“双碳”专题 | “全能的工业维生素”稀土元素与碳中和- 大数跨境

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“双碳”专题 | “全能的工业维生素”稀土元素与碳中和

中国矿业报

2021-09-22

导读：“全能的工业维生素”稀土元素与碳中和

摘要：

稀土被誉为“现代工业的维生素”，在风力发电机、燃料电池、储氢、充电电池和电动汽车中，稀土都是不可或缺的原料。我国是世界上最大的稀土生产国、出口国。地质工作可以在稀土找矿、选矿、矿山监测等方面发挥重要作用。

稀土元素是镧系元素、钇元素和钪元素共17种元素的合称。它们的物理化学性质相近，在各种材料的制备过程中添加稀土可以显著地改变材料性质，提高材料性能，因此长期以来稀土被广泛地应用于芯片、电脑内存、充电电池、永磁与超导材料等高精尖领域，被誉为“现代工业的维生素”。稀土在地壳中丰度并不稀少，只是分布极不均匀，主要产地有中国、美国、印度、越南、俄罗斯等国家，世界总储量约1.3亿吨（美国地质调查局，2015年）。中国是世界稀土资源储量最大的国家，拥有世界三分之一的稀土储量。中国目前也是世界最大的稀土生产国和加工国。由于稀土材料在清洁能源、电动汽车等领域的关键地位，稀土资源的开发利用对我国碳中和目标的实现起着至关重要的作用。

稀土在清洁能源中的应用

不管是在风力发电机、燃料电池、储氢、充电电池还是电动汽车使用的永磁体中，稀土都是不可或缺的原料，此外稀土还是生物燃料催化剂的必要成分。

稀土固体超强酸催化剂不仅可以节约制备生物柴油的成本，还能减少对环境的破坏。生物柴油来自“地沟油”，是由动植物油脂、废弃油脂等与甲醇等短链醇经过酯化、酯交换反应获得后加工而来的。由于其燃烧效率高、可降解、可再生的优点被认为是化石燃料理想的替代能源。目前生物柴油的主要制备方法是使用液态的酸或碱作为催化剂进行同质催化反应，生产过程会消耗大量的水和燃料，并产生酸性废水。因此成本上相比化石燃料要高得多。而掺杂了稀土元素的固体超强酸催化剂有着更好的催化效率并能够重复使用，可以大大节约制备生物柴油的成本，减少对环境的破坏。

稀土是理想的储氢材料。氢能在燃烧中只产生水，是对环境最友好、最低碳的清洁能源。虽然目前已有蒸汽甲烷重整、煤气化、电解水等多种经济可行的制氢方法，但储氢手段仍然制约着氢能的发展。氢能主要以高压气态或低温液态的形式储存，这两种储氢方式的储存设备体积大，需要复杂的绝热装置，在应用上成本高昂。固态储氢则可以通过物理化学反应将氢气转换为金属氢化物储存起来，在使用时再还原为氢气。稀土储氢合金储氢能力强，吸收/释放氢气的温度适中，是理想的储氢材料。一些国家的氢能发电项目已经开始使用稀土储氢合金制作的储氢罐来储存、运输氢气。此外稀土储氢合金也是镍氢的负极，被广泛应用于混合动力汽车（HEV）。

稀土永磁材料是世界上磁性最强的永磁材料。从早期的钐钴磁体到现在被广泛使用的钕铁硼磁体，稀土永磁材料被用来制作新能源汽车和风力发电机中的永磁电机。配备了直驱永磁同步发电机的风电机组能够在风速较低的地区高效发电，同时重量更轻，更易于维护。在电动汽车的动力系统中，永磁技术可以使发动机的体积更小，效率更高且能耗更低。

稀土还是发光节能材料的重要组成部分，如铕、铽、铋、铈等元素是三基色荧光粉和荧光转换材料的主要原料。在燃油汽车的三元催化器中，氧化铈、氧化镨和氧化铼被用作催化剂帮助处理排放的有害气体。

稀土开发带来的环境挑战

在开发稀土资源的同时也要注意稀土元素对环境的影响，不合理的开发可能带来严重的污染问题。在稀土开采的过程中会将含有稀土及其他有毒的金属或化学物质排放到空气中。一些稀土矿含有放射性元素铀和钍，其矿尘可能导致尘肺病，将会对矿工和周边民众的健康造成直接危害。离子吸附型稀土矿的无序开采则会严重地破坏地表植被覆盖造成水土流失、浸出。

随着人类对稀土利用程度的加深，稀土元素也越来越多地出现在了人们身边。土壤、河流、地下水等中的稀土含量都显著上升。如用作核磁共振造影剂的钆就会通过污水处理系统进入水系，在美国和欧洲的河流甚至饮用水中钆的浓度都出现了显著的升高。虽然具体的摄入量尚不确定，但长期摄入稀土元素可能导致人体代谢紊乱。从实现碳中和、建立环境友好型社会的角度，稀土元素带来的环境和健康风险在未来会越来越被关注。

地质工作在稀土资源开发中的作用

我国近年来在稀土材料的利用研发上取得了诸多突破，但也存在一些困难和挑战，地质工作可以在其中发挥重要调节作用。

一方面稀土找矿对地质工作者提出了更高要求，另一方面也需要地质工作者研究更高效的选矿技术，提高稀土利用率。如中国地质调查局成都矿产综合利用研究所研发的“浮团聚—磁选”稀土选矿工艺，可以将稀土回收率从20%提高到55%以上，并减少30%以上的碳排放量。

对于稀土带来的环境与健康问题，地质工作也可以有所作为。有效的矿山监测、矿山管理可以防止水土流失和水体污染；开展对稀土矿区周边土壤环境、植被作物的化学分析可以预防健康风险。相信在地质工作的助力下，我国未来在稀土领域大有可为。

（作者单位：中国地质调查局地学文献中心）