Przemysłowe zastosowania metali ziem rzadkich

Przemysłowe zastosowania metali ziem rzadkich Adobe Stock – phawat

Jeśli mówimy o metalach w kontekście ich przemysłowych zastosowań, przede wszystkim przychodzi nam na myśl żelazo. W dalszej kolejności są także aluminium, miedź, ołów, tytan, cynk i cyna. Niewątpliwie ich udział, zwłaszcza jeśli będziemy brać pod uwagę wielkość ich użycia, jest największy. Jednak w wielu aplikacjach i urządzeniach równie istotne są tzw. metale ziem rzadkich. Surowce te często wykorzystywane są w śladowych ilościach, ale wiele, zwłaszcza nowoczesnych technologii nie mogłoby dziś bez nich funkcjonować.

Ich nazwa – metale ziem rzadkich lub pierwiastki ziem rzadkich – może być myląca. Tak naprawdę nie występują w przyrodzie aż tak rzadko. A przynajmniej niektóre z nich występują na Ziemi w większych ilościach niż inne popularne pierwiastki. Termin ten wziął się z tego, że w początkach ich wydobycia (pod koniec XVIII w.) otrzymywano je tylko w postaci tlenków niektórych minerałów i faktycznie były one wówczas rzadko spotykane.

Jakie są pierwiastki ziem rzadkich?

Reklama

Do tej grupy zaliczamy łącznie 17 pierwiastków, w tym 2 skandanowce (skand i itr) i wszystkie lantanowce (lantan, cer, prazeodym, neodym, promet, samar, europ, gadolin, terb, dysproz, holm, erb, tul, iterb i lutet). Powyższe pierwiastki możemy jeszcze podzielić na metale lekkie i ciężkie. Ponad 95% występujących na Ziemi pierwiastków ziem rzadkich to 4 metale lekkie (cer, lantan, neodym i prazeodym). Udział pozostałych 13 pierwiastków ciężkich wynosi łącznie mniej niż 5% i faktycznie w tym przypadku ich nazwa zwyczajowa pasuje do nich doskonale. 

Warto jeszcze dodać, że zasadniczo pierwiastki ziem rzadkich nigdy nie występują pojedynczo, ale zawsze współwystępują w różnych minerałach.

Metale ziem rzadkich mają srebrny kolor, szybko matowieją w kontakcie z powietrzem i są stosunkowo miękkie. Są wysoce elektrododatnie, reaktywne i mają niską przewodność. W reakcji z wodą i rozcieńczonymi kwasami powstaje wodór. W stanie rozdrobnionym terb i iterb są nawet piroforyczne, co oznacza że ulegają samozapłonowi w kontakcie z tlenem z powietrza.

Dlaczego pierwiastki ziem rzadkich są tak ważne?

Metale ziem rzadkich są niezbędnym surowcem w wielu gałęziach przemysłu. Najważniejszym obszarem zastosowania są obecnie wysokowydajne magnesy trwałe. Najsilniejsze magnesy znajdziemy np. w silnikach elektrycznych (mieszanina 20% neodymu, żelaza i boru). Samochody z napędem hybrydowym mogą zawierać nawet do 20 kg tego rodzaju pierwiastków. Oprócz silników znajdują się one również w innych komponentach, m.in. w światłach LED, a nawet w lakierze. 

Reklama

Można je znaleźć również w silnikach do napędu dużych instalacji, takich jak turbiny wiatrowe. Oczywiście olbrzymią grupą produktów, w których metale ziem rzadkich są koniecznością, jest wszelkiego rodzaju elektronika. Znajdziemy je w smartfonach, laptopach, tabletach, dyskach twardych, słuchawkach i wielu innych produktach z obszaru high-tech.

Niektóre z nich mają zastosowanie także w medycynie, m.in. do poprawnego działania aparatów rentgenowskich czy rezonansu magnetycznego. Są również niezbędne do prawidłowego funkcjonowania laserów, ogniw paliwowych, wyświetlaczy ciekłokrystalicznych, wzmacniaczy optycznych, oświetlenia fluorescencyjnego, okularów ochronnych (np. do spawania) czy kabli światłowodowych. Stopy metali z ich udziałem zapewniają wysoką wytrzymałość, dlatego też sięga po nie m.in. branża lotnicza i kosmiczna.

Chiny liderem produkcji

Obecnie największym światowym producentem i eksporterem metali ziem rzadkich są Chiny. W ubiegłym roku wyprodukowano na całej Ziemi ok. 280 tys. ton metrycznych różnych pierwiastków ziem rzadkich, z czego aż 168 tys. ton pochodziło z Chin. Do najważniejszych producentów metali ziem rzadkich należą obecnie także Stany Zjednoczone (43 tys. ton), Birma (26 tys. ton) i Australia (22 tys. ton). Jeśli zaś chodzi o posiadane zasoby tych pierwiastków, na czele również plasują się Chiny z zasobami szacowanymi na ok. 44 mln ton. Duże szacowane zasoby mają także Wietnam (22 mln ton), RPA (21 mln ton) i Brazylia (21 mln ton).

Najwięksi producenci metali ziem rzadkich w 2021 r. (tys. t)
Chiny168
USA43
Birma26
Australia22
Tajlandia8
Madagaskar3,2
Indie2,9
źródło: U.S. Geological Survey

Szacuje się, że już w 2030 r. światowy roczny popyt na same magnesy ziem rzadkich tylko do budowy samochodów elektrycznych sięgnie nawet 70 tys. t, podczas gdy jeszcze w 2019 r. branża motoryzacyjna potrzebowała ok. 5 tys. t tego surowca. Do tego trzeba doliczyć co najmniej ponad 100 tys. t metali rzadkich, które będą niezbędne przy produkcji obrabiarek, robotów czy różnych elementów związanych z wytwarzaniem energii odnawialnej. W ostatniej dekadzie produkcja metali ziem rzadkich wzrosła dwukrotnie. Patrząc jednak na obecne zainteresowanie tymi pierwiastkami, można oczekiwać znacząco szybszego przyrostu zapotrzebowania na nie.

Artykuł został opublikowany w publikacji MM Magazyn Targowy METAL dedykowanej targom METAL 2022 (Kielce, 20-22.09.2022).

Tagi artykułu

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę