مدت زمان مطالعه: ۶ دقیقه
نوشته شده توسط: زمین پی جویان نگار
تاریخ انتشار: ۱۴۰۱/۱۲/۰۳
تاریخ به روزرسانی: 1402/04/10
معرفی عناصر کمیاب
عناصر نادر خاکی و یا Rare Earth Elements شامل ۱۷ عنصر شیمیایی از جدول تناوبی که شامل ایتریوم (Yb) و ۱۵ عنصر لانتانید (لانتانیم (La)، سریم (Ce)، پرازئودیمیم (Pr)، نئودیمیم (Nd)، رومتیم (Pm)، ساماریوم (Sm)، یوروپیوم (Eu)، گادولینیوم (Gd)، تربیوم (Tb)، دیسپروزیم (Dy)، هولمیوم (Ho)، اربیوم (Er)، تولیوم (Tm)، ایتربیوم (Yb) و لوتتیم (Lu)) و اسکاندیم (Sc) می باشند. عناصر خاکی کمیاب فلزات سنگین، به صورت نرم و به رنگ سفید مایل به نقره ای هستند که از این گروه اغلب به عنوان فلزات خاکی کمیاب (Rare Earth Metals) و یا اکسیدهای خاکی کمیاب (Rare Earth Oxide) یاد می شود. این فلزات خواص بسیار مشابهی دارند و اغلب با هم در نهشته های زمین شناسی یافت می گردند.
به کشور سوئد خانه عناصر خاکی کمیاب (Home of the rare earth elements) می گویند، زیرا در اواخر قرن ۱۸ و اوایل قرن ۱۹ میلادی اولین عناصر خاکی کمیاب سبک LREE که شامل (La, Ce, Pr Nd, Pm, Sm, Eu, Gd) و عناصر نادر سنگین HREE (Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu,Y) در آنجا کشف شدند. ایتریوم (Y)، ایتربیوم (Yb)، تربیوم (Tb) و اربیوم (Er) از معدن ایتربی (Ytterby) در شمال استکهلم کشف شدند و به همین دلیل به این نام، نامگذاری شدند. در حال حاضر سوئد میزبان تعداد زیادی ذخایر مختلف عناصر نادر خاکی می باشد.
علت قرار دادن صفت کمیاب به این عناصر این است که در ابتدا در زمان کشف این ذخایر مشخص شد که آنها جزء اکسیدهای پیچیده هستند. علاوه بر این، به نظر می رسید که این مواد معدنی کمیاب باشند، بنابراین این عناصر تازه کشف شده را « عناصرخاکی کمیاب» نامیدند. در واقع، این عناصر کاملاً فراوان هستند و در بسیاری از ذخایر در سراسر جهان وجود دارند.
کاربرد عناصر کمیاب
بسیاری از مردم از تأثیر زیاد عناصر کمیاب خاکی بر زندگی روزمره خود آگاه نیستند. عناصر نادر خاکی، در بیشتر صنایع به عنوان مواد اولیه ضروری برای تولید بسیاری از محصولات می باشند. صنایع متالورژی و فرآوری مواد معدنی (پالایش و آلیاژسازی فلزات)، کاتالیزورها در صنعت خودرو، پتروشیمی، رنگ، شیشه، سرامیک، (LED، لامپ‌های فلورسنت فشرده (compact fluorescent lamps)، صفحه نمایشگرها) لیزرها، باتری های قابل شارژ، فیبر نوری از جمله مواردی است که نیاز به عناصر نادر خاکی دارند.
علاوه بر موارد ذکر شده در قبل، عناصر کمیاب (REE) در ابر رساناها، خنک کننده مغناطیسی یا یخچال های مغناطیسی (Magnetic Cooling or Magnetic Refrigeration) ، ذخیره سازی هیدروژن (Hydrogen Storage) و آهنرباهای دائمی با کارایی بالا (High Performance Permanent Magnets) و همچنین در انواع توربین‌های بادی، خودروهای الکترونیکی، درایوهای HD و بلندگوها و میکروفون‌های تلفن همراه کاربرد دارند.
جداسازی و خالص سازی عناصر کمیاب
در طول این سال ها جداسازی و خالص سازی عناصر کمیاب خاکی فرآیندی دشوار و زمان‌بر بوده است. بسیاری از دانشمندان تمام عمر خود را صرف تلاش برای به دست آوردن یک خاک کمیاب با خلوص ۹۹ درصد کردند. در این قسمت جدیدترین روش های جداسازی و خالص سازی عناصر نادر کمیاب را معرفی میکنیم. در حال حاضر علاوه بر چین، ایالات متحده نیز در تلاش برای ساخت فناوری های جدید در جهت سازگار با محیط زیست می باشند.
