Metale ziem rzadkich, choć mniej znane niż złoto czy srebro, odgrywają bardzo istotną rolę we współczesnej technologii i przemyśle. Te unikalne pierwiastki, ukryte głęboko w skorupie ziemskiej, są niezbędne w produkcji wielu zaawansowanych technologicznie urządzeń, od smartfonów po samochody elektryczne.
Dzisiaj przyjrzymy się bliżej, czym dokładnie są metale ziem rzadkich, jakie obejmują pierwiastki oraz jakie mają zastosowania w naszym codziennym życiu i przyszłości technologii. Dowiedz się, dlaczego są one tak cenne i jakie wyzwania wiążą się z ich wydobyciem i wykorzystaniem.
Metale ziem rzadkich – definicja
Metale ziem rzadkich, również znane jako pierwiastki ziem rzadkich (REE – rare-earth elements), obejmują grupę 17 pierwiastków chemicznych, do których zalicza się dwa skandowce (skand i itr) oraz pełen zestaw lantanowców (lantan, cer, prazeodym, neodym, promet, samar, europ, gadolin, terb, dysproz, holm, erb, tul, iterb i lutet).
Te pierwiastki często występują razem w minerałach i charakteryzują się podobnymi właściwościami chemicznymi. Zwyczajowo dzieli się je na lekkie REE (LREE, obejmujące La–Eu) i ciężkie REE (HREE, zawierające Gd–Lu i Y).
W ramach badań geologicznych, skand zwykle nie jest zaliczany do tej grupy z powodu odmiennego promienia jonowego i właściwości geochemicznych, które sprawiają, że zastępuje on inne pierwiastki, takie jak magnez, żelazo (Fe2+), cyrkon (Zr) czy cyna (Sn), w odmiennych minerałach i złożach niż inne REE.
Pierwiastki te zaliczane są do litofilów, czyli pierwiastków, które skupiają się głównie w skorupie ziemskiej. Są także niekompatybilnymi pierwiastkami, co oznacza, że podczas procesów topnienia skał czy krystalizacji magmy są one bardziej skłonne do koncentracji w magmie niż w stałych kryształach. Ich niekompatybilność, czyli współczynnik podziału pomiędzy fazą stałą a ciekłą, zmniejsza się wraz z promieniem jonowym od ceru do lutetu.
Pomimo swojej nazwy, REE są dość powszechne i stanowią siódmą część wszystkich pierwiastków w naturze. Na przykład cer i itr są znacznie częstsze niż molibden, plasując się odpowiednio na 25. i 30. pozycji pod względem występowania w skorupie ziemskiej.
Niektóre ciężkie REE, takie jak terb i tul, występują jednak rzadziej niż molibden. Promet, w przeciwieństwie do reszty, nie ma stabilnych izotopów; jego najdłużej żyjącym izotopem jest 147Pm, o czasie półtrwania około 2,62 lat, a jego ilość w skorupie ziemskiej wynosi zaledwie około 600 gramów.

Metale ziem rzadkich – lista
- Skand (Sc)
- Itr (Y)
- Lantan (La)
- Cer (Ce)
- Prazeodym (Pr)
- Neodym (Nd)
- Promet (Pm)
- Samar (Sm)
- Europ (Eu)
- Gadolin (Gd)
- Terb (Tb)
- Dysproz (Dy)
- Holm (Ho)
- Erb (Er)
- Tul (Tm)
- Iterb (Yb)
- Lutet (Lu)
Występowanie w naturze
Metale ziem rzadkich zazwyczaj występują w naturze jako węglany, tlenki, fosforany i krzemiany. Pierwszym odkrytym minerałem zawierającym te pierwiastki, w tym cer i itr, był gadolinit, który został znaleziony przez szwedzkiego chemika Carla Axela Arrheniusa w Ytterby. Surowiec ten dał nazwę czterem pierwiastkom: terb, erb, iterb i itr.
Chociaż setki minerałów mogą zawierać znaczne ilości metali ziem rzadkich, tylko nieliczne mają wartość ekonomiczną. Zalicza się do nich takie minerały jak bastnazyt, loparyt, monacyt, ksenotym i fergusonit. Złoża tych metali dzielą się na pierwotne i wtórne. Historycznie, pierwotne złoża, zwłaszcza piaski monacytowe, miały większe znaczenie, ale obecnie ponownie zwraca się uwagę na złoża zawierające ksenotym jako potencjalne źródło ciężkich metali ziem rzadkich (HREE). Te złoża, dzięki ich naturalnemu wzbogaceniu, mogą obniżyć koszty eksploatacji.
Pierwotne złoża zawierają głównie karbonatyty, skały peralkaliczne i pegmatyty. Procesy magmowe same w sobie często nie są wystarczające do tworzenia ekonomicznie opłacalnych złóż REE, dlatego wzbogacenie następuje również poprzez późniejsze procesy geologiczne, takie jak hydrotermalne przemiany i wietrzenie. Znaczące wtórne złoża znajdują się na przykład w Bayan Obo w Chinach, Mt. Weld w Australii, czy Araxa w Brazylii. Ważnym rodzajem wtórnych złóż są złoża ilaste, powstałe w wyniku intensywnego wietrzenia granitoidów w tropikalnym klimacie.
