گفته می شود تنها با افزودن آنها می توان عملکرد مواد را بهبود بخشید

برای تعیین سطح صنعتی آن می توان از مصرف خاک های کمیاب در یک کشور استفاده کرد. هر گونه مواد، اجزا و تجهیزات بالا، دقیق و پیشرفته را نمی توان از فلزات کمیاب جدا کرد. چرا همین فولاد دیگران را نسبت به شما در برابر خوردگی مقاوم تر می کند؟ آیا این همان دوک ماشین ابزار است که دیگران از شما بادوام تر و دقیق تر هستند؟ آیا این هم یک بلور است که دیگران می توانند به دمای بالای 1650 درجه سانتیگراد برسند؟ چرا شیشه شخص دیگری اینقدر ضریب شکست دارد؟ چرا تویوتا می تواند به بالاترین راندمان حرارتی خودرو در جهان با 41 درصد دست یابد؟ اینها همه مربوط به کاربرد فلزات کمیاب است.

فلزات خاکی کمیابکه به عنوان عناصر خاکی کمیاب نیز شناخته می شود، یک اصطلاح جمعی برای 17 عنصر از استاسکاندیم, ایتریمو سری لانتانید در گروه جدول تناوبی IIIB که معمولاً با R یا RE نشان داده می شود. اسکاندیم و ایتریوم از عناصر خاکی کمیاب در نظر گرفته می شوند زیرا اغلب با عناصر لانتانید در ذخایر معدنی همزیستی دارند و خواص شیمیایی مشابهی دارند.

برخلاف نامش، فراوانی عناصر خاکی کمیاب (به استثنای پرومتیم) در پوسته بسیار زیاد است، به طوری که سریم از نظر فراوانی عناصر پوسته در رتبه 25 قرار دارد و 0.0068٪ (نزدیک به مس) را تشکیل می دهد. با این حال، به دلیل خواص ژئوشیمیایی، عناصر کمیاب خاکی به ندرت تا حد قابل بهره برداری اقتصادی غنی می شوند. نام عناصر کمیاب خاکی از کمیابی آنها گرفته شده است. اولین ماده معدنی خاکی کمیاب که توسط انسان کشف شد، سنگ معدن سیلیسیم بریلیم ایتریم بود که از معدنی در روستای Iterbi، سوئد استخراج شد، جایی که نام بسیاری از عناصر خاکی کمیاب از آنجا منشاء گرفت.

نام و علائم شیمیایی آنها استSc، Y، La، Ce، Pr، Nd، Pm، Sm، Eu، Gd، Tb، Dy، Ho، Er، Tm، Yb، Yb، و Lu. اعداد اتمی آنها 21 (Sc)، 39 (Y)، 57 (La) تا 71 (Lu) است.

تاریخچه کشف عناصر کمیاب زمین

در سال 1787، CA Arrhenius سوئدی یک سنگ معدن سیاه فلزی کمیاب غیر معمول را در شهر کوچک ایتربی در نزدیکی استکهلم پیدا کرد. در سال 1794، J. Gadolin فنلاندی ماده جدیدی را از آن جدا کرد. سه سال بعد (1797)، AG Ekeberg سوئدی این کشف را تایید کرد و نام ماده جدید را ایتریا (ایتریوم زمین) به نام محل کشف آن گذاشت. بعدها به یاد گادولینیت این نوع سنگ معدن را گادولینیت نامیدند. در سال 1803، شیمیدانان آلمانی MH Klaproth، شیمیدانان سوئدی JJ Berzelius، و W. Hisinger یک ماده جدید - سریا - از یک سنگ معدن (سنگ سیلیکات سریم) کشف کردند. در سال 1839، CG Mosander سوئدی لانتانیم را کشف کرد. در سال 1843، موساندر دوباره تربیوم و اربیوم را کشف کرد. در سال 1878، ماریناک سوئیسی ایتربیوم را کشف کرد. در سال 1879، فرانسوی ها ساماریوم، سوئدی ها هولمیوم و تولیوم و سوئدی ها اسکاندیم را کشف کردند. در سال 1880، ماریناک سوئیسی گادولینیوم را کشف کرد. در سال 1885، A. von Wels Bach اتریشی پرازئودیمیم و نئودیمیم را کشف کرد. در سال 1886 بووآبادند دیسپروزیم را کشف کرد. در سال 1901، مرد فرانسوی EA Demarcay اوروپیم را کشف کرد. در سال 1907، مرد فرانسوی G. Urban لوتیتیم را کشف کرد. در سال 1947، آمریکایی‌هایی مانند JA Marinsky پرومتیم را از محصولات شکافت اورانیوم به دست آوردند. از جداسازی ایتریوم زمین توسط گادولین در سال 1794 تا تولید پرومتیم در سال 1947 بیش از 150 سال طول کشید.