دانشگاه پردو امریکا (Purdue University) فناوری جدیدی با استفاده از کروماتوگرافی (Chromatography) به کمک لیگاند (ligand) برای خالص‌سازی فلزات کمیاب از خاکستر زغال‌سنگ، آهنربای بازیافتی، سنگ معدن خام به‌طور کارآمد و بدون اثرات مخرب زیست‌محیطی را معرفی کرده است.
روش رایج برای تولید عناصر نادر خاکی با خلوص بالا، روش دو فازی (مایع- مایع) می باشد. در این روش به هزاران واحد میکسر- ته‌نشین‌کننده نیاز دارد و مقادیر زیادی زباله سمی تولید میکند. در این روش از یک سیستم کروماتوگرافی جابجایی به کمک لیگاند استفاده شده که فلزات با خلوص بالا (بیش از 99درصد) تولید می کند.
یکی دیگر از روش های مدرن، جداسازی و خالص سازی عناصر کمیاب خاکی توسط میکروارگانیسم ها می باشد. دانشمندان آزمایشگاه ملی لاورنس لیورمور (Lawrence Livermore National Laboratory) (LLNL) با استفاده از پروتئین ها و باکتری های طبیعی ، عناصر کمیاب خاکی را جدا و خالص می کنند.
در پروژه جدید، تیم LLNL از ویژگی و قابلیت میکروبیولوژی محیطی، زیست‌شناسی مصنوعی (Synthetic Biology) و مهندسی پروتئین (Protein Engineering) استفاده می‌کنند تا روش‌های زیست معدنی جدید را برای جداسازی، خالص‌سازی عناصر خاکی به دست آورند.
از دیگر روش های فرآیندهای جداسازی میتوان به روش پیرومتالورژیکی (تصفیه حرارتی)، هیدرومتالورژیکی (تصفیه آبی) و الکتروشیمیایی (تصفیه پتانسیل الکتریکی) نام برد.
عناصر کمیاب خاکی در جهان
همانطور که اشاره شد عناصر خاکی کمیاب از نظر زمین شناسی نادر نیستند و این عناصر در غلظت‌های بسیار کم در بیشتر قاره ها و همچنین در کف اقیانوس ها یافت می شوند. همزمان با توسعه کاربردهای جدید عناصر خاکی کمیاب و تغییرات در اقتصاد جهانی، فناوری مورد استفاده در اس تولید شده است. ایالات متحده بزرگترین صادرکننده تولید کالا از این عناصر در قرن بیستم بوده است. در اوایل قرن بیست و یکم، چین به بزرگترین تولیدکننده عناصر کمیاب در جهان تبدیل شد. استرالیا، برزیل، هند، قزاقستان، مالزی، روسیه، آفریقای جنوبی نیز مقادیر قابل توجهی از این عناصر را استخراج می کنند.
نمودار زیر تاریخچه تولید اکسید عناصر خاکی کمیاب (بر اساس واحد تن متریک)، بین سال های 1950 تا 2021 را نشان میدهد. همان طور که مشخص شده، اولین کشور تولید کننده این عناصر در بازار جهانی ایالات متحده آمریکا در سال 1960 بوده است. کشور چین در اواخر دهه 1980 و اوایل دهه 1990شروع به فروش عناصر کمیاب خاکی با قیمت های بسیار پایین کرد، در آن زمان ایالات متحده مجبور شد معادن دارای این عناصر را تعطیل کند، زیرا در برابر قیمت ارائه شده توسط چین سوددهی این کشور پایین بوده است. هنگامی که چین در سال 2010 صادرات خود را کاهش داد، قیمت عناصر نادر خاکی بالا رفت و این کار باعث انگیزه تولید جدید در ایالات متحده، استرالیا، روسیه، تایلند، مالزی و سایر کشورها شد.
استرالیا چهارمین تولیدکننده بزرگ مواد معدنی خاکی کمیاب می باشد. در مارس 2022، استرالیا اعلام کرد مجموعه معادن آرافورا (Arafura)در حال ساخت یک کارخانه جداسازی خاک های کمیاب در سایت معدن خود می باشد.
بزرگترین ذخایر فلزات خاکی کمیاب اروپا در منطقه کایرونا (Kiruna) کشور سوئد قرار دارد. شرکت معدنی LKAB ذخایر قابل توجهی از عناصر خاکی کمیاب را در این منطقه شناسایی کرده است، پس از این اکتشاف موفق، این شرکت امروزه ذخایر اکسیدهای خاکی کمیاب را بیش از یک میلیون تن در این منطقه اعلام کرده که تاکنون بزرگترین ذخایر شناخته شده در اروپا می باشد. همچنین کانسار پرگیجر (Per Geijer) در نزدیکی کانسار کایرونا دارای بیش از 500 میلیون تن آهن، فسفر و همچنین عناصر نادر خاکی است که بیش از 80 درصد آهن مورد نیاز اروپا را فراهم میکند. بر اساس ارزیابی کمیسیون اروپا، انتظار می‌رود تقاضا برای تولید عناصر خاکی کمیاب برای خودروهای الکتریکی و توربین‌های بادی تا سال 2030 بیش از پنج برابر برسد.
عناصر کمیاب در ایران
در ایران منابع اولیه عناصر نادر خاکی در ذخایر ثانویه این عناصر یعنی در کانسارهای آهن-آپاتیت تیپ پلاسر، بوکسیت و زغال سنگ شناسایی شده است. در ایران مرکزی در کنار ذخایر آپاتیت، عناصر نادرخاکی به وفور یافت میشوند و عناصر تشکیل دهنده آنها لانتانیوم، سریم، نئودیمیم، ایتریوم، گادولینیوم، ساماریوم و پرازئودیمیم هستند. این کانسارها در معادن چغارت، لکه سیاه، زریگان، میشدوان، چاه گز و اسفوردی یافت شده اند.
جهت کسب اطلاعات بیشتر در مورد پتانسیل های مواد معدنی ایران پیشنهاد می شود، چهار مقاله زیر را مطالعه فرمایید.
خلاصه ای از پتانسیل های مواد معدنی ایران – بخش اول: کانسارهای ماگمایی – گرمابی
خلاصه ای از پتانسیل های مواد معدنی ایران -بخش دوم: کانسارهای گرمابی-ماگمایی
چشم انداز عناصر کمیاب خاکی
عناصر خاکی کمیاب مطمئنا بخش مهمی از آینده ما خواهند بود و تقاضای جهانی برای خودروهای الکترونیکی، لوازم مصرفی الکترونیکی، کاتالیزورها، آهنربا و باتری های قابل شارژ در سال های آینده به سرعت افزایش خواهد یافت. میزان تقاضای عناصر نادر خاکی با شیب بسیار زیادی در همه صنایع تکنولوژی محور رو به رشد است. متاسفانه علی رغم این رشد تقاضا، در حال حاضر منابع کشف شده و همچنین تکنولوژی های استحصال عناصر کمیاب خاکی بسیار محدود می باشند و یکی از چالش های موجود کشور های توسعه یافته و دارای صنایع بین المللی بزرگ همچون آمریکا و چین کمبود منابع اولیه محصولات های تک خود می باشد. بنابراین تمامی کشورهای دارای ذخایر معدنی مرتبط با عناصر نادر خاکی می بایست از مهندسین و محققین خود برای توسعه بخش فرآوری عناصر کمیاب خاکی استفاده نمایند تا بتوانند تامین کننده نیاز صنایع مربوطه باشند.
همچنین اکتشاف منابع جدید باید سر لوحه زمین شناسان و مهندسان اکتشاف مواد معدنی در هر کشور باشد. در زمین پی جویان نگار سعی شده است با بهره گیری از زمین شناسان مجرب در کنار مهندسین اکتشاف معادن و همچنین استفاده از دانش روز و تجهیزات نوین، نقش موثری را در اکتشافات سطحی و عمقی مواد معدنی ایران ایفا نماید.
در سال ۲۰۲۰ اکسید سریم (Cerium) بیشترین تقاضا را در بین صنایع موجود داشته است. این عنصر کمیاب خاکی برای ساخت خودروهای الکترونیکی استفاده میشود. بر اساس اطلاعات موجود، از سال 2020 تا 2027، نیاز به پرازئودیمیم (Pr)، 6.4 درصد رشد می نماید و دلیل آن استفاده از این عنصر کمیاب خاکی به عنوان یک عامل آلیاژی با منیزیم در موتورهای مورد استفاده در صنایع هوا فضا می باشد. همچنین در آینده نیاز به عناصر ایتریوم، لانتانیم، سریم و نئودیمیم که در صنایع سرامیک، کاشی، الکترونیک و مهندسی کاربردهای بسیاری دارند رو به افزایش است و بر اساس اطلاعات بدست آمده و پیش بینی وضعیت آینده، درآمد ایجاد شده در بخش سرامیک از سال 2020 تا 2027 ، 7 درصد افزایش می یابد.
