Редкие металлы способы добычи

В «металлическом» сегменте таблицы Менделеева эта группа считается элитой. Список редких металлов невелик, но каждая позиция драгоценна. Их стоимость на мировом рынке подтверждает пословицу: «Что редко – дорого».

История

Понятие «редкие металлы» вошло в обиход с середины 1920-х годов. Тогда так называли элементы без собственных месторождений, рассеянные в массиве других руд.

Иногда отождествляются термины «редкий металл» и «редкий элемент». Это ошибка:

• Редкие элементы – более широкое понятие.
• Оно подразумевает металлы, неметаллы, инертные газы.
• Из шести десятков позиций списка редких элементов на металлы приходится 50.

Второе наименование этой группы – менее обычные (привычные) металлы.

Что считается «менее обычным» материалом

К редким металлам относится элемент, соответствующий хотя бы одному критерию:

1. Малая распространенность в литосфере, рассеянность без коренных месторождений.
2. Сложная технология извлечения из руды, получения чистого вещества.
3. Новизна, неосвоенность материала для практического применения.

Последнее условие – самое мобильное. Развитие технологий, появление новых сфер использования, масштабирование производства переводят элемент в привычные.

Классификация

Материал распределяется по нескольким основаниям. Первая основа деления – по происхождению. Различают природный (натуральный) и созданный человеком.

За основу принадлежности к группе берут свойство, более других влияющее на кондиции элемента либо благодаря которому он востребован.

По базовому признаку различают пять видов редких металлов:

• Редкоземельные. Скандий, иттрий, лантан.
  Умеренно мягкий, лёгкий редкоземельный металл серебристого цвета с жёлтым отливом – Скандий
• Тугоплавкие. Ванадий, вольфрам, гафний, молибден, ниобий, тантал, титан, цирконий.
  Ванадий
• Легкие. Бериллий, литий, рубидий, цезий.
  Бериллий, чистота более 99%, поликристаллический фрагмент
• Рассеянные. Галлий, индий, рений, таллий.
  Галлий
• Радиоактивные. Уран, франций, радий, полоний, (прот)актиний, торий.
  Полоний

Классификация однобока: многие элементы подпадают под разные группы:

• Рубидий с цезием – легкие рассеянные.
• Легкий тугоплав – титан.
• Рассеянные тугоплавы – рений, гафний, вольфрам.

В список редких элементов чёрные металлы не входят.

Есть деление по субъективному признаку. Редкими благородными металлами признаны золото, платина, родий. (Их второе название – драгоценные). А также платиноид осмий, плотность которого наивысшая среди веществ Земли.

Платина

Самые редкие цветные металлы, созданные природой, – осмий, галлий, тантал, рений.

Искусственные

Элементы, созданные на ядерных реакторах: технеций, нептуний, плутоний, прочие трансурановые.

Они причислены к радиоактивной группе.

Самый редкий металл на Земле – калифорний-282.

Ежегодный объем синтезирования калифорния – менее грамма. Глобальный резерв – пять граммов.

А слышали про металл туллий? Смотрите видео:

Где и как добываются

Источник редкостного материала – природные руды:

• Почти всегда это конгломерат компонентов.
• Доля металлов исчисляется тысячными либо меньше долями процента.
• Стандартный способ добычи – закрытый (шахтный), реже – открытый карьерный.

Главный поставщик сырья на мировой рынок – Китай. Он диктует расклад, номенклатуру, цены. Главный потребитель – США.

Российский источник редкого сырья номер один – Кольский полуостров. На его руды, содержащие титан, приходится 40% разведанных запасов страны.

Стержень, состоящий из титановых кристаллов высокой чистоты

Технология получения

Редкие металлы вычленяют из отходов металлургического производства.

Процесс стандартен:

1. Обогащение сырья.
2. Выделение, разделение компонентов.
3. Очистка.
4. Восстановление.

Используется металлотермия, электролиз, плавка.

На тугоплавкую группу воздействуют методами порошковой металлургии.

Редкоземельные металлы «разлучают» экстракцией. Катализаторами выступают ионообменные процессы и органические растворители.

Где используются

В отличие от других сегментов промышленности, металлургия «менее привычных» элементов кризисы переносит спокойно. Это закономерно: материал добывается ограниченными партиями, дорогой, всегда востребован.

В чистом виде не используется: слишком накладно. Только как компонент сплавов либо легирующая добавка.

Традиционные сферы

Области использования редкостного материала:

• Ядерная энергетика. Уран и торий – топливо для атомных станций. Сегодня это самый экологичный вид энергии.
  Тяжёлый серебристо-белый глянцеватый металл – уран
• Радиоэлектроника, машино-, приборостроение. Здесь задействованы стали и сплавы с вольфрамом, другими компонентами как легирующей добавкой.
  Тугоплавкий прочный металл, светло-серого цвета – вольфрам
• Химпром. Компонент лаков, красок, катализатор.
• Нефтедобыча и переработка. Катализаторы.
• Стекольная промышленность. Микродобавки лантана, неодима, празеодима кратно повышают прозрачность стекла.
• Ювелирное дело. Золото и платина – материал украшений премиум-сегмента.
  Золото

Это также сплавы для нужд космического и оборонного комплекса (орудия, снаряды), взрывчатые вещества.

Новые направления

В новом тысячелетии на первый план вышло использование лития как материала компактных мощных батарей-аккумулятров и магнитов:

• Батареями-аккумуляторами снабжают электромобили, смартфоны, планшеты, другие гаджеты.
• Магниты присутствуют в объектах «зеленой» энергетики (солнечные панели, ветряки), автомобилях с гибридным двигателем, мониторах.
  Щелочной металл Литий

Материал поколения 2.0 – магнитопласт. Из него делают мини-динамики, гибкие панели, рекламную «инфраструктуру».

Калифорний-282 востребован геологами, физиками-ядерщиками, медициной.

Стоимость

Цены редких элементов различны, но всегда высоки.

Так, самый дорогой химический элемент – калифорний-282. Грамм оценивают в $250 млн.

Проверить совместимость мужчины и женщины по Знаку Зодиака

Добыча полезных ископаемых

Самая большая страна в мире располагает более 20 тысячами месторождений полезных ископаемых, оцениваемых по запасам ресурсов в 30 трлн. долларов.

Этого гигантского природного богатства, практически равномерно распределённого по территории России должно хватить на несколько веков непрерывного использования.

Поэтому по запасам природных ресурсов наше государство занимает одно из лидирующих мест на планете.

Экономическая география полезных ископаемых Российской Федерации такова, что:

• Наибольшие природные запасы золота сосредоточены на Дальнем Востоке и в Якутии.
• Углеводородами больше всего богат Ямало-Ненецкий автономный округ. Частично они есть в Татарстане, Башкортостане, Удмуртии, Оренбургской области, на территории бассейна реки Волги и на острове Сахалин.
• Серебро в значительных количествах присутствует на территории Восточной Сибири и в горах Урала.
• Нерудные строительные материалы обнаружены в Восточной Сибири.
• Большая часть каменного угля залегает за Уральским Хребтом.
• Горючие сланцы находятся в районах, прилегающих к Балтийскому морю.
• Железная руда обнаружена на Балтийском щите, в Курской области и на Кольском полуострове.
• Запасы урана присутствуют в Забайкалье.
• Алюминием богат Урал и Западная Сибирь.
• Цветные металлы сконцентрированы на Таймыре и на востоке Сибири.
• Драгоценные и полудрагоценные камни распространены в горных массивах Урала, Алтая и Саян.

Однако необходимо отметить, что большинство природных ресурсов расположено в труднодоступных районах и отличаются низким содержанием полезных компонентов.

Добыча полезных ископаемых

Основные способы добычи

В зависимости от глубины залегания минеральных ресурсов избирают тот или иной способ их добычи:

• Карьерный или открытый способ. С его помощью добывают металлическую руду, нерудные строительные материалы, уголь. Это самый экономичный, но в то же время достаточно сильно воздействующий на почву способ. Что в дальнейшем снижает её плодородность и вредно влияет на окружающую среду.
• Шахтный или подземный способ. Его также называют закрытым. Этот способ применяют при глубинном залегании минерального сырья, руд и полиметаллов. Его недостатком являются значительные затраты и высокий уровень производственного риска для шахтёров и горняков.
• Открыто-подземный или комбинированный способ. Фактически он сочетает в себе первые два и используется в тех случаях, когда полезные ископаемые залегают как на поверхности, так и в глубине земной коры.
• Скважинный или геотехнологический способ. Применяется для извлечения сырья, пребывающего в жидком или газообразном состоянии. Обычно с его помощью из пробуренных скважин добывают нефть и газ, серу и литий, уран и фосфор, прибегая к выщелачиванию, осаждению и плавлению. Для того чтобы затем по трубам извлекать столь нужные в народном хозяйстве минеральные ресурсы.
• Дражный способ. Он сочетает в себе добычу и обогащение полезных ископаемых. Чаще всего к нему прибегают при освоении россыпей алмазов, золота, касситерита и платиноидов.

Топливно-энергетические полезные ископаемые

Нефть

Седьмое место в мире занимает наша страна по количеству разведанных нефтяных запасов. Месторождения, оцениваемые в 14,1 млрд. т располагаются в 9 нефтегазоносных провинциях:

• Волго-Уральской,
• Енисейско-Анабарской,
• Западно-Сибирской,
• Лено-Вилюйской,
• Лено-Тунгусской,
• Охотской,
• Прикаспийской,
• Северо-Кавказско-Мангышлакской,
• Тимано-Печорской,

и в 3 нефтегазоносных областях:

• Анадырской,
• Восточно-Камчатской,
• Балтийской.

Лидером среди отечественных нефтяных месторождений считается Самотлорское – 7,1 млрд. т. Продуктивный период использования запасов этого жидкого вида углеводородного топлива на территории нашего государства оценивается в 22 года.

Природный газ

Россия является безусловным общемировым лидером по запасам голубого топлива, общий объём которого оценивается в 40 млрд. т. с перспективой добычи, составляющей более 80 лет.

Наибольшая его часть (свыше 75%) приходится на месторождения Сибири. Самыми крупными среди них являются: Уренгойское – 10 трлн. м3 и Ямбургское – 8,9 трлн. м3.

Уголь

По запасам этого природного ископаемого, оцениваемого в 2,23 трлн. т, Россия находится на третьем месте. Причём значительную часть залежей – 69%, составляет бурый уголь. Большая часть запасов, составляющая 63% этого ценнейшего энергоресурса, расположена в восточной части страны:

• Кузнецкий угольный бассейн – один из самых крупный в мире, располагающий гигантскими запасами каменного и коксующегося угля.
• Канско-Ачинский (бурый уголь).
• Печерский.
• Южно-Якутский.

Большая часть отечественной угледобычи – 75% ведётся закрытым шахтным способом, что значительно повышает его себестоимость.

Горючие сланцы

Большая часть месторождений горючих сланцев располагается в Европейской части России, на территории Ленинградской и Самарской областей. Также имеются крупные месторождения на севере страны и в Сибири.

Однако активной разработке они не подвергаются, вследствие конкуренции со стороны более распространённых видов топлива, таких как нефть и газ. Возможно, к ней приступят после исчерпания основных углеводородных запасов.

Уран

По запасам этого природного ископаемого Россия уверенно входит в первую десятку. Согласно исследованиям пятилетней давности, его запасы составляют 507,8 тыс. т, что является десятой частью общемировых урановых ресурсов. Основные месторождения сосредоточены в Якутии и Бурятии и на территории Забайкальского края.

Металлические ископаемые

Металлы играют важнейшую роль в жизни общества. Без них невозможно представить себе ни промышленное производство, ни быт нынешнего человека.

Руды чёрных металлов

К чёрным металлам относятся железо и его сплавы: сталь, чугун и ферросплавы. Их руды подразделяются на группы, носящие название основного минерала:

• Красные железняки или гематиты – это оксиды железа (Fe2O3), наиболее употребляемые в чёрной металлургии; а также применяемые в качестве красителя, известного под названием «сурик».
• Магнитные железняки или магнетиты, представляющие собой закиси и окиси железа (FeOи Fe2O) отличаются своими магнитными свойствами.
• Бурые железняки или гетиты, называемые также лимонитом или болотной рудой, являются водной окисью железа. Их ценность заключается в том, что они могут непосредственно использоваться в процессе выплавки чугуна в домнах. Наиболее ценится металлургами лимонит Керченского месторождения, имеющий в своём составе ванадий, марганец и фосфаты.
• Шпатовые железняки или сидериты – минералы серого цвета, содержащие в своём составе углекислое железо (FeCO3). Россия является мировым лидером по месторождениям железняка: подтверждённые запасы оцениваются в 264 млрд. т.

Руды цветных металлов

Значительная часть полезных ископаемых носит название цветных металлов – это все металлы кроме железа, получившее своё название за специфический цвет.

Сырые руды этих металлов отличаются крайне низким содержанием металла и весьма разнообразным составом. Неудивительно, что они получили название полиметаллических руд. В связи с этим в цветной металлургии часто имеет место комплексное использование природного сырья.

В зависимости от плотности, они подразделяются на руды лёгких металлов: алюминия, титана, калия, кальция, лития, магния.И руды тяжёлых металлов: меди, олова, свинца, цинка.

Руды редких металлов

Обширная группа из 36 химических элементов получила своё название чисто по историческим причинам. На самом деле, они встречаются в природе нисколько не реже, а подчас значительно чаще чёрных, цветных и благородных металлов.

Руды редких металлов или залегают самостоятельно, или присутствуют попутно при разработке других полезных ископаемых. Значительную часть редких металлов извлекают из руд цветных металлов, а также из других минералов: германий – из бурых углей, ванадий – из руд железа и титана, гафний и рубидий – из руд других редких металлов.

На территории России значительные скопления руд редких металлов обнаружены на Кавказе, Урале, в Сибири, на Дальнем Востоке, а также в Якутии (Томторское месторождение).

Руды благородных металлов

К этой группе относят драгоценные металлы: золото и серебро, а также платину и металлы платиновой группы: иридий, осмий, палладий, родий и рутений, отличающиеся устойчивостью против окисления и коррозии.

Наше государство обладает значительными запасами месторождений благородных металлов:

• Золото – 25 тыс. т. Из них 4/5 составляют рудные месторождения, 1/5 – россыпные. Наиболее значимыми являются Бодайбинское месторождение золота в Восточной Сибири и Бамское золоторудное месторождение на Дальнем Востоке.
• Серебро. По его запасам Россия держит первое место в мире, располагая 16-ью непосредственными месторождениями серебра (27% общероссийских запасов) и целым рядом комплексных месторождений. Первые из них расположены на территории Чукотки и Якутии.
• Платиноиды – 6-10 тыс. т, что является третьим показателем в общемировом списке. Лидирующие позиции в отрасли занимают Нижнетагильское месторождение на Урале и Федорово-Панское месторождение в Мурманской области.

Неметаллические ископаемые

Неметаллические или нерудные природные ресурсы, используемые в своём непосредственном виде для строительства и промышленности или в качестве сырья, встречаются в природе в виде минералов или горных пород.