Alternatywne źródła REE obejmują popioły lotne z elektrowni węglowych oraz recykling urządzeń elektrycznych i elektronicznych, choć w 2010 roku zaledwie mniej niż 1% zużytych REE podlegało recyklingowi.
Główne zasoby metali ziem rzadkich znajdują się w Chinach, które w 2009 roku produkowały 94% światowych zasobów. Inne kraje posiadające zasoby REE to Indie, Rosja, Uzbekistan, Kirgistan, Tadżykistan, Kazachstan, Afganistan, Kanada, Stany Zjednoczone, Brazylia, Nigeria, Malawi, Południowa Afryka, Sri Lanka, Malezja, Tajlandia, Australia, Wietnam, Korea Północna, Grenlandia oraz Szwecja, gdzie znajdują się złoża bogate w ciężkie metale ziem rzadkich w stosunku do lekkich i ubogie w tor i uran.
Metale ziem rzadkich – zastosowanie
Zastosowanie i zapotrzebowanie na metale ziem rzadkich znacząco wzrosły na przestrzeni lat. Na świecie głównie wykorzystuje się je jako katalizatory i w produkcji magnesów. W Stanach Zjednoczonych ponad połowa z nich jest używana jako katalizatory; istotne zastosowania obejmują także ceramikę, szkło i polerowanie.
Inne ważne zastosowania metali ziem rzadkich dotyczą produkcji magnesów wysokiej wydajności, stopów, szkła i urządzeń elektronicznych. Cer i lantan są kluczowe jako katalizatory, stosowane w rafinacji ropy naftowej i jako dodatki do diesla. Neodym odgrywa istotną rolę w produkcji magnesów w tradycyjnych i niskoemisyjnych technologiach. Pierwiastki te są używane w silnikach elektrycznych pojazdów hybrydowych i elektrycznych, generatorach niektórych turbin wiatrowych, dyskach twardych, elektronice przenośnej, mikrofonach i głośnikach.
Cer, lantan i neodym są ważne przy wytwarzaniu stopów oraz w produkcji ogniw paliwowych i baterii niklowo-metalowo-wodorkowych. Cer, gal i neodym są istotne dla elektroniki, zwłaszcza w produkcji ekranów LCD i plazmowych, światłowodów, laserów, a także w medycynie obrazowej. Dodatkowe zastosowania metali ziem rzadkich obejmują ich użycie jako znaczników medycznych, w nawozach oraz do oczyszczania wody.
W rolnictwie metale ziem rzadkich wykorzystywane są do zwiększenia wzrostu roślin, ich produktywności i odporności na stres, wydaje się, że bez negatywnych skutków dla ludzi i zwierząt. W Chinach często stosuje się nawozy wzbogacone w REE. Są także dodawane do pasz dla zwierząt, co prowadzi do zwiększonej produkcji, np. większych rozmiarów zwierząt i wyższego wytwarzania jaj i produktów mlecznych.
Jednakże praktyka ta spowodowała bioakumulację REE w organizmach zwierząt hodowlanych oraz wpłynęła na wzrost roślinności i glonów w tych obszarach rolniczych. Choć nie zaobserwowano obecnie negatywnych skutków przy niskich stężeniach, efekty długoterminowe i związane z akumulacją są nieznane, co skłoniło niektórych do wezwania do dalszych badań nad ich potencjalnymi skutkami.
Wpływ wydobycia na środowisko naturalne
Rzadkie ziemie (REE) występują w bardzo niskich stężeniach w środowisku. Wiele kopalni znajduje się w krajach o niskich standardach środowiskowych i społecznych, co prowadzi do naruszeń praw człowieka, wylesiania oraz zanieczyszczenia gruntów i wód. Szacuje się, że wydobycie 1 tony rzadkiego pierwiastka ziem rzadkich generuje około 2 000 ton odpadów, z czego część jest toksyczna, w tym 1 tona odpadów radioaktywnych. Największe złoże REE, Bayan Obo w Chinach, wyprodukowało ponad 70 000 ton odpadów radioaktywnych, które zanieczyściły wody gruntowe.
W pobliżu miejsc wydobycia i przemysłowych stężenia REE mogą znacznie przekraczać normalne poziomy tła. Po dostaniu się do środowiska, REE mogą przenikać do gleby, a ich transport zależy od wielu czynników, takich jak erozja, wietrzenie, pH, opady czy wody gruntowe. Działając podobnie jak metale, mogą występować w różnych formach w zależności od warunków glebowych, będąc w stanie mobilnym lub adsorbowanym na cząsteczkach gleby. W zależności od dostępności biologicznej, REE mogą być wchłaniane przez rośliny, a następnie konsumowane przez ludzi i zwierzęta. Wydobycie REE, stosowanie nawozów wzbogaconych w te pierwiastki oraz produkcja nawozów fosforowych przyczyniają się do ich zanieczyszczenia. Dodatkowo, podczas procesu wydobycia używa się silnych kwasów, które mogą przesiąkać do środowiska, prowadząc do zakwaszenia wód. Kolejnym czynnikiem zanieczyszczającym środowisko w wyniku wydobycia REE jest tlenek ceru (CeO2), który powstaje podczas spalania oleju napędowego i jest uwalniany jako spaliny, co znacznie przyczynia się do zanieczyszczenia gleby i wód.
Wydobycie, rafinacja i recykling rzadkich ziem mogą mieć poważne konsekwencje dla środowiska, jeśli nie są właściwie zarządzane. Niskoradioaktywne odpady, powstające w wyniku obecności toru i uranu w rudach ziem rzadkich, stanowią potencjalne zagrożenie, a niewłaściwe ich traktowanie może prowadzić do znacznych szkód środowiskowych. W maju 2010 roku Chiny ogłosiły poważną akcję mającą na celu zwalczanie nielegalnego wydobycia, aby chronić środowisko i zasoby. Kampania ta koncentruje się głównie na południu kraju, gdzie małe, wiejskie i nielegalne kopalnie są szczególnie skłonne do uwalniania toksycznych odpadów do ogólnego zaopatrzenia w wodę. Jednak nawet duża operacja w Baotou, w Mongolii Wewnętrznej, gdzie rafinowana jest znaczna część światowych zasobów ziem rzadkich, spowodowała poważne szkody środowiskowe. Ministerstwo Przemysłu i Technologii Informacyjnej Chin oszacowało koszty oczyszczania w prowincji Jiangxi na 5,5 miliarda dolarów.
Możliwe jest jednak filtrowanie i odzyskiwanie rzadkich pierwiastków ziem rzadkich, które mogą przedostawać się z wodami odpadowymi z zakładów wydobywczych. Niemniej jednak, takie urządzenia filtrujące mogą nie zawsze być obecne w miejscach odprowadzania wód odpadowych.
Recykling metali ziem rzadkich
Rzadkie ziemie (REE) są jednymi z najważniejszych pierwiastków w nowoczesnych technologiach i społeczeństwie. Mimo to, zaledwie około 1% REE jest recyklingowane z produktów końcowych. Recykling i ponowne wykorzystanie tych pierwiastków jest trudne, ponieważ występują one w niewielkich ilościach w małych częściach elektronicznych i są trudne do chemicznego oddzielenia. Na przykład, odzyskanie neodymu wymaga ręcznego demontażu dysków twardych, ponieważ ich rozdrabnianie pozwala na odzyskanie jedynie 10% REE.
W ostatnich latach coraz większą uwagę zwraca się na recykling i ponowne wykorzystanie REE. Główne obawy dotyczą zanieczyszczenia środowiska podczas recyklingu REE oraz zwiększenia efektywności tego procesu. Publikacje z 2004 roku sugerują, że oprócz wcześniej ustalonych metod ograniczania zanieczyszczeń, bardziej okrężny łańcuch dostaw mógłby pomóc w redukcji zanieczyszczeń na etapie wydobycia. Oznacza to recykling i ponowne wykorzystanie REE, które są już w użyciu lub zbliżają się do końca swojego cyklu życia. Badanie z 2014 roku przedstawia metodę recyklingu REE z odpadów baterii niklowo-metalowo-wodorkowych, osiągając wskaźnik odzysku na poziomie 95,16%. Rzadkie ziemie mogą być również odzyskiwane z odpadów przemysłowych, co ma potencjał do zmniejszenia wpływu na środowisko i zdrowie związanych z wydobyciem, generowaniem odpadów i importem, jeśli znane i eksperymentalne procesy zostaną skalowane. Badania sugerują, że „realizacja podejścia gospodarki o obiegu zamkniętym mogłaby zmniejszyć wpływ na zmiany klimatyczne nawet 200-krotnie oraz koszty związane z wydobywaniem REE o 70 razy”.
Obecnie przy pozyskiwaniu REE zwraca się uwagę na dwa podstawowe źródła: pierwsze to wydobycie REE z zasobów pierwotnych, takich jak złoża rud REE w kopalniach, osady gliniste w regolitach, osady oceaniczne czy popioły lotne węgla. Opracowano zielony system odzysku REE z popiołów lotnych węgla, wykorzystujący cytryniany i szczawiany, które są silnymi ligandami organicznymi zdolnymi do kompleksowania lub precypitacji z REE. Drugim źródłem są zasoby wtórne, takie jak odpady elektroniczne, przemysłowe i komunalne. Odpady elektroniczne zawierają znaczną koncentrację REE, co czyni je obecnie główną opcją recyklingu. Według badań, rocznie na wysypiska na całym świecie trafia około 50 milionów ton odpadów elektronicznych. Mimo że odpady te zawierają dużą ilość rzadkich ziem, obecnie tylko 12,5% z nich poddawane jest recyklingowi metali.