کاربرد عناصر کمیاب زمین

عناصر خاکی کمیاباین ویتامین ها به عنوان "ویتامین های صنعتی" شناخته می شوند و دارای خواص مغناطیسی، نوری و الکتریکی بی بدیل عالی هستند و نقش بسیار زیادی در بهبود عملکرد محصول، افزایش تنوع محصول و بهبود راندمان تولید دارند. خاک‌های کمیاب به دلیل تأثیر زیاد و دوز پایین، به عنصر مهمی در بهبود ساختار محصول، افزایش محتوای تکنولوژیکی و ارتقای پیشرفت فناوری صنعت تبدیل شده‌اند. آنها به طور گسترده در زمینه هایی مانند متالورژی، نظامی، پتروشیمی، شیشه سرامیک، کشاورزی و مواد جدید استفاده شده اند.

صنعت متالورژی

زمین کمیاببیش از 30 سال است که در زمینه متالورژی کاربرد دارد و فناوری ها و فرآیندهای نسبتاً بالغی را شکل داده است. کاربرد خاک های کمیاب در فولاد و فلزات غیرآهنی زمینه ای وسیع و گسترده با چشم انداز وسیع است. افزودن فلزات خاکی کمیاب، فلوریدها و سیلیسیدها به فولاد می تواند در تصفیه، گوگردزدایی، خنثی کردن ناخالصی های مضر با نقطه ذوب پایین و بهبود عملکرد پردازش فولاد نقش داشته باشد. آلیاژ آهن سیلیکون خاکی کمیاب و آلیاژ منیزیم سیلیکون خاکی کمیاب به عنوان عوامل کروی سازی برای تولید آهن شکل پذیر خاکی کمیاب استفاده می شود. این نوع چدن داکتیل به دلیل مناسب بودن ویژه برای تولید قطعات پیچیده چدن داکتیل با نیازهای خاص، کاربرد وسیعی در صنایع ساخت مکانیکی مانند خودرو، تراکتور و موتورهای دیزلی دارد. افزودن فلزات خاکی کمیاب به آلیاژهای غیرآهنی مانند منیزیم، آلومینیوم، مس، روی و نیکل می تواند خواص فیزیکی و شیمیایی آلیاژ را بهبود بخشد و همچنین دمای اتاق و خواص مکانیکی آن را در دمای بالا افزایش دهد.
میدان نظامی

خاک های کمیاب به دلیل خواص فیزیکی عالی مانند فوتوالکتریک و مغناطیس می توانند طیف گسترده ای از مواد جدید با خواص متفاوت را تشکیل دهند و کیفیت و عملکرد سایر محصولات را تا حد زیادی بهبود بخشند. از این رو به طلای صنعتی معروف است. اولاً، افزودن خاک‌های کمیاب می‌تواند عملکرد تاکتیکی فولاد، آلیاژهای آلومینیوم، آلیاژهای منیزیم و آلیاژهای تیتانیوم مورد استفاده در ساخت تانک‌ها، هواپیماها و موشک‌ها را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. علاوه بر این، خاک های کمیاب همچنین می توانند به عنوان روان کننده برای بسیاری از کاربردهای با تکنولوژی بالا مانند الکترونیک، لیزر، صنایع هسته ای و ابررسانایی استفاده شوند. هنگامی که فناوری خاکی کمیاب در ارتش مورد استفاده قرار گیرد، ناگزیر جهشی در فناوری نظامی ایجاد خواهد کرد. به یک معنا، کنترل قاطع ارتش ایالات متحده در چندین جنگ محلی پس از جنگ سرد، و همچنین توانایی آن در کشتن آشکار دشمنان بدون مجازات، از فناوری خاکی کمیاب آن، مانند سوپرمن، ناشی می شود.

صنعت پتروشیمی

عناصر خاکی کمیاب را می توان برای ساخت کاتالیزورهای غربال مولکولی در صنعت پتروشیمی با مزایایی مانند فعالیت بالا، گزینش پذیری خوب و مقاومت قوی در برابر مسمومیت با فلزات سنگین استفاده کرد. بنابراین، آنها جایگزین کاتالیزورهای سیلیکات آلومینیوم برای فرآیندهای کراکینگ کاتالیزوری نفت شده اند. در فرآیند تولید آمونیاک مصنوعی، مقدار کمی از نیترات خاکی کمیاب به عنوان کوکاتالیست استفاده می شود و ظرفیت پردازش گاز آن 1.5 برابر بیشتر از کاتالیزور آلومینیوم نیکل است. در فرآیند سنتز لاستیک سیس-1،4-پلی بوتادین و لاستیک ایزوپرن، محصول به دست آمده با استفاده از کاتالیزور آلومینیوم تری ایزوبوتیل سیکلوآلکانوات خاکی کمیاب دارای عملکرد عالی است، با مزایایی مانند آویزان کردن چسب کمتر تجهیزات، عملکرد پایدار و فرآیند کوتاه پس از درمان. ; اکسیدهای خاکی کمیاب کامپوزیت همچنین می توانند به عنوان کاتالیزور برای تصفیه گازهای خروجی از موتورهای احتراق داخلی استفاده شوند و نفتنات سریم نیز می تواند به عنوان عامل خشک کننده رنگ استفاده شود.

شیشه سرامیک

استفاده از عناصر خاکی کمیاب در صنعت شیشه و سرامیک چین از سال 1988 به طور متوسط ​​25 درصد افزایش یافته است و به حدود 1600 تن در سال 1998 رسیده است. سرامیک های شیشه ای خاکی کمیاب نه تنها مواد اولیه سنتی برای صنعت و زندگی روزمره هستند، بلکه یک عضو اصلی حوزه فناوری پیشرفته اکسیدهای خاکی کمیاب یا کنسانتره های خاکی کمیاب فرآوری شده را می توان به طور گسترده به عنوان پودر صیقل دهنده برای شیشه های نوری، عدسی های عینک، لوله های تصویر، لوله های اسیلوسکوپ، شیشه های تخت، پلاستیکی و ظروف فلزی استفاده کرد. در فرآیند ذوب شیشه، دی اکسید سریم را می توان برای اثر اکسیداسیون قوی روی آهن، کاهش محتوای آهن در شیشه و دستیابی به هدف حذف رنگ سبز از شیشه استفاده کرد. افزودن اکسیدهای خاکی کمیاب می تواند شیشه های نوری و شیشه های مخصوص را برای اهداف مختلف تولید کند، از جمله شیشه هایی که می توانند اشعه های فرابنفش را جذب کنند، شیشه های مقاوم در برابر اسید و حرارت، شیشه های مقاوم در برابر اشعه ایکس و غیره. افزودن عناصر خاکی کمیاب به لعاب‌های سرامیکی و چینی می‌تواند تکه تکه شدن لعاب‌ها را کاهش دهد و رنگ‌ها و براقیت‌های متفاوتی را در محصولات ایجاد کند که باعث می‌شود آنها به طور گسترده در صنعت سرامیک مورد استفاده قرار گیرند.