Горно-химическое сырьё

Горным сырьём для химического производства выступают:

• Апатиты. На территории нашего государства находится крупнейшее месторождение апатитов на Кольском полуострове (Хибинское).
• Бариты. Используется для получения бариевой соли, глазури и эмали.
• Бораты. Выступают в качестве смягчителей воды при производстве стиральных порошков.
• Фосфатные руды. Россия обладает более чем двумя сотнями крупных месторождений фосфоритов.
• Сера, в значительной степени используемая для производства серной кислоты. Большими запасами этого природного сырья располагают Самарская область, Урал (серный колчедан), Камчатка, Курильские острова.

Горнотехническое сырьё

К этому виду полезных ископаемых относятся материалы, используемые в металлургии, а также при производстве абразивов, диэлектриков, керамики, стекла и теплоизоляционных материалов. Основными минералами в качестве горнотехнического сырья являются:

• разнообразные глины, доломиты, известняки, кварцевые пески, фарфоровые камни;
• ангидрид, гипс, перлит, доломиты, известняки, тальк, графит и многое другое.

Оптические материалы

Материалы природного или искусственного происхождения, обладающие прозрачностью и предназначенные для изготовления оптических устройств. В основном это стёкла, фотоситаллы (синтезированные материалы) и монокристаллы.

Соли и рассолы

Группа минералов, имеющих солёный привкус и легко растворяющихся в воде. По своему химическому составу они подразделяются на бораты, галогениды, йодиты, карбонаты, сульфаты калия, магния, натрия и хлориды.

Соли и рассолы находят применение в строительстве, при выпуске минеральных удобрений и в качестве пищевой добавки:

• Калийные соли. Крупнейшее Верхнекамское месторождение калийно-магниевых солей (ВМКМС) располагается в Пермском крае.
• Каменная или поваренная соль. Крупнейшими поставщиками на российский рынок являются:

• ОАО «Бассосль», г. Астрахань – 1,3 млн. т в год;
• ОАО «Уралкалий», г. Березники – 1,0 млн. т в год;
• ОАО «Илецксоль», г. Оренбург – 0,5 млн. т в год.

• Гипс или водный сульфат кальция находит широкое применение в строительстве, медицине, декоративно-прикладном искусстве.

Драгоценные и поделочные камни

Минералы, используемые в производстве ювелирных изделий и камнерезном производстве. Отличительными особенностями драгоценных камней являются красивый цвет, яркий блеск, прозрачность, разнообразные оптические эффекты. Кроме того, они обладают высокой прочностью и долговечностью.

Поделочные камни не отличаются прозрачностью, хотя и имеют красивую фактуру, а также хорошо подвергаются механической обработке. Обычно они находят применение при отделке зданий и некоторых изделий.

Залежи этих полезных ископаемых присутствуют на Урале (самоцветы), в Якутии (алмазы) и в Восточной Сибири.

Строительные материалы

К естественным природным минералам, используемым в строительстве, относятся:

• Гравий – мелкий камень округлой формы.
• Щебень – остроугольные камни, диаметром не более 70 мм, используемые в качестве наполнителя.
• Песок – мелкозернистая каменная фракция размером до 5 мм.

А также полезные ископаемые, применяемые при изготовлении бетона, цемента и других вяжущих веществ.

На территории России имеется 8500 месторождений более 100 наименований нерудных строительных материалов. Самые крупные из них расположены в Вяземской, Кировской, Московской и Смоленской областях.

Объёмы добычи

Россия обладает гигантскими запасами полезных ископаемых и последовательно их использует. О чём говорит рост добывающей отрасли в 2019 году на 1,1%.

Показатели 2019 года:

• Нефть и газовый конденсат – 561 млн. т.
• Газ – 738 млрд. м3; попутный нефтяной газ – 94,7 млрд. м3.
• Каменный уголь – 357 млн. т.
• Бурый уголь – 82,2 млн. т.
• Золото (11 месяцев) – 337,26 т.
• Добыча металлических руд (июль 2019 года) выросла по сравнению с аналогичным показателем на 1,9 %.
• Добыча цветных металлов выросла на 3,1 % (соотношение: июль 2019 – к июлю 2018 года).
• Добыча нерудных ископаемых выросла на 15,7 % (соотношение: июль 2019 – к июлю 2018 года).

Приведённые данные говорят о том, что доля России в общемировом масштабе, оцениваемом в 20 млрд. т ежегодной добычи полезных ископаемых, весьма значительна, а перспективы их дальнейшего использования даже пока в должной степени не оценены, вследствие своей огромности.

Руды редких металлов и элементов: виды и характеристики, способы добычи, применение

Редкометаллические руды – это геологические породы, имеющие в своём составе редкие металлы (группа в 60 элементов, мало встречающихся в природе) в чистом виде или в качестве примесей других химических элементов. Причём концентрация металлов в рудах должна быть такой, чтобы разработка месторождений была рентабельной.

Виды и характеристики

Сами редкие металлы разделены на пять больших групп:

• Лёгкие: бериллий, литий, рубидий, стронций, цезий.
• Радиоактивные: актиний, радий, торий, уран и трансурановые элементы.
• Рассеянные металлы: галлий, гафний, германий, индий, рений, селен, таллий, теллур.
• Редкоземельные: иттрий, лантан и лантаноиды, скандий.
• Тугоплавкие металлы: ванадий, вольфрам, молибден, ниобий, тантал, цирконий.

Данное подразделение весьма условно, так как с совершенствованием геологоразведки и развитием промышленности, некоторые металлы уходят из разряда редких элементов. Само понятие «редкости» говорит об их незначительном использовании. Однако новые прогрессивные технологии коренным образом меняют ситуацию.

Источниками получения редких металлов могут служить месторождения, высокоминерализованные воды, рапа солёных озёр, россыпи, а также побочная продукция или отходы основных производств. Редкометаллические руды можно подразделить на непосредственно богатые редкими элементами, и руды других элементов, в которых редкие минералы присутствуют как примеси. Среди комплексных руд можно выделить:

• вольфраммолибденовые,
• титан-ниобий-тантал-редкоземельные,
• уран-ванадиевые,
• литий-цезиевые,
• цирконий-ниобиевые.

Примерами непосредственно руд редких металлов являются:

• Литиевые руды – это сподумен, амблигонит, лепидолит, циннвальдит, петалит.
• Бериллиевые руды – берилл, бертрандит, фенакит.
• Титановые руды – ильменит, рутил, ильменорутил, перовскит, сфен.
• Циркониевые руды – бадделит, циркон.

Способы добычи

Открытый

Так как значительные запасы редких металлов сосредоточены в земной коре, подверженной выветриванию и россыпях, то наиболее распространённым способом их добычи является открытый способ. Для освоения россыпных месторождений часто применяется драга – плавучий горно-обогатительный комплекс.

В случае карьерных залежей производится комплекс геологоразведочных, вскрышных, землеройных и транспортных работ с последующим обогащением. Естественно, это связано с большими затратами и вредным влиянием на окружающую среду.

Закрытый

Шахтный способ добычи не утрачивает своих позиций в списке методов извлечения таких полезных ископаемых, какими являются руды редких металлов. Обычно его применяют, когда возникает необходимость изъятия дорогостоящих пород из земных недр, залегающих на глубинах до полукилометра и более.

В противном случае добыча будет нерентабельна, так как не покроет расходы на строительство шахты и эксплуатацию дорогостоящего оборудования.

Технология обогащения

Сырьё, из которого извлекаются редкие металлы и элементы обычно содержат в себе десятые, а то и тысячные доли процента необходимых материалов.

Подготовительный процесс

Дробление и измельчение позволяют отделить добываемые минералы от пустой породы. В результате получается продукт приемлемой для дальнейшей переработки формы с заданной концентрацией добываемого металла.

В случае трудностями с обогащением (урановые руды или ряд других полезных ископаемых) применяют гидрометаллургические способы извлечения металлов. Для ряда ценных минералов крупноразмерной фракции используется ручная разработка руды на транспортёре.

Основной процесс

Основной процесс обогащения представляет собой механические, физические и химические процессы, целью которых является получение концентрата (продукта обогащения руды, обладающего повышенной концентрацией необходимого минерала) и отходов.

В случае переработки руд редких металлов применяют следующие виды обогащения:

• Дробление с последующей обработке на грохоте основано на разной степени твёрдости полезных и пустых пород.
• Скольжение нужных минералов по наклонной плоскости со скоростью отличной от неиспользуемых материалов.
• Гравитационное обогащение – принцип действия этого метода базируется на разной скорости падения зёрен минералов в газообразной или жидкой среде.
• Флотационное обогащение, – в основу которого положено изменение смачиваемости поверхности под воздействием флотореагентов.
• Магнитное обогащение разделяет материалы по их магнитным свойствам.
• Электростатическое обогащение основано на использовании различии электрических свойств минералов.

Вспомогательный процесс

Технологические процессы, способствующие проведению основных процессов переработки, носят название «вспомогательных».

Непосредственно из руд получить редкие металлы не представляется возможным. На выходе целого ряда сложных процессов основной переработки имеются лишь оксиды и соли. Конечных потребителей это, естественно, не устраивает, так как им требуются металлы высокой степени очистки.

Для решения этой проблемы применяют методы обогащения, суть которых заключается: в разложении, создании соединений нужной чистоты, получении технически чистого металла или сплавов с его наличием в их составе, рафинировании металла, получении слитков или изделий с одновременным формированием нужной физико-химической структуры. В основе этих методов лежат гидрометаллургические, химические и пирометаллургические процессы.

Сфера применения

Производство и потребление редких металлов и элементов растёт с каждым годом. Особую потребность в них испытывают самые перспективные отрасли науки и техники.

Радиоэлектроника

Саму основу полупроводниковых приборов составляют такие химические элементы, как галлий, германий, индий, селен, теллур. В современных мобильных устройствах насчитывается порядка двух десятков редкоземельных металлов.

Стоящие на каждом рабочем столе дисплеи мониторов содержат в своём составе европий, иттрий, тербий. На базе ниобия созданы сверхпроводящие материалы.

Создание современной электронной лампы невозможно без бериллия, вольфрама, молибдена, циркония и тория.

Приборостроение

Очень широкое применение редкие металлы находят в приборостроении. Это, прежде всего рубидий и цезий – наиболее востребованные материалы при производстве фотоэлементов.

Кроме того из редких металлов изготавливают сверхмощные магниты, электровакуумную технику, люминесцентные лампы, солнечные батареи. Множество современных технических средств содержит в своём составе драгоценные материалы: платину, золото, серебро, иридий, палладий, родий.

Радиоактивные металлы широко используются в изготовлении приборов для научных исследований и медицины.

Атомная техника

Использование явления радиоактивности в своё время послужило основой создания ядерной энергетики. Реакторы современных атомных электростанций, ледоколов, атомных подводных лодок работают на уране.

Кроме того в атомной технике достаточно широко используются: бериллий, цирконий, гафний, ниобий, тантал, ванадий и литий. И это – далеко не предел.

Современные исследования термоядерных реакций, а в перспективе и создание новых атомных установок в самых различных отраслях потребуют всё большего привлечения редких минералов и элементов.

Машиностроение

Современное машиностроение имеет в своём арсенале более 60 металлов и тысячи сплавов. Значительную часть из них составляют редкие металлы. Очень часто они выступают в качестве важных добавок в составе сплавов. Именно благодаря таким добавкам, создаются высокопрочные соединения, устойчивые к высоким температурам, химическому и механическому воздействию, коррозии.

Сфера применения редких металлов в машиностроении всеобъемлюща. Они встречаются всюду: начиная от нано технологий – до изготовления космических аппаратов и гигантских судов.

Химическая промышленность

Химическая отрасль немыслима без использования редких металлов и их соединений. Они повсюду: в технологическом оборудовании, среди контрольно-измерительных приборов и непосредственно в самих химических процессах. С помощью катализаторов из редких металлов сегодня мы получаем сахар, спирт, щавелевую кислоту, производим разнообразные виды топлив и технологическое сырьё.

Металлургия

Именно металлургия служит основным проводником редких металлов во все отрасли мирового хозяйства. Ведь лишь благодаря самим металлургическим процессам и получаются готовые изделия этих химических элементов. Но это далеко не всё. Важную роль играют эти минералы и в производстве чёрной и цветной металлургии, позволяя получать металлы и сплавы с заранее заданными свойствами.

Месторождения в России и мире

Редкометальные месторождения разнообразны по своей природе и встречаются во многих странах мира. Так, крупнокристаллические породы – пегматиты, богатые бериллом, литием и танталом, цезием и рубидием залегают на территориях следующих месторождений:

• Берник-Лейк – Канада.
• Бикита – Зимбабве.
• Карибиб – Намибия.
• Гринбушес – Австралия.
• Коктогай – Китай.

Накопленные в россыпях танталитовые минералы до сих пор добываются наполовину ручным старательским способом на африканском континенте: в Бурунди, Конго, Нигерии и Руанде.

Карбонатиты – продукты кристаллизации глубинных слоёв, ставшие главными источниками ниобия и редкоземельного сырья, были обнаружены и освоены в Бразилии (Араша) и на территории США (Маунтин-Пасс). Позже к ним присоединились: Сент-Оноре в Канаде, Томторское месторождение в Якутии (Россия), Сейс-Логос в Бразилии.

Также разведаны богатейшие месторождения карбонатитов в Китае (Баюнь-Обо) и в Австралии (Маунт-Уэлд). Последнее отличается высочайшей концентрацией полезных ископаемых.

На территории России расположено достаточно крупное месторождение лопарита на Кольском полуострове. Также имеются залежи редкометальных щелочных гранитов в Катугинском (г. Тува) и Улук-Танзекском (Читинская область) месторождениях.

В целом можно констатировать, что количество мировых месторождений (число которых постоянно растёт) редких металлов вполне способно обеспечить их потребность на многовековую перспективу.

Мировые запасы

Мировые запасы редких металлов (по данным 2012 года) оцениваются следующим образом:

• Китай – 55 млн. т.
• СНГ – 19 млн. т.
• США – 13 млн. т.
• Индия – 3,1 млн. т.
• Австралия – 1,6 млн. т.
• Бразилия – 0,36 млн. т
• Малайзия – 0,3 млн. т.

Страны, добывающие руды редких металлов

История добычи руд редких металлов такова, что до 90-ых голов прошлого века лидерами являлись:

• США – 17 тыс. т.
• СССР – 8,5 тыс. т.
• Китай – 6 тыс. т.

Затем ситуация изменилась и безусловным лидером становится Китай, производящий 120 тыс. т редких элементов в 2007-2008 годах. Но, начиная со второго десятилетия XXI-го века, власти Китая значительно ограничили добычу этого вида полезных ископаемых, что привело к росту цен и увеличению добычи в странах-конкурентах.

В том числе и в России, принявшей широкую программу освоения столь востребованных полезных ископаемых, предусматривающую общую добычу их в 2020 году на сумму в 145 млрд. рублей.

Особенности редких металлов и сплавов

Редкие металлы — условная группа из 60 химических элементов. Они похожи свойствами, характеристиками, редко попадаются в природе. Разработка месторождений редких металлов — перспективное направление. Представители этой группы еще до конца не изучены, что делает их ценными для применения в промышленности, исследования учеными.

Редкие металлы

Редкие сплавы, металлы можно разделить на несколько групп зависимо от химических, физических характеристик.

Легкие

К ним относятся химические элементы 1 и 2 группы периодической таблицы Менделеева. Их главное сходство — малый удельный вес. Представители — цезий, литий, рубидий, бериллий. Вторая похожая особенность — высокая химическая активность. Для получения проводится металлотермия, электролиз.

Тугоплавкие

Переходные элементы, которые находятся в 4, 5 и 6 группе периодической таблицы Менделеева. Внутренние электронные уровни у этих металлов достраиваются при переходе одного элемента к соседнему. Они образуют твердые, тугоплавкие, химически устойчивые соединения с различными металлоидами, которые обладают небольшим атомным радиусом.

Тугоплавкие редкие металлы выделяются среди остальных высокой прочностью кристаллической решетки, высокой температурой плавления (свыше 1660°C), повышенной твердостью.

Для получения применяется технология порошковой металлургии. Из расходного сырья получается металлический порошок, который прессуется в специальных формах и спекается для получения однородного материала.

Таблица Менделеева ( Instagram / techade.ru)

Рассеянные

Особенность — малое количество минералов, в которых содержатся эти металлы или их полное отсутствие. Чаще подобные химические элементы встречаются в виде изоморфных примесей. Еще реже их можно встретить в небольшой концентрации в сторонних минералах.

Единственный прибыльный способ получения — переработка отходов производства основных металлов.

Редкоземельные

Второе название — лантаноиды. В этой группе находится 15 химических элементов. Они имеют похожее строение атомов, электронных уровней. В природе редкоземельные металлы часто попадаются рядом друг с другом. Первый этап переработки расходного сырья — выделение разных соединений, в основном смесей окислов.

Радиоактивные

В этой группе находятся естественные радиоактивные металлы. Основные из них — актиноиды, актиний, радий, полоний. К подгруппе актиноидов относятся уран, протактиний, торий.

По радиоактивным свойствам ученые определяют где лучше применять эти металлы, для каких сфер промышленности они подойдут. При добыче руды радиоактивные металлы встречаются совместно, часто разбавляются редкоземельными.

История открытия

Редкие металлы — относительно новый термин, к которому относятся малоизученные химические элементы. Впервые такое обозначение появилось в 20-х годах прошлого столетия. За рубежом первым термином появился Less Common Metals. Если переводить его дословно — менее обычные металлы.

Резкий скачок добычи, производства редких металлических элементов был зафиксирован после окончания Второй Мировой Войны. Тогда нужно было восстанавливать основные сферы промышленности. Новые химические элементы позволяли создавать инновационные материалы, развивать новые технологии в ускоренном режиме.

Добыча металлов ( Instagram / metinvest)

Сферы применения

Сферы применения:

• скоростная авиация;
• судостроение, самолетостроение;
• производство электроники;
• ядерная промышленность;
• атомная энергетика;
• машиностроение;
• химическая промышленность, нефтепереработка;
• ракетостроение, оборонная промышленность.

Из редких металлов изготавливаются сверхпроводники, магниты большой мощности, фотоэлементы, фотоумножители, люминесцентные лампы, кинескопы, катодно-лучевые трубки, химические источники тока, солнечные батареи, электроды, электрические конденсаторы, электровакуумные приборы и т. д.

Люминисцентная лампа ( Instagram / legendlamp)

Среди всех известных металлов на нашей планете можно выделить 5 более редких элементов.

Калифорний

Этот материал считается самым дорогим и редким в мире. Особенности:

1. Общее количество к началу XXI века — не более 10 грамм. Производством занимается только 2 лаборатории.
2. Радиоактивность
3. Серебристо-белый цвет.

Применяется в для ядерной энергетике, медицине (при облучении злокачественных новообразований), изготовлении измерительных приборов.

Осмий

Еще одно обозначение — осмий 187. Многие причисляют его к группе благородных. Особенности:

• серебристо-голубой цвет;
• большой показатель плотности;
• высокая температура плавления.

Применяется в электронной, химической промышленности, медицине.

Осмий 187 ( Instagram / blog_dylym)

Галий

Часто используется фокусниками для представлений, поскольку плавится от температуры тела. Другие особенности:

1. Если залить галий серной кислотой, он будет пульсировать.
2. Серебристо-голубой цвет.

Применяется для изготовления термометров из кварца, металлических клеев, сверхвысокочастотной электроники, лазерных установок.

Рений

Впервые был произведен в 1926 году. Особенности:

1. Серебристо-белый цвет.
2. Один грамм рения получается после переработки нескольких сотен килограмм молибдена.

Применяется для изготовления турбинных лопаток, реактивных двигателей, сверхточных измерительных приборов.

Рений ( Instagram / chemical_elements)

Тантал

Обладает уникальным свойством биосовместимости. Из него изготавливаются высококачественные протезы, которые хорошо воспринимаются организмом. Применяется в химической промышленности, производстве электронных приборов.

