Metalle

REE - Seltenerdelemente und ihre Verwendung



Die Nachfrage nach Seltenerdelementen ist schnell gestiegen, ihr Vorkommen in abbaubaren Lagerstätten ist jedoch begrenzt.


Produktion von Seltenerdelementen: Diese Grafik zeigt die Geschichte der Produktion von Seltenerdelementen in Tonnen Seltenerdoxidäquivalent zwischen 1950 und 2017. Sie zeigt deutlich den Markteintritt der Vereinigten Staaten Mitte der 1960er Jahre, als das Farbfernsehen die Nachfrage explodierte. Als China in den späten 1980er und frühen 1990er Jahren begann, Seltene Erden zu sehr niedrigen Preisen zu verkaufen, mussten die Minen in den Vereinigten Staaten geschlossen werden, weil sie keinen Gewinn mehr erzielen konnten. Als China 2010 die Exporte drosselte, stiegen die Preise für Seltene Erden in die Höhe. Das motivierte neue Produktionen in den USA, Australien, Russland, Thailand, Malaysia und anderen Ländern. 2016 wurde die Produktion von Seltenen Erden in den USA eingestellt, da die einzige verbleibende Mine für Pflege und Wartung verwendet wurde.

REE-Periodensystem: Die Seltenerdelemente sind die 15 Elemente der Lanthanoid-Reihe plus Yttrium. Scandium kommt in den meisten Ablagerungen von Seltenerdelementen vor und wird manchmal als Seltenerdelement klassifiziert. Bild von.

Was sind Seltenerdelemente (REEs)?

Seltenerdelemente sind eine Gruppe von siebzehn chemischen Elementen, die im Periodensystem zusammen vorkommen (siehe Bild). Die Gruppe besteht aus Yttrium und den 15 Lanthaniden (Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium). Scandium kommt in den meisten Ablagerungen von Seltenerdelementen vor und wird manchmal als Seltenerdelement klassifiziert. Die Internationale Union für Reine und Angewandte Chemie nimmt Scandium in ihre Seltenerdelementdefinition auf.

Die Seltenerdelemente sind alle Metalle, und die Gruppe wird oft als "Seltenerdmetalle" bezeichnet. Diese Metalle haben viele ähnliche Eigenschaften, und das führt oft dazu, dass sie in geologischen Ablagerungen zusammen gefunden werden. Sie werden auch als "Seltenerdoxide" bezeichnet, da viele von ihnen typischerweise als Oxidverbindungen verkauft werden.

Verwendung von Seltenerdelementen: Diese Grafik zeigt die Verwendung von Seltenerdelementen in den USA im Jahr 2017. Viele Fahrzeuge verwenden in ihren Abgassystemen Seltenerdkatalysatoren zur Luftreinhaltung. Eine große Anzahl von Legierungen wird durch die Zugabe von Seltenerdmetallen haltbarer. Glas, Granit, Marmor und Edelsteine ​​werden häufig mit Ceroxidpulver poliert. Viele Motoren und Generatoren enthalten Magnete aus Seltenerdelementen. Phosphore, die in Digitalanzeigen, Monitoren und Fernsehgeräten verwendet werden, werden mit Oxiden der Seltenen Erden erzeugt. Die meisten Batterien für Computer, Mobiltelefone und Elektrofahrzeuge werden aus Seltenerdmetallen hergestellt.

Verwendung von Seltenerdelementen

Seltenerdmetalle und Legierungen, die sie enthalten, werden in vielen Geräten verwendet, die täglich verwendet werden, z. B. Computerspeicher, DVDs, wiederaufladbare Batterien, Mobiltelefone, Katalysatoren, Magnete, Leuchtstofflampen und vieles mehr.

In den letzten zwanzig Jahren gab es eine explosionsartige Nachfrage nach vielen Artikeln, die Seltenerdmetalle benötigen. Vor 20 Jahren gab es nur sehr wenige Mobiltelefone, heute sind es über 7 Milliarden. Die Verwendung von Seltenerdelementen in Computern ist fast so schnell gewachsen wie bei Mobiltelefonen.

Viele wiederaufladbare Batterien werden mit Seltenerdverbindungen hergestellt. Die Nachfrage nach Batterien wird durch die Nachfrage nach tragbaren elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen, Lesegeräten, tragbaren Computern und Kameras getrieben.

USA Verwendung von Seltenerdelementen

Chemische Katalysatoren55%
Keramik und Glasherstellung15%
Metallurgie & Legierungen10%
Glaspolieren5%
Andere15%
(2017 Daten von USGS)

In Batterien, die jedes Elektrofahrzeug und Hybrid-Elektrofahrzeug antreiben, befinden sich mehrere Pfund seltener Erden. Angesichts der Sorge um Energieunabhängigkeit, des Klimawandels und anderer Probleme beim Verkauf von Elektro- und Hybridfahrzeugen wird die Nachfrage nach Batterien aus Seltenerdverbindungen noch schneller steigen.

Seltene Erden werden als Katalysatoren, Leuchtstoffe und Poliermittel verwendet. Diese werden zur Luftreinhaltung, für beleuchtete Bildschirme an elektronischen Geräten und zum Polieren von Glas in optischer Qualität verwendet. Alle diese Produkte werden voraussichtlich eine steigende Nachfrage erfahren.

Andere Substanzen können die Seltenerdelemente in ihren wichtigsten Verwendungen ersetzen. Diese Ersatzstoffe sind jedoch in der Regel weniger effektiv und kostenintensiv.

Von den 1950er bis in die frühen 2000er Jahre war Ceroxid ein sehr beliebter Lapidarpolitur. Es war günstig und sehr effektiv. Die jüngsten Preiserhöhungen haben die Verwendung von Ceroxid beim Gesteinssturz und in der Lapidariumskunst nahezu beseitigt. An seiner Stelle werden jetzt andere Arten von Polituren wie Aluminium- und Titanoxid verwendet.

Verteidigungsgebrauch von Seltenerdelementen

LanthanNachtsichtbrillen
NeodymLaser-Entfernungsmesser, Leitsysteme, Kommunikation
EuropiumLeuchtstoffe und Leuchtstoffe in Lampen und Monitoren
ErbiumVerstärker in der faseroptischen Datenübertragung
SamariumPermanentmagnete, die bei hohen Temperaturen stabil sind
Samariumpräzisionsgelenkte Waffen
Samarium"White Noise" -Produktion in Stealth-Technologie

Kritische Verteidigungsanwendungen

Seltenerdelemente spielen eine wesentliche Rolle in unserer Landesverteidigung. Das Militär verwendet Nachtsichtbrillen, Präzisionswaffen, Kommunikationsausrüstung, GPS-Ausrüstung, Batterien und andere Verteidigungselektronik. Dies verschafft dem US-Militär einen enormen Vorteil. Seltenerdmetalle sind Schlüsselbestandteile für die Herstellung sehr harter Legierungen in gepanzerten Fahrzeugen und Projektilen, die beim Aufprall zersplittern.

In einigen Verteidigungsanwendungen können Ersatzstoffe für Seltenerdelemente verwendet werden. Diese Substitute sind jedoch in der Regel nicht so wirksam, und dies mindert die militärische Überlegenheit. Mehrere Verwendungen von Seltenerdelementen sind in der beigefügten Tabelle 5 zusammengefasst.

Wusstest du schon? Der größte Teil des in den USA verwendeten Scandiums wird für Baseballschläger aus Aluminiumlegierung und andere Sportgeräte verwendet. 3. Scandium wird auch in Halbleitern und Spezialbeleuchtungen verwendet.

Sind diese Elemente wirklich "selten"?

Seltenerdelemente sind nicht so "selten", wie der Name vermuten lässt. Thulium und Lutetium sind die beiden am wenigsten vorkommenden Seltenerdelemente - sie weisen jedoch jeweils eine durchschnittliche Krustenhäufigkeit auf, die fast 200-mal höher ist als die Krustenhäufigkeit von Gold 1. Diese Metalle sind jedoch sehr schwer abzubauen, da sie ungewöhnlich zu finden sind in Konzentrationen, die für eine wirtschaftliche Extraktion hoch genug sind.

Die am häufigsten vorkommenden Seltenerdelemente sind Cer, Yttrium, Lanthan und Neodym 2. Sie weisen eine