کشاورزی

نتایج تحقیقات نشان می‌دهد که عناصر کمیاب خاکی می‌توانند محتوای کلروفیل گیاهان را افزایش دهند، فتوسنتز را افزایش دهند، رشد ریشه را تقویت کنند و جذب مواد مغذی توسط ریشه را افزایش دهند. عناصر خاکی کمیاب همچنین می توانند جوانه زنی بذر را افزایش دهند، سرعت جوانه زنی بذر را افزایش دهند و رشد گیاهچه را تقویت کنند. علاوه بر عملکردهای اصلی ذکر شده در بالا، توانایی افزایش مقاومت به بیماری، مقاومت به سرما و مقاومت به خشکی برخی محصولات را نیز دارد. مطالعات متعدد همچنین نشان داده است که استفاده از غلظت‌های مناسب از عناصر کمیاب خاکی می‌تواند باعث جذب، تبدیل و استفاده از عناصر غذایی توسط گیاهان شود. سمپاشی عناصر کمیاب خاکی می‌تواند محتوای Vc، محتوای قند کل و نسبت اسید قند سیب و مرکبات را افزایش دهد و رنگ‌آمیزی میوه‌ها و زودرسی را افزایش دهد. و می تواند شدت تنفس را در طول ذخیره سازی سرکوب کرده و میزان پوسیدگی را کاهش دهد.

زمینه مواد جدید

ماده آهنربای دائمی نئودیمیم آهن بور خاکی کمیاب، با ماندگاری بالا، اجبار بالا و محصول انرژی مغناطیسی بالا، به طور گسترده در صنایع الکترونیک و هوافضا و هدایت توربین های بادی (به ویژه مناسب برای نیروگاه های دریایی) استفاده می شود. تک کریستال های فریت نوع گارنت و پلی کریستال های تشکیل شده از ترکیب اکسیدهای خاکی کمیاب خالص و اکسید آهن می توانند در صنایع مایکروویو و الکترونیک استفاده شوند. گارنت آلومینیوم ایتریوم و شیشه نئودیمیم ساخته شده از اکسید نئودیمیم با خلوص بالا می توانند به عنوان مواد لیزر جامد استفاده شوند. هگزابوریدهای خاکی کمیاب می توانند به عنوان مواد کاتدی برای انتشار الکترون استفاده شوند. فلز نیکل لانتانیم یک ماده ذخیره‌سازی هیدروژن جدید در دهه 1970 است. کرومات لانتانیم یک ماده ترموالکتریک با دمای بالا است. در حال حاضر، کشورهای سراسر جهان با استفاده از اکسیدهای بر پایه باریم اصلاح شده با عناصر اکسیژن مس باریم ایتریم، که می توانند ابررساناهایی را در محدوده دمایی نیتروژن مایع به دست آورند، پیشرفت هایی در توسعه مواد ابررسانا ایجاد کرده اند. علاوه بر این، خاک های کمیاب به طور گسترده در روشنایی منابع نور از طریق روش هایی مانند پودر فلورسنت، پودر فلورسنت تشدید کننده صفحه نمایش، پودر فلورسنت سه رنگ اصلی و پودر لامپ کپی استفاده می شود (اما به دلیل هزینه بالای ناشی از افزایش قیمت خاک های کمیاب، کاربرد آنها در روشنایی به تدریج کاهش می یابد) و همچنین محصولات الکترونیکی مانند تلویزیون های پروجکشن و تبلت ها. در کشاورزی، استفاده از مقادیر کمی نیترات خاکی کمیاب در محصولات زراعی می تواند عملکرد آنها را 5-10٪ افزایش دهد. در صنعت نساجی سبک، کلریدهای خاکی کمیاب نیز به طور گسترده در دباغی خز، رنگرزی خز، رنگرزی پشم، و رنگرزی فرش استفاده می شود. عناصر خاکی کمیاب را می توان در مبدل های کاتالیزوری خودرو برای تبدیل آلاینده های اصلی به ترکیبات غیر سمی در طول اگزوز موتور استفاده کرد.

برنامه های کاربردی دیگر

عناصر خاکی کمیاب همچنین برای محصولات دیجیتالی مختلف، از جمله دستگاه های سمعی و بصری، عکاسی و ارتباطی به کار می روند که نیازهای متعددی مانند کوچکتر، سریعتر، سبک تر، زمان استفاده طولانی تر و صرفه جویی در انرژی را برآورده می کنند. در عین حال، در زمینه های متعددی مانند انرژی سبز، مراقبت های بهداشتی، تصفیه آب و حمل و نقل نیز کاربرد داشته است.