К группе редких металлов относятся разные химические элементы, содержание которых в природе минимально по сравнению с остальными. Они похожи многими характеристиками, но обладают уникальными свойствами. Применяются в разных сферах промышленности, продолжают изучаться учеными.

Получение редких металлов

В рудном сырье редкие металлы обычно содержатся в небольших концентрациях. Часто рудное сырье имеет сложный, комплексный состав. Примером могут служить вольфрамо-молибденовые, титано-ниобий-тантало-редкоземельиые, молибдено-рениевые, цирконо-ниобиевые, урано-ванадиевые руды, а также руды цветных металлов, содержащие в качестве спутников рассеянные редкие металлы.

В связи с этим большое значение в технологии извлечения редких металлов имеют обогащение руд и химические процессы выделения, разделения и очистки соединений редких металлов.

К редким металлам предъявляют высокие требования по их чистоте. Как правило, их не выплавляют непосредственно, а восстанавливают различными методами из предварительно полученных и очищенных соединений.

В технологии производства редких металлов могут быть выделены следующие основные стадии:

• 1) разложение (вскрытие) рудных концентратов или промышленных отходов, содержащих редкие металлы, с помощью пирометаллургических (окислительный или восстановительный обжиг, хлорирование, сплавление или спекание с реагентами, возгонка и т. п.) или гидрометаллургических процессов (разложение растворами кислот, щелочей, автоклавные процессы и т. п.);
• 2) получение чистых соединений;
• 3) получение металла технической чистоты или сплавов на его основе;
• 4) рафинирование металла;
• 5) получение слитков, заготовок или изделий из металла или сплава на его основе с одновременным тонким регулированием их структуры.

В связи с тем, что многие редкие металлы дефицитны, а их добыча и извлечение в ряде случаев относительно дороги, особо важное значение в их производстве имеет максимальное извлечение металлов в готовую продукцию.

Для удешевления продукции и уменьшения потерь и отходов большое внимание при усовершенствовании технологии извлечения и производства редких металлов уделяют разработке малостадийных схем, предусматривающих одновременную комплексную переработку сырья с максимальным извлечением всех полезных компонентов.

В последних стадиях технологии производства редких металлов и их соединений важное значение имеют новые прецизионные химические и физические методы глубокой очистки: перекристаллизация и фракционное осаждение соединений, ионообмен, экстракция органическими растворителями, возгонка и ректификация, вакуумное рафинирование и переплавка, в том числе дуговая, электроннолучевая, зонная; развиваются процессы с плазменным нагревом и т. д.

Металлургия редких металлов строится на широком использовании всех современных разнообразных химико-технологических и металлургических методов.

Так, для получения металлов применяют восстановление из окислов и солей (твердых, расплавленных и парообразных) водородом, углеродом, металлами-восстановителями (металлотермия), цементацию из растворов, электролиз водных и расплавленных сред, термическую диссоциацию соединений.

• В производстве компактных заготовок из редких металлов и сплавов на их основе используют все современные методы прецизионной плавки и литья, а для тугоплавких металлов, кроме того, большое распространение получили методы порошковой металлургии.
• Требования к минимальному загрязнению металлов газовыми примесями вызвали необходимость широкого применения вакуумной техники.
• Многие методы, впервые разработанные для производства редких металлов, затем стали использоваться в металлургии других металлов в связи с все усиливающимися требованиями к высокой чистоте продукции, ее тонкому легированию и точному регулированию структуры.

До настоящего времени в промышленных масштабах производят главным образом сплавы редкоземельных металлов, например мишметалл (сплав металлов цериевой группы с различным соотношением церия и лантана), сплав дидим (сплав празеодима и неодима с примесью других лантаноидов). Кроме того, в относительно чистом виде производят церий и лантан.

Отдельные редкоземельные металлы высокой чистоты получают в лабораторных или полупромышленных масштабах.

Ввиду высокой химической прочности соединений лантаноидов (окислов, галоидных солей) для получения металлов применяют электролиз расплавленных сред или металлотермические методы восстановления. Мишметалл и церий в промышленных масштабах производят методом электролиза.

Для получения лантаноидов высокой чистоты используют преимущественно металлотермические методы.

Редкоземельные металлы получают преимущественно из безводных хлоридов или фторидов. В некоторых процессах используют также и окислы редких земель. Окислы обычно получают прокаливанием оксалатов или гидроокисей лантаноидов при температурах 600—700°С. Ниже рассмотрены основные методы получения безводных галогенидов.

Чистота получаемых металлов определяется содержанием примесей в исходных соединениях и инертностью материала, из которого изготовлены тигли для выплавки металлов и электроды (в случае применения электролиза).

Из окислов хорошей устойчивостью до 1200°С отличается электроплавленная окись магния и окись бериллия. Среди тугоплавких металлов наиболее устойчивым оказался тантал, в котором можно плавить лантаноиды при температурах до 1700°С. Хорошей устойчивостью обладает также молибден, который часто используют в качестве катодов при электролитическом получении металлов редких земель.

Графит медленно реагирует с расплавленными лантаноидами и используется в качестве электрода и для изготовления тиглей. Однако получаемые металлы в этом случае всегда содержат примесь углерода.[1]