjo į biržą, o jos akcijų kaina smarkiai išaugo. JAV retųjų žemių pramonė atgimė.

Tačiau apsilankymas Molycorp perdirbimo gamykloje rodo, kad kalnų perėjos kalnakasybos atnaujinimas neišspręs visų tiekimo problemų. Mažame sandėlyje, kuriame džiovinami ir pakuojami retųjų žemių oksidai, Molycorp generalinis direktorius Markas Smithas įkiša ranką į statinę, kad susemtų saują rudos spalvos miltelių. Jis minkštas, kaip smulkūs pelenai. Ši medžiaga yra didimio oksidas, oksiduoto neodimio ir praezodimio mišinys, elementai, esantys toli kairėje jų eilutėje periodinėje lentelėje. Kalnų perėjos telkinyje, kaip ir kitose retųjų žemių telkiniuose, išskyrus keletą pietų Kinijos, gausu šių lengvesnių elementų. Jie puikiai tinka stiklų poliravimui ir automobilių akumuliatoriams bei magnetams, kurie veikia žemoje temperatūroje. Tačiau norint atlaikyti aukštą variklių ir turbinų temperatūrą, magnetams reikia pridėti disprozio arba terbio, kurie yra sunkūs retųjų žemių metalai.



Kita problema yra ta, kad „Molycorp“ dar tik pradeda atstatyti infrastruktūrą, reikalingą retųjų žemių rūdai paversti magnetais. Kai kasybos operacijos paliko Jungtines Valstijas, visa ta infrastruktūra atsirado. Retųjų žemių metalų valymas dabar atliekamas beveik vien Kinijoje, nors Malaizija stato naują įrenginį. Magnetų pramonė dabar daugiausia įsikūrusi Kinijoje ir Japonijoje. Japonijos įmonė „Hitachi Metals“, turinti reikalingus patentus retųjų žemių lydiniams ir magnetams gaminti, sudarė sutartį su „Molycorp“ dėl jų gamybos Jungtinėse Valstijose. Molycorp tieks neodimį, tačiau norint pagaminti karščiui atsparius magnetus, įmonei gali tekti įsigyti papildomų sunkiųjų retųjų žemių elementų iš kur nors kitur, o ne iš kalnų perėjos kasyklos – sunku žinoti, kur tai gali būti.

Ieškau Laimės

Nors retųjų žemių valymas Jungtinėse Valstijose nebevykdomas, čia jį išrado Frankas Speddingas, Ameso nacionalinės laboratorijos Ajovoje įkūrėjas. 1949 m., dar prieš retųjų žemių elementų naudojimą pramoniniu būdu, Speddingas išrado pirmuosius būdus, kaip juos atskirti vieną nuo kito; ši technika išaugo iš jo darbo gryninant uraną ir torią Manheteno projektui. „Ames“ laboratorija vis dar yra vienintelis tyrimų centras šalyje, kuriame daug dėmesio skiriama medžiagoms.

Uolos susmulkinamos ir ištirpinamos, o nuosėdos atskiriamos, kad susidarytų didimio oksidas – oksiduotų lengvųjų retųjų žemių metalų mišinys, kurį reikia toliau apdoroti, kad būtų pagamintas grynas neodimio metalas, reikalingas magnetams.

Ameso tyrinėtojui Iveriui Andersonui nesunku įrodyti, kodėl retųjų žemių medžiagos yra tokios vertingos magnetuose. Ištiesęs ranką virš rašomojo stalo delnu žemyn, jis parodo, kad laukas, kurį sukuria nedidelis sulūžusio neodimio magneto gabalėlis, subalansuotas ant jo rankos, gali priversti kitą, cento dydžio, neodimio magnetą prilipti prie jo delno. Daug didesnių neodimio magnetų poros gali sulaužyti kaulus. Tada Andersonas paima žymiai stipresnį magnetą, pagamintą iš aliuminio, nikelio, geležies ir kobalto. Jis vos laikosi ant kabančio sąvaržėlės galiuko.

