稀土,危机!

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稀土元素(Rare Earth Elements,REE)从18世纪末叶开始陆续被发现,共有17种,包括化学元素周期表中的15种镧系元素——镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu),以及与镧系元素密切相关的两个元素钪(Sc)和钇(Y)。

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稀土元素缘何性感?

如果你在手心粘上一小块钕磁铁碎片,手掌向下伸开,置于桌上。掌骨是人体磁性最强的部位,手掌骨被磁化后将在你的手背上形成一个强磁场。这时你胆敢在手掌和手背上各放上一块稍大的钕磁铁,强力的磁场可能生生把你的骨头弄裂!

这就是稀土元素的磁性特征。

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稀土元素被广泛应用于电子、石油化工、冶金、机械、能源、轻工、环境保护、农业等领域。应用稀土可生产荧光材料、稀土金属氢化物电池材料、电光源材料、永磁材料、储氢材料、催化材料、精密陶瓷材料、激光材料、超导材料、磁致伸缩材料、磁致冷材料、磁光存储材料、光导纤维材料等。

大多数稀土元素呈现顺磁性,比如钆在0℃时比铁具更强的铁磁性。某些稀土元素的磁性特征使其在电动汽车、混合动力汽车、风力发电,甚至国防工业等方面大显身手。用过苹果 iPad 2 的原装保护套就会到磁性是如此重要。而稀土金属所产生的永久性强磁则可以用“性感万分”来修饰。

稀土危机从何而来?

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美国最近启动了本国稀土元素的开发,最著名的是位于加州莫哈韦沙漠东部的芒廷帕司稀土矿山(Mountain Pass,见上图),主要开采铈、钕等金属。该矿山曾经是世界上最大的稀土矿山之一,具有50多年的开发历史,超过50英亩(约合20万m²)的大型露天采坑。2002年由于环保问题,以及中国廉价出口的影响被迫关停,默默沉寂了10多年(图中的积水正是由于长期停工造成的)。

中国曾满足世界上95%的稀土金属需求。去年9月,中国政府暂停稀土对日本的出口两个月,世界倍感恐慌,纷纷加大对本国资源的安全控制。由于全球对稀土金属的强烈需求,美国稀土生产商和技术公司 Molycorp Minerals 去年12月重新启动了开采作业。该公司目前是西半球唯一的稀土金属生产商,也是中国之外屈指可数的稀土开发矿商之一。

但即使中国不采取限制性政策,美国加州芒廷帕司矿山全力恢复生产,全球性的稀土供不应求局面也很快会到来。特别是钕和镝,它们广泛用于产生强磁,是电动汽车、混合动力车和风力发电设备必不可少的组件。美国能源部预测,由于电动汽车和风力电厂的快速扩张,2015年将出现这些稀土金属的紧缺。

澳大利亚的一些矿山也在开发作业,跟美国的芒廷帕司稀土矿加在一起能够在某种程度上提高全球性供给,但还远不足以解决未来几年的稀土危机。

品质稀有替代难求

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一台电动汽车可能需要使用的稀土金属

最要命的是,目前还没有发现或者发明出用于产生永久性强磁的替代品。许多人也许还不知道,连家庭的电冰箱都需要这些强磁组件。同重量的钕铁合金能产生比其它任何物质强达4-5倍的永久性磁体。每台丰田普锐斯的发动机需要使用大约1kg的稀土金属,而每个风力发电机组则需要上百千克的稀土金属。

寻找替代品的努力一直没有停止,但仅有的突破到工业化生产也需假以时日。美国现在面临的另一个棘手问题是人才荒,在当年关闭这些矿山后,强磁生产商和专家都转移到亚洲,以寻求更加毗邻矿山且降低劳工成本。如此一来,研究机构和公司在磁产品生产和研发上兴趣陡降,虽然现在科研资金充盈,但缺乏人才、工业和矿山以付诸实践。

稀土金属的选冶工艺复杂,而且带来种种环境问题。美国的芒廷帕司稀土矿山几经周折,吸引投资并上市后,开启了美国稀土生产的新纪元。但该矿山更多的是富集轻稀土,而能在高温条件下工作的强磁组件则必须使用大量重的稀土元素。

另一个棘手的问题是,美国当年关闭稀土矿山后,绝大部分的下游工厂也相继倒闭、关停。美国矿山现在只能生产出稀土矿石,而将矿石提纯加工成磁体的企业和设施几乎仅仅分布在中国,虽然马来西亚正在试图建设一个新厂。另外,磁工业又聚集在中国和日本,日立金属公司掌握了制造稀土合金和强磁体的专利。虽然日立金属公司和 Molycorp 公司签订了合作协议,但在美国生产这些产品还需进口大量的重稀土金属。

科研尝试应对危机

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美国的芒廷帕司稀土矿山山口处的氟碳铈矿原石

科学家正在努力研究改变铝、镍、铁和钴合金的结构,使用纳米级别铁-钴针状物和铝的合金来研发可能的替代品。但需要多久才能取得实质性成果,如何将理论研究推向工业材料学实践等等问题还在云雾之中。研究的终极目标是生产不含稀土金属的强磁体。令人沮丧的是,貌似没有任何物质能够替代稀土磁体,因为自1983年以来,尚且没有任何产品可以,哪怕是接近稀土磁铁的超级性能。

更为实际的是,科学家正在探索生产更高效的稀土磁铁产品。目前的工艺是加热压缩磁性物质,生产大型块体,尔后切割成预先设计的形状。这种加工工艺和流程,产生了大量的金属氧化物废渣,其中嵌有大量切割刀片的碎末;而这些废渣无法用来重新生产磁体。研究如何利用这些废渣,或者开发更好的工艺来直接成型产品而不产生废渣,将会为该行业带来福祉。

清洁能源前景堪忧

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稀土矿原石经粉碎、筛检后得到稀土氧化物,稀土氧化物再经复杂的处理过程才能得到超强磁力的钕金属

如果未来几年稀土金属供不应求,而且还没有寻找到合适的替代品,我们将不得不使用衰减性而不是永久性磁铁来生产电动车和混合动力车。这将使得清洁能源产品的性能和寿命大受影响。

仅有少数专家对未来持乐观态度,他们认为稀土资源储量足以满足大规模清洁能源科技(如电动车、混合动力车、风力发电厂等)的发展。一家著名研究所的所长泰勒(Patrick Taylor)则深感担忧:“人类想大力发展新能源经济,但我们面对的是有限的资源和持续升温的需求。”当被问及中国何以能够牵制全球时,他感慨道:“20多年前,当大量的技术和专家涌入中国的时候,世界上其它国家竟然没有任何人表示关注。”

中国未曾主动牵制他国,而他国过去的种种所为造成了捉襟见肘的现状。西方国家在保护本国资源安全的同时,亦大量廉价购买并囤积了中国出口的稀土金属。他们现在面临资源的紧缺、人才技术的匮乏也许只是短期的表象。美国等国家地下蕴藏的大量稀土资源、其经济竞争力、科技水平,以及矿业和资本市场的丰富运作经验;必将在不远的将来形成对中国的制衡。

但从全球稀土资源总储量上来讲,清洁能源产业无论是虚为其名,还是切实保护环境的目的驱动下的蓬勃发展,必将造成未来稀土资源的真正危机。而中国的出路又在何方?


本文编译自《麻省理工科技创业》杂志材料科学编辑 Katherine Bourzac 撰写的 The Rare-Earth Crisis 一文,原文载于《麻省理工科技创业》2011年5/6月刊。

原文看这里

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