Metals

REE - Rare Earth Elements and their Uses



De vraag naar zeldzame aardelementen is snel gegroeid, maar hun optreden in mineerbare afzettingen is beperkt.


Rare Earth Element Production: Deze grafiek toont een geschiedenis van de productie van zeldzame aarde-elementen, in ton zeldzaam aardoxide-equivalent, tussen 1950 en 2017. Het toont duidelijk de toetreding van de Verenigde Staten tot de markt in het midden van de jaren 1960 toen kleurentelevisie de vraag explodeerde. Toen China eind jaren tachtig en begin jaren negentig zeldzame aarden begon te verkopen tegen zeer lage prijzen, werden mijnen in de Verenigde Staten gedwongen te sluiten omdat ze geen winst meer konden maken. Toen China in 2010 de export verminderde, stegen de prijzen voor zeldzame aarde. Dat motiveerde nieuwe productie in de Verenigde Staten, Australië, Rusland, Thailand, Maleisië en andere landen. In 2016 stopte de productie van zeldzame aardmetalen in de Verenigde Staten, omdat de enige overgebleven mijn werd verzorgd en onderhouden.

REE Periodiek systeem: De Rare Earth Elements zijn de 15 lanthanideserie-elementen, plus yttrium. Scandium wordt aangetroffen in de meeste afzettingen van zeldzame aardelementen en wordt soms geclassificeerd als een zeldzaam aardelement. Afbeelding door.

Wat zijn Rare Earth Elements (REE's)?

Zeldzame aardelementen zijn een groep van zeventien chemische elementen die samen in het periodiek systeem voorkomen (zie afbeelding). De groep bestaat uit yttrium en de 15 lanthanide-elementen (lanthaan, cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium en lutetium). Scandium wordt aangetroffen in de meeste afzettingen van zeldzame aardelementen en wordt soms geclassificeerd als een zeldzaam aardelement. De International Union of Pure and Applied Chemistry neemt scandium op in hun definitie van zeldzame aardelementen.

De zeldzame aardelementen zijn allemaal metalen, en de groep wordt vaak de 'zeldzame aardmetalen' genoemd. Deze metalen hebben veel vergelijkbare eigenschappen, waardoor ze vaak samen in geologische afzettingen worden aangetroffen. Ze worden ook wel "zeldzame aarde-oxiden" genoemd omdat veel van hen doorgaans als oxideverbindingen worden verkocht.

Gebruik van zeldzame aardelementen: Deze grafiek toont het gebruik van zeldzame aardelementen in de Verenigde Staten in 2017. Veel voertuigen gebruiken zeldzame aardkatalysatoren in hun uitlaatsystemen voor het beheersen van luchtvervuiling. Een groot aantal legeringen wordt duurzamer gemaakt door de toevoeging van zeldzame aardmetalen. Glas, graniet, marmer en edelstenen worden vaak gepolijst met ceriumoxide poeder. Veel motoren en generatoren bevatten magneten gemaakt met zeldzame aardelementen. Fosforen die worden gebruikt in digitale displays, monitors en televisies zijn gemaakt met zeldzame aardoxiden. De meeste batterijen voor computers, mobiele telefoons en elektrische voertuigen zijn gemaakt van zeldzame aardmetalen.

Gebruik van zeldzame aarde-elementen

Zeldzame aardmetalen en legeringen die deze bevatten, worden in veel apparaten gebruikt die mensen dagelijks gebruiken, zoals computergeheugen, dvd's, oplaadbare batterijen, mobiele telefoons, katalysatoren, magneten, fluorescerende verlichting en nog veel meer.

In de afgelopen twintig jaar is er een explosie van de vraag naar veel items waarvoor zeldzame aardmetalen nodig zijn. Twintig jaar geleden waren er zeer weinig mobiele telefoons in gebruik, maar het aantal is vandaag gestegen tot meer dan 7 miljard. Het gebruik van zeldzame aardelementen in computers is bijna net zo snel gegroeid als mobiele telefoons.

Veel oplaadbare batterijen zijn gemaakt met zeldzame aardverbindingen. De vraag naar de batterijen wordt aangedreven door de vraag naar draagbare elektronische apparaten zoals mobiele telefoons, lezers, draagbare computers en camera's.

Verenigde Staten Gebruik van zeldzame aardelementen

Chemische katalysatoren55%
Keramiek en glas maken15%
Metallurgie & legeringen10%
Polijsten van glas5%
anders15%
(Gegevens van USGS 2017)

Verschillende ponden zeldzame aardverbindingen zitten in batterijen die elk elektrisch voertuig en hybride-elektrisch voertuig van stroom voorzien. Omdat zorgen over energieonafhankelijkheid, klimaatverandering en andere kwesties de verkoop van elektrische en hybride voertuigen stimuleren, zal de vraag naar batterijen gemaakt met zeldzame aardverbindingen nog sneller stijgen.

Zeldzame aardmetalen worden gebruikt als katalysatoren, fosforen en polijstverbindingen. Deze worden gebruikt voor het beheersen van luchtvervuiling, verlichte schermen op elektronische apparaten en het polijsten van glas van optische kwaliteit. Van al deze producten wordt een stijgende vraag verwacht.

Andere stoffen kunnen worden vervangen door zeldzame aardelementen in hun belangrijkste toepassingen; deze substituten zijn echter meestal minder effectief en duur.

Van de jaren 1950 tot de vroege 2000s was ceriumoxide een zeer populaire lapidaire nagellak. Het was goedkoop en zeer effectief. Door de recente prijsstijgingen is het gebruik van ceriumoxide bij het tuimelen van gesteente en de lapidaire kunsten vrijwel geëlimineerd. Andere soorten polijsten, zoals aluminium en titaniumoxide, worden nu in plaats daarvan gebruikt.

Verdedigingsgebruik van zeldzame aardelementen

lantaannachtkijker
Neodymiumlaserafstandsmeters, geleidingssystemen, communicatie
Europiumfluorescentiemiddelen en fosfor in lampen en monitors
erbiumversterkers in glasvezel datatransmissie
samariumpermanente magneten die stabiel zijn bij hoge temperaturen
samariumprecisiegeleide wapens
samarium"witte ruis" productie in stealth-technologie

Kritiek verdedigingsgebruik

Zeldzame aardelementen spelen een essentiële rol in onze nationale verdediging. Het leger gebruikt nachtzichtbrillen, precisiegeleide wapens, communicatieapparatuur, GPS-apparatuur, batterijen en andere defensie-elektronica. Deze geven het Amerikaanse leger een enorm voordeel. Zeldzame aardmetalen zijn belangrijke ingrediënten voor het maken van de zeer harde legeringen die worden gebruikt in gepantserde voertuigen en projectielen die uiteenvallen bij een botsing.

Substituten kunnen worden gebruikt voor zeldzame aardelementen in sommige verdedigingstoepassingen; die substituten zijn echter meestal niet zo effectief en dat vermindert de militaire superioriteit. Verschillende toepassingen van zeldzame aardelementen worden samengevat in de bijbehorende tabel 5.

Wist je dat? Het grootste deel van het scandium dat in de Verenigde Staten wordt gebruikt, gaat naar honkbalknuppels van aluminiumlegering en andere sportartikelen. Scandium wordt ook gebruikt in halfgeleiders en speciale verlichting.

Zijn deze elementen echt "zeldzaam"?

Zeldzame aardelementen zijn niet zo "zeldzaam" als hun naam al aangeeft. Thulium en lutetium zijn de twee minst voorkomende zeldzame aardelementen - maar ze hebben elk een gemiddelde crustal-overvloed die bijna 200 keer groter is dan de crustal-overvloed van goud 1. Deze metalen zijn echter zeer moeilijk te delven omdat het ongebruikelijk is om ze te vinden in concentraties die hoog genoeg zijn voor economische extractie.

De meest voorkomende elementen van zeldzame aarde zijn cerium, yttrium, lanthaan en neodymium 2. Ze hebben gemiddelde crustal-hoeveelheden die vergelijkbaar zijn met veelgebruikte industriële metalen zoals chroom, nikkel, zink, molybdeen, tin, wolfraam en lood 1. Nogmaals, ze worden zelden aangetroffen in extraheerbare concentraties.

Wist je dat? Zeldzame aardmagneten worden gebruikt in windturbines. Sommige grote turbines vereisen twee TON zeldzame aardmagneten. Deze magneten zijn erg sterk en maken de turbines zeer efficiënt. Zeldzame aardmagneten worden gebruikt in turbines en generatoren in veel alternatieve energietoepassingen.

Wist je dat? Prijzen en vraag naar zeldzame aardmetalen zijn het afgelopen decennium dramatisch gestegen. China produceert ongeveer 90% van het aanbod. Deposito's in Australië en de Verenigde Staten worden weer operationeel en de exploratie in veel nieuwe gebieden vordert.

Zware en lichte zeldzame aarde-elementen: De zeldzame aardelementen worden vaak onderverdeeld in "Heavy Rare Earths" en "Light Rare Earths". Lanthaan, cerium, praseodymium, neodymium, promethium en samarium zijn de 'lichte zeldzame aarden'. Yttrium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium en lutetium zijn de "zware zeldzame aarden". Hoewel yttrium lichter is dan de lichte zeldzame-aarde-elementen, is het opgenomen in de zware zeldzame-aarde-groep vanwege zijn chemische en fysische associaties met zware zeldzame aarden in natuurlijke afzettingen.

Wist je dat? Elk hybride-elektrisch en elektrisch voertuig heeft een grote batterij. Elke batterij is gemaakt met behulp van verschillende ponden zeldzame aardverbindingen. Het gebruik van elektrische voertuigen zal naar verwachting snel toenemen, aangedreven door energieonafhankelijkheid, klimaatverandering en andere problemen. Dit zal de vraag naar zeldzame aardematerialen doen toenemen.

Wist je dat? In de meeste kleine elektronische apparaten worden kleine hoeveelheden zeldzame aardmetalen gebruikt. Deze apparaten hebben een korte levensduur en REE-recycling wordt niet vaak gedaan. Miljarden worden elk jaar weggegooid.

Wereldmijnproductie en -reserves(Schattingen 2017)

landProductie
(Metrische ton)
reserves
(Metrische ton)
Verenigde Staten--1,400,000
Australië20,0003,400,000
Brazilië2,00022,000,000
Canada--830,000
China105,00044,000,000
Groenland--1,500,000
Indië1,5006,900,000
Malawi--140,000
Maleisië30030,000
Rusland3,00018,000,000
Zuid-Afrika--860,000
Thailand1,600niet beschikbaar
Vietnam10022,000,000
Wereldtotaal (afgerond)130,000120,000,000

Geschiedenis van Rare Earth Production and Trade

Pre-1965

Vóór 1965 was er relatief weinig vraag naar zeldzame aardelementen. Op dat moment werd het grootste deel van de wereldvoorraad geproduceerd uit placerafzettingen in India en Brazilië. In de jaren vijftig werd Zuid-Afrika de toonaangevende producent van monazietafzettingen met zeldzame aarde. In die tijd produceerde de bergpasmijn in Californië kleine hoeveelheden zeldzame aardoxiden uit een Precambrium-carbonatiet.

Kleurentelevisie wakkert de vraag aan

De vraag naar zeldzame aardelementen zag zijn eerste explosie in het midden van de jaren 1960, toen de eerste kleurentelevisies op de markt kwamen. Europium was het essentiële materiaal voor het produceren van de kleurenafbeeldingen. De bergpasmijn begon europium te produceren uit bastnasiet, dat ongeveer 0,1% europium bevatte. Deze inspanning maakte de Mountain Pass Mine de grootste producent van zeldzame aarde ter wereld en plaatste de Verenigde Staten als de toonaangevende producent.

China betreedt de markt

China begon in het begin van de jaren tachtig opmerkelijke hoeveelheden zeldzame aardoxiden te produceren en werd begin jaren 90 de grootste producent ter wereld. In de jaren negentig en begin 2000 versterkte China zijn greep op de wereldmarkt voor zeldzame aardoxiden gestaag. Ze verkochten zeldzame aarden tegen zulke lage prijzen dat de bergpasmijn en vele anderen over de hele wereld niet konden concurreren en de operatie stopten.

Vraag naar defensie en consumentenelektronica

Tegelijkertijd steeg de wereldvraag enorm, omdat zeldzame aardmetalen werden ontworpen voor een breed scala aan producten voor defensie, luchtvaart, industrie en consumentenelektronica. China profiteerde van zijn dominante positie en begon de export te beperken en de prijzen voor zeldzame aardoxide tot historische niveaus te laten stijgen.

China als de grootste Rare Earth-consument

China is niet alleen de grootste producent van zeldzame aardmetalen ter wereld, maar is ook de dominante consument. Ze gebruiken zeldzame aarden voornamelijk in de productie van elektronische producten voor binnenlandse en exportmarkten. Japan en de Verenigde Staten zijn de tweede en derde grootste verbruikers van zeldzame aardematerialen. Het is mogelijk dat China's terughoudendheid om zeldzame aarden te verkopen een verdediging is van hun productiesector met toegevoegde waarde.

China's top van productiedominantie?

De Chinese dominantie kan in 2010 zijn hoogtepunt hebben bereikt toen zij ongeveer 95% van de wereldproductie van zeldzame aardmetalen beheerste en de prijzen voor veel zeldzame aardoxiden in slechts enkele jaren met meer dan 500% waren gestegen. Dat was een ontwaken voor consumenten en mijnwerkers van zeldzame aardmetalen over de hele wereld. Mijnbouwbedrijven in de Verenigde Staten, Australië, Canada en andere landen begonnen oude vooruitzichten voor zeldzame aarden opnieuw te evalueren en nieuwe te verkennen.

Hoge prijzen zorgden er ook voor dat fabrikanten drie dingen deden: 1) manieren zoeken om het aantal zeldzame aardelementen te verminderen dat nodig is om elk van hun producten te produceren; 2) alternatieve materialen zoeken om te gebruiken in plaats van zeldzame aardelementen; en 3) alternatieve producten ontwikkelen waarvoor geen zeldzame aardelementen nodig zijn.

Deze inspanning heeft geresulteerd in een afname van de hoeveelheden zeldzame aardematerialen die worden gebruikt in sommige soorten magneten en een verschuiving van zeldzame aardverlichtingsproducten naar lichtemitterende diodetechnologie. In de Verenigde Staten is het gemiddelde verbruik van zeldzame aardmetalen per eenheid vervaardigd product gedaald, maar de vraag naar meer producten die zijn vervaardigd met zeldzame aardelementen is toegenomen. Het resultaat was een hoger verbruik.

China Hulpbronnen kopen buiten China

Chinese bedrijven kopen grondstoffen van zeldzame aardmetalen in andere landen. In 2009 kocht China Non-ferro metaalwinningsbedrijf een meerderheidsbelang in Lynas Corporation, een Australisch bedrijf dat een van de hoogste output van zeldzame aardelementen buiten China heeft. Ze kochten ook de Baluba-mijn in Zambia.

Zeldzame aardproductie buiten China

Mijnen in Australië begonnen in 2011 zeldzame aardoxiden te produceren. In 2012 en 2013 leverden ze ongeveer 2% tot 3% van de wereldproductie. In 2012 kwam de Mountain Pass Mine weer in productie en produceerden de Verenigde Staten in 2013 ongeveer 4% van de zeldzame aardelementen in de wereld. De productie in Brazilië, Maleisië, Rusland, Thailand en Vietnam ging door of nam toe.

Nieuwe beoordelingen van mineralenbronnen uitgevoerd door de Geological Survey van de Verenigde Staten identificeerden aanzienlijke bronnen buiten China. Hoewel China de wereldleider is in de productie van zeldzame aarde, hebben ze slechts ongeveer 36% van de wereldreserves in handen. Dit biedt andere landen de mogelijkheid om belangrijke producenten te worden nu China geen zeldzame aardematerialen verkoopt die lager zijn dan de productiekosten.

REE productie grafiek: Deze grafiek toont de dominantie van China in de productie van zeldzame aardelementen tussen 1994 en 2017. De Verenigde Staten waren een belangrijke producent tot in de jaren 1990, maar goedkope materialen die door China werden verkocht, dwongen mijnen in de Verenigde Staten en andere landen buiten werking. Omdat China de export beperkte en de prijzen in 2009 en 2010 snel stegen, werden mijnen in Australië en de Verenigde Staten weer actief. Grafiek met behulp van gegevens van de United States Geological Survey.

Gevaren van een dominante wereldproducent

Vraag en aanbod bepalen normaal de marktprijs van een grondstof. Terwijl de voorraad daalt, stijgen de prijzen. Naarmate de prijzen hoger worden, worden degenen die het aanbod beheersen geneigd om te verkopen. Mijnbouwbedrijven zien hoge prijzen als een kans en proberen nieuwe bevoorradingsbronnen te ontwikkelen.