Nors šis našumas yra silpnas, medžiagos magnetinės savybės rodo tam tikrą pažadą, todėl Andersono grupė bando jas patobulinti, tvarkydama savo struktūrą, nanoskalės geležies ir kobalto adatų mišinį, atskirtą nikelio ir aliuminio matrica. Remdamasis teoriniais medžiagos tyrimais, Andersonas tikisi pakeisti apdorojimo sąlygas, kad adatos taptų ilgesnės ir geriau jas išlygintų. Kiek laiko galime gaminti adatas? jis stebisi. Ką daryti, jei mėginyje įdėtume didžiulį magnetinį lauką – ar jis pakeistų tarpą tarp jų, pailgėtų?

Pagrindinis magneto privalumas yra tas, kad jame nėra retųjų žemių metalų. Vis dėlto net Ameso tyrinėtojai nėra tikri, kad tokia medžiaga kada nors galėtų pakeisti retųjų žemių magnetus. Nuo tada, kai 1983 m. buvo pristatyti neodimio magnetai, nebuvo sukurta nieko, kas prilygtų jiems. Tačiau, sako Andersonas, jums gali pasisekti.

Šiandien Molycorp siunčia didimio oksido maišus klientams Japonijoje ir kitur perdirbti.

Tyrėjai taip pat ieško būdų, kaip efektyviau gaminti retųjų žemių magnetus. Šiuo metu magnetinės medžiagos yra kaitinamos ir suspaudžiamos, kad susidarytų dideli, tankūs blokai, kurie vėliau turi būti supjaustyti norima forma. Šis procesas palieka krūvas oksiduotų metalo drožlių, vadinamų drožlėmis, kurios dažnai yra užterštos pjovimo peiliams skirtais tepalais. Nešvarios drožlės negali būti integruotos į naujus magnetus, tačiau radus būdą jį panaudoti arba suformavus magnetines medžiagas taip, kad jas būtų galima formuoti, o ne pjaustyti, vertingi elementai būtų ištempti toliau. Žmonės žiūri į 55 galonų būgnus, pilnus šių šlifavimo atliekų, kurios atrodo kaip pilkšvai rudas purvas, ir galvoja, kaip iš visų tų drožlių susigrąžinti retųjų žemių metalus, sako Andersonas.

Jei retųjų žemių metalų pasiūla ateinančiais metais nepatenka į paklausą ir nebus rasta pakaitalų, kurie priartėtų prie jų veikimo, hibridinių ir elektrinių automobilių gamintojai tikriausiai bandys sukurti naujas variklių konstrukcijas, kurios būtų paremtos indukuotu, o ne nuolatiniu magnetizmu, sako Ericas Raskas. , Argonne nacionalinės laboratorijos mokslininkas. Prieš prisijungdamas prie „Argonne“ prieš dvejus metus, Raskas dirbo su „General Motors“ elektrinio volto jėgos pavaros sistema, kuri naudoja retųjų žemių nuolatinį magnetą. Tačiau, anot jo, nuolatinio magneto varikliai naudojami dėl to, kad jų efektyvumas beveik visada yra didesnis tose srityse, kuriose jie naudojami daug – paprastai tam tikram srovės tiekimui galite gauti daugiau sukimo momento.

Nedaug ekspertų išreiškia optimizmą, kad retųjų žemių medžiagų pakaks dideliam švarios energijos technologijų, pvz., elektromobilių ir vėjo energijos, augimui, kurioms konkuruoti reikia visų įmanomų sąnaudų ir efektyvumo pranašumų. Raštas jau yra ant sienos, sako Patrick Taylor, Kolorado kasyklų mokyklos Kroll išgaunamosios metalurgijos instituto direktorius. Norite plėtoti šią didelę naują energijos ekonomiką, tačiau jos pasiūla yra ribota, o paklausa nuolat auga. Paklaustas, kaip Kinija įgijo pranašumą prieš likusį pasaulį, Taylor nurodo, kad didžioji dalis reikalingos patirties ir pramonės į šią šalį pradėjo judėti beveik prieš du dešimtmečius. Tada jis priduria, kad niekas net nekreipė dėmesio.

Katherine Bourzac yra Technologijų apžvalga medžiagų mokslo redaktorius.

paslėpti