Η κατανάλωση σπάνιων γαιών σε μια χώρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό του βιομηχανικού της επιπέδου. Οποιαδήποτε υψηλής ακρίβειας και προηγμένα υλικά, εξαρτήματα και εξοπλισμός δεν μπορούν να διαχωριστούν από τα σπάνια μέταλλα. Γιατί το ίδιο ατσάλι κάνει τους άλλους πιο ανθεκτικούς στη διάβρωση από εσάς; Είναι ο ίδιος άξονας εργαλειομηχανών που άλλοι είναι πιο ανθεκτικοί και ακριβείς από εσάς; Είναι επίσης ένας μόνο κρύσταλλος που άλλοι μπορούν να φτάσουν σε υψηλή θερμοκρασία 1650 ° C; Γιατί το γυαλί κάποιου άλλου έχει τόσο υψηλό δείκτη διάθλασης; Γιατί μπορεί η Toyota να επιτύχει την υψηλότερη θερμική απόδοση αυτοκινήτων στον κόσμο, 41%; Όλα αυτά σχετίζονται με την εφαρμογή σπάνιων μετάλλων.
Σπάνιες γαίες μέταλλα, γνωστό και ως στοιχεία σπάνιων γαιών, είναι ένας συλλογικός όρος για 17 στοιχεία τουσκάνδιο, ύττριο, και σειρά λανθανιδών στην ομάδα του περιοδικού πίνακα IIIB, που συνήθως αντιπροσωπεύεται από R ή RE. Το σκάνδιο και το ύττριο θεωρούνται στοιχεία σπάνιων γαιών επειδή συχνά συνυπάρχουν με στοιχεία λανθανιδών σε κοιτάσματα ορυκτών και έχουν παρόμοιες χημικές ιδιότητες.
Σε αντίθεση με το όνομά του, η αφθονία των στοιχείων σπάνιων γαιών (εξαιρουμένου του προμεθίου) στον φλοιό είναι αρκετά υψηλή, με το δημήτριο να κατατάσσεται στην 25η θέση στην αφθονία των στοιχείων του φλοιού, αντιπροσωπεύοντας το 0,0068% (κοντά στον χαλκό). Ωστόσο, λόγω των γεωχημικών ιδιοτήτων του, τα στοιχεία σπανίων γαιών σπάνια εμπλουτίζονται σε οικονομικά εκμεταλλεύσιμο επίπεδο. Το όνομα των στοιχείων σπάνιων γαιών προέρχεται από την έλλειψή τους. Το πρώτο ορυκτό σπάνιων γαιών που ανακαλύφθηκε από τον άνθρωπο ήταν το μετάλλευμα υττρίου πυριτίου βηρυλλίου που εξήχθη από ένα ορυχείο στο χωριό Iterbi της Σουηδίας, όπου προήλθαν πολλά ονόματα στοιχείων σπάνιων γαιών.
Τα ονόματά τους και τα χημικά τους σύμβολα είναιSc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Yb και Lu. Οι ατομικοί τους αριθμοί είναι 21 (Sc), 39 (Y), 57 (La) έως 71 (Lu).
Η ιστορία της ανακάλυψης των σπάνιων γαιών στοιχείων
Το 1787, ο Σουηδός CA Arrhenius βρήκε ένα ασυνήθιστο μαύρο μετάλλευμα σπανίων γαιών στη μικρή πόλη Ytterby κοντά στη Στοκχόλμη. Το 1794, ο Φινλανδός J. Gadolin απομόνωσε μια νέα ουσία από αυτό. Τρία χρόνια αργότερα (1797), ο Σουηδός AG Ekeberg επιβεβαίωσε αυτή την ανακάλυψη και ονόμασε τη νέα ουσία ύττρια (γη ύττριο) από το μέρος όπου ανακαλύφθηκε. Αργότερα, στη μνήμη του Γαδολινίτη, αυτό το είδος μεταλλεύματος ονομάστηκε γαδολινίτης. Το 1803, οι Γερμανοί χημικοί MH Klaproth, οι Σουηδοί χημικοί JJ Berzelius και ο W. Hisinger ανακάλυψαν μια νέα ουσία - δημήτρια - από ένα μετάλλευμα (πυριτικό μετάλλευμα δημητρίου). Το 1839, ο Σουηδός CG Mosander ανακάλυψε το λανθάνιο. Το 1843, ο Musander ανακάλυψε ξανά το τέρβιο και το έρβιο. Το 1878, ο Ελβετός Marinac ανακάλυψε το υττέρβιο. Το 1879, οι Γάλλοι ανακάλυψαν το σαμάριο, οι Σουηδοί ανακάλυψαν το χόλμιο και το θούλιο και οι Σουηδοί ανακάλυψαν το σκάνδιο. Το 1880, ο Ελβετός Marinac ανακάλυψε το γαδολίνιο. Το 1885, ο Αυστριακός A. von Wels Bach ανακάλυψε το πρασεοδύμιο και το νεοδύμιο. Το 1886, ο Bouvabadrand ανακάλυψε το δυσπρόσιο. Το 1901, ο Γάλλος EA Demarcay ανακάλυψε το ευρώπιο. Το 1907, ο Γάλλος G. Urban ανακάλυψε το λουτέτιο. Το 1947, Αμερικανοί όπως ο JA Marinsky έλαβαν προμέθιο από προϊόντα σχάσης ουρανίου. Χρειάστηκαν πάνω από 150 χρόνια από τον διαχωρισμό της γης υττριίου από τον Gadolin το 1794 έως την παραγωγή του προμεθίου το 1947.
Εφαρμογή Στοιχείων Σπάνιων Γης
Στοιχεία σπανίων γαιώνείναι γνωστές ως «βιομηχανικές βιταμίνες» και έχουν αναντικατάστατες εξαιρετικές μαγνητικές, οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες, παίζοντας τεράστιο ρόλο στη βελτίωση της απόδοσης του προϊόντος, στην αύξηση της ποικιλίας των προϊόντων και στη βελτίωση της αποδοτικότητας της παραγωγής. Λόγω της μεγάλης επίδρασης και της χαμηλής δοσολογίας, οι σπάνιες γαίες έχουν γίνει σημαντικό στοιχείο για τη βελτίωση της δομής του προϊόντος, την αύξηση του τεχνολογικού περιεχομένου και την προώθηση της τεχνολογικής προόδου της βιομηχανίας. Έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε τομείς όπως η μεταλλουργία, η στρατιωτική, η πετροχημική, η υαλοκεραμική, η γεωργία και τα νέα υλικά.
Μεταλλουργική Βιομηχανία
Σπάνια γηέχει εφαρμοστεί στον μεταλλουργικό τομέα για περισσότερα από 30 χρόνια και έχει διαμορφώσει σχετικά ώριμες τεχνολογίες και διαδικασίες. Η εφαρμογή σπάνιων γαιών σε χάλυβα και μη σιδηρούχα μέταλλα είναι ένα μεγάλο και ευρύ πεδίο με ευρείες προοπτικές. Η προσθήκη μετάλλων σπάνιων γαιών, φθοριδίων και πυριτιδίων στον χάλυβα μπορεί να διαδραματίσει ρόλο στον εξευγενισμό, την αποθείωση, την εξουδετέρωση των επιβλαβών ακαθαρσιών χαμηλού σημείου τήξης και τη βελτίωση της απόδοσης επεξεργασίας του χάλυβα. Το κράμα σιδήρου πυριτίου σπανίων γαιών και το κράμα μαγνησίου πυριτίου σπανίων γαιών χρησιμοποιούνται ως σφαιροειδείς παράγοντες για την παραγωγή όλκιμου σιδήρου σπανίων γαιών. Λόγω της ειδικής καταλληλότητάς τους για την παραγωγή σύνθετων εξαρτημάτων όλκιμου σιδήρου με ειδικές απαιτήσεις, αυτός ο τύπος όλκιμου σιδήρου χρησιμοποιείται ευρέως σε βιομηχανίες μηχανικής κατασκευής όπως αυτοκίνητα, τρακτέρ και κινητήρες ντίζελ. Η προσθήκη μετάλλων σπάνιων γαιών σε μη σιδηρούχα κράματα όπως το μαγνήσιο, το αλουμίνιο, ο χαλκός, ο ψευδάργυρος και το νικέλιο μπορεί να βελτιώσει τις φυσικές και χημικές ιδιότητες του κράματος, καθώς και να βελτιώσει τη θερμοκρασία δωματίου και τις μηχανικές του ιδιότητες σε υψηλή θερμοκρασία.
Στρατιωτικό Πεδίο
Λόγω των εξαιρετικών φυσικών τους ιδιοτήτων όπως ο φωτοηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός, οι σπάνιες γαίες μπορούν να σχηματίσουν μια μεγάλη ποικιλία νέων υλικών με διαφορετικές ιδιότητες και να βελτιώσουν σημαντικά την ποιότητα και την απόδοση άλλων προϊόντων. Ως εκ τούτου, είναι γνωστός ως «βιομηχανικός χρυσός». Πρώτον, η προσθήκη σπάνιων γαιών μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την τακτική απόδοση του χάλυβα, των κραμάτων αλουμινίου, των κραμάτων μαγνησίου και των κραμάτων τιτανίου που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή δεξαμενών, αεροσκαφών και πυραύλων. Επιπλέον, οι σπάνιες γαίες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως λιπαντικά για πολλές εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας όπως ηλεκτρονικά, λέιζερ, πυρηνική βιομηχανία και υπεραγωγιμότητα. Μόλις χρησιμοποιηθεί η τεχνολογία σπάνιων γαιών στον στρατό, θα επιφέρει αναπόφευκτα ένα άλμα στη στρατιωτική τεχνολογία. Κατά μία έννοια, ο συντριπτικός έλεγχος του αμερικανικού στρατού σε αρκετούς τοπικούς πολέμους μετά τον Ψυχρό Πόλεμο, καθώς και η ικανότητά του να σκοτώνει ανοιχτά εχθρούς ατιμώρητα, πηγάζει από την τεχνολογία σπάνιων γαιών του, όπως ο Superman.
Πετροχημική βιομηχανία
Τα στοιχεία σπανίων γαιών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή καταλυτών μοριακού κόσκινου στην πετροχημική βιομηχανία, με πλεονεκτήματα όπως η υψηλή δραστηριότητα, η καλή εκλεκτικότητα και η ισχυρή αντοχή σε δηλητηρίαση από βαρέα μέταλλα. Ως εκ τούτου, έχουν αντικαταστήσει τους καταλύτες πυριτικού αλουμινίου για διεργασίες καταλυτικής πυρόλυσης πετρελαίου. Στη διαδικασία παραγωγής συνθετικής αμμωνίας, μια μικρή ποσότητα νιτρικών σπάνιων γαιών χρησιμοποιείται ως συγκαταλύτης και η ικανότητα επεξεργασίας αερίου είναι 1,5 φορές μεγαλύτερη από αυτή του καταλύτη αλουμινίου νικελίου. Στη διαδικασία σύνθεσης καουτσούκ cis-1,4-πολυβουταδιενίου και καουτσούκ ισοπρενίου, το προϊόν που λαμβάνεται με χρήση καταλύτη σπανίων γαιών κυκλοαλκανοϊκού τριισοβουτυλικού αλουμινίου έχει εξαιρετική απόδοση, με πλεονεκτήματα όπως λιγότερη ανάρτηση κόλλας εξοπλισμού, σταθερή λειτουργία και σύντομη διαδικασία μετά την επεξεργασία ; Τα σύνθετα οξείδια σπάνιων γαιών μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως καταλύτες για τον καθαρισμό των καυσαερίων από κινητήρες εσωτερικής καύσης και το ναφθενικό δημήτριο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως παράγοντας ξήρανσης χρώματος.
Γυαλί-κεραμικό
Η εφαρμογή στοιχείων σπανίων γαιών στη βιομηχανία γυαλιού και κεραμικής της Κίνας έχει αυξηθεί κατά μέσο όρο 25% από το 1988, φθάνοντας περίπου τους 1600 τόνους το 1998. Τα κεραμικά από γυαλί σπανίων γαιών δεν είναι μόνο παραδοσιακά βασικά υλικά για τη βιομηχανία και την καθημερινή ζωή, αλλά και σημαντικό μέλος του τομέα της υψηλής τεχνολογίας. Τα οξείδια σπάνιων γαιών ή τα επεξεργασμένα συμπυκνώματα σπάνιων γαιών μπορούν να χρησιμοποιηθούν ευρέως ως γυαλιστικές σκόνες για οπτικά γυαλιά, φακούς γυαλιών, σωλήνες εικόνας, σωλήνες παλμογράφου, επίπεδο γυαλί, πλαστικό και μεταλλικά επιτραπέζια σκεύη. Στη διαδικασία τήξης του γυαλιού, το διοξείδιο του δημητρίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να έχει ισχυρή επίδραση οξείδωσης στο σίδηρο, μειώνοντας την περιεκτικότητα σε σίδηρο στο γυαλί και επιτυγχάνοντας τον στόχο της αφαίρεσης του πράσινου χρώματος από το γυαλί. Η προσθήκη οξειδίων σπάνιων γαιών μπορεί να παράγει οπτικό γυαλί και ειδικό γυαλί για διαφορετικούς σκοπούς, συμπεριλαμβανομένου του γυαλιού που μπορεί να απορροφήσει τις υπεριώδεις ακτίνες, γυαλί ανθεκτικό σε οξύ και θερμότητα, γυαλί ανθεκτικό στις ακτίνες Χ, κ.λπ. Η προσθήκη στοιχείων σπάνιων γαιών σε υαλώματα κεραμικών και πορσελάνης μπορεί να μειώσει τον κατακερματισμό των υαλοπινάκων και να κάνει τα προϊόντα να παρουσιάζουν διαφορετικά χρώματα και γυαλάδες, καθιστώντας τα ευρέως χρησιμοποιούμενα στην κεραμική βιομηχανία.
Γεωργία
Τα αποτελέσματα της έρευνας δείχνουν ότι τα στοιχεία σπάνιων γαιών μπορούν να αυξήσουν την περιεκτικότητα των φυτών σε χλωροφύλλη, να ενισχύσουν τη φωτοσύνθεση, να προάγουν την ανάπτυξη των ριζών και να αυξήσουν την απορρόφηση θρεπτικών συστατικών από τις ρίζες. Τα στοιχεία σπανίων γαιών μπορούν επίσης να προάγουν τη βλάστηση των σπόρων, να αυξήσουν τον ρυθμό βλάστησης των σπόρων και να προάγουν την ανάπτυξη των φυταρίων. Εκτός από τις κύριες λειτουργίες που αναφέρθηκαν παραπάνω, έχει επίσης την ικανότητα να ενισχύει την αντοχή στις ασθένειες, την αντίσταση στο ψύχος και την αντοχή στην ξηρασία ορισμένων καλλιεργειών. Πολυάριθμες μελέτες έχουν επίσης δείξει ότι η χρήση κατάλληλων συγκεντρώσεων στοιχείων σπάνιων γαιών μπορεί να προωθήσει την απορρόφηση, τον μετασχηματισμό και τη χρήση των θρεπτικών ουσιών από τα φυτά. Ο ψεκασμός στοιχείων σπανίων γαιών μπορεί να αυξήσει την περιεκτικότητα σε Vc, τη συνολική περιεκτικότητα σε σάκχαρα και την αναλογία οξέων σακχάρων των μήλων και των εσπεριδοειδών, προάγοντας το χρωματισμό των φρούτων και την πρώιμη ωρίμανση. Και μπορεί να καταστείλει την αναπνευστική ένταση κατά την αποθήκευση και να μειώσει τον ρυθμό τερηδόνας.
Πεδίο νέων υλικών
Σπάνιο υλικό μόνιμου μαγνήτη από νεοδύμιο σίδηρο βόριο, με υψηλή παραμονή, υψηλή καταναγκασμό και προϊόν υψηλής μαγνητικής ενέργειας, χρησιμοποιείται ευρέως στις ηλεκτρονικές και αεροδιαστημικές βιομηχανίες και στην οδήγηση ανεμογεννητριών (ιδιαίτερα κατάλληλο για υπεράκτιους σταθμούς παραγωγής ενέργειας). Μονοί κρύσταλλοι φερρίτη τύπου γρανάτης και πολυκρυστάλλοι που σχηματίζονται από τον συνδυασμό καθαρών οξειδίων σπάνιων γαιών και οξειδίου του σιδήρου μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη βιομηχανία μικροκυμάτων και ηλεκτρονικών. Ο γρανάτης αλουμινίου υττρίου και το γυαλί νεοδυμίου από υψηλής καθαρότητας οξείδιο νεοδυμίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως στερεά υλικά λέιζερ. Τα εξαβορίδια σπανίων γαιών μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υλικά καθόδου για την εκπομπή ηλεκτρονίων. Το μέταλλο νικελίου λανθανίου είναι ένα πρόσφατα αναπτυγμένο υλικό αποθήκευσης υδρογόνου στη δεκαετία του 1970. Το χρωμικό λανθάνιο είναι ένα θερμοηλεκτρικό υλικό υψηλής θερμοκρασίας. Επί του παρόντος, χώρες σε όλο τον κόσμο έχουν κάνει καινοτομίες στην ανάπτυξη υπεραγώγιμων υλικών χρησιμοποιώντας οξείδια με βάση το βάριο τροποποιημένα με στοιχεία οξυγόνου χαλκού βαρίου υττρίου, τα οποία μπορούν να αποκτήσουν υπεραγωγούς στο εύρος θερμοκρασίας υγρού αζώτου. Επιπλέον, οι σπάνιες γαίες χρησιμοποιούνται ευρέως στον φωτισμό των πηγών φωτός μέσω μεθόδων όπως φθορίζουσα σκόνη, σκόνη φθορισμού εντατικοποίησης οθόνης, σκόνη φθορισμού τριών βασικών χρωμάτων και σκόνη λαμπτήρων αντιγραφής (αλλά λόγω του υψηλού κόστους που προκαλείται από την αύξηση των τιμών των σπάνιων γαιών, οι εφαρμογές τους στον φωτισμό μειώνονται σταδιακά), καθώς και ηλεκτρονικά προϊόντα όπως τηλεοράσεις προβολής και ταμπλέτες. Στη γεωργία, η εφαρμογή ιχνών ποσοτήτων νιτρικών σπάνιων γαιών σε καλλιέργειες αγρού μπορεί να αυξήσει την απόδοσή τους κατά 5-10%. Στην ελαφριά κλωστοϋφαντουργία, τα χλωριούχα σπάνια γαία χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως στη βαφή γούνας, στη βαφή γούνας, στη βαφή μαλλιού και στη βαφή χαλιών. Τα στοιχεία σπάνιων γαιών μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε καταλυτικούς μετατροπείς αυτοκινήτων για τη μετατροπή σημαντικών ρύπων σε μη τοξικές ενώσεις κατά την εξάτμιση του κινητήρα.
Άλλες εφαρμογές
Τα στοιχεία σπανίων γαιών εφαρμόζονται επίσης σε διάφορα ψηφιακά προϊόντα, συμπεριλαμβανομένων των οπτικοακουστικών συσκευών, της φωτογραφίας και των συσκευών επικοινωνίας, ικανοποιώντας πολλαπλές απαιτήσεις όπως μικρότερο, ταχύτερο, ελαφρύτερο, μεγαλύτερος χρόνος χρήσης και εξοικονόμηση ενέργειας. Ταυτόχρονα, έχει επίσης εφαρμοστεί σε πολλούς τομείς όπως η πράσινη ενέργεια, η υγειονομική περίθαλψη, ο καθαρισμός του νερού και οι μεταφορές.
Ώρα δημοσίευσης: 16 Αυγούστου 2023