Met zeldzame aardelementen kan de tijd tussen de beslissing van een mijnbedrijf om een ​​onroerend goed te verwerven en de start van de productie enkele jaren of langer zijn. Er is geen snelle manier om een ​​nieuw mijnbouwbezit te openen.

Als een enkel land bijna de volledige productie beheert en een krachtige beslissing neemt om niet te exporteren, kan de volledige levering van een product snel worden afgesneden. Dat is een gevaarlijke situatie wanneer de ontwikkeling van nieuwe bevoorradingsbronnen zo lang duurt.

In 2010 beperkte China zijn export van zeldzame aardmetalen aanzienlijk. Dat werd gedaan om te zorgen voor een aanbod van zeldzame aardmetalen voor huishoudelijke productie en om milieuredenen. Deze verschuiving door China veroorzaakte paniekaankopen en sommige zeldzame aardeprijzen stegen exponentieel. Bovendien hebben Japan, de Verenigde Staten en de Europese Unie bij de Wereldhandelsorganisatie een klacht ingediend over het beperkende beleid van China voor zeldzame aarde.

Zeldzame aarde-oxiden: Deze zeldzame aardoxiden worden gebruikt als tracers om te bepalen welke delen van een waterscheiding eroderen. 4. Met de klok mee vanaf het midden: praseodymium, cerium, lanthanum, neodymium, samarium en gadolinium. Afbeelding door Peggy Greb, USDA-fotogalerij.

World Rare Earth Mineral Resources

"Zeldzame aardes zijn relatief overvloedig in de aardkorst, maar ontdekte minable concentraties komen minder vaak voor dan voor de meeste andere ertsen. VS en wereldbronnen zijn voornamelijk aanwezig in bastnäsite en monazite. Bastnäsite deposito's in China en de Verenigde Staten vormen het grootste percentage van de 's werelds zeldzame aarde-economische hulpbronnen, terwijl monazietafzettingen in Australië, Brazilië, China, India, Maleisië, Zuid-Afrika, Sri Lanka, Thailand en de Verenigde Staten het tweede grootste segment vormen.

Apatiet, cheraliet, eudialyt, lopariet, fosforieten, zeldzame aarddragende (ionen adsorptie) kleien, secundair monaziet, afgewerkte uraniumoplossingen en xenotime vormen de meeste resterende middelen. Er wordt gedacht dat niet-ontdekte bronnen erg groot zijn in verhouding tot de verwachte vraag. "Geciteerd uit de samenvatting van de minerale grondstoffen van de Verenigde Staten Geological Survey 2.

Zeldzame aarde-elementverwijzingen
1 Rare Earth Elements - Critical Resources for High Technology: United States Geological Survey, Fact Sheet 087-02.
2 Zeldzame aarden: Joseph Gambogi, United States Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, 2017.
3 Zeldzame aarden: Joseph Gambogi, Verenigde Staten Geological Survey, Minerals Yearbook 2011.
4 Een zeldzame aarde-aanpak voor het opsporen van bodemerosie: Ministerie van Landbouw van de Verenigde Staten, dienst voor landbouwonderzoek.
5 De Chinese aas in het gat: zeldzame aarde-elementen: Cindy A. Hurst, National Defense University Press.
6 De geologie van Rare Earth Elements: Republiek van "De belangrijkste deposito's van zeldzame aardelementen van de Verenigde Staten - Een samenvatting van binnenlandse deposito's en een wereldwijd perspectief."
7 Zeldzame aardelementen en nationale veiligheid: Council on Foreign Relations Energy Report, 2014.

Rare Earth Element Outlook

De wereldwijde vraag naar auto's, consumentenelektronica, energiezuinige verlichting en katalysatoren zal naar verwachting het komende decennium snel stijgen. De vraag naar zeldzame aardmagneten zal naar verwachting toenemen, evenals de vraag naar oplaadbare batterijen. Verwacht wordt dat nieuwe ontwikkelingen in de medische technologie het gebruik van chirurgische lasers, magnetische resonantiebeeldvorming en positronemissietomografiescintillatiedetectoren zullen verhogen.

Zeldzame aardelementen worden veel gebruikt in al deze industrieën, dus de vraag ernaar moet hoog blijven.

Bekijk de video: Rare Earth Elements (Oktober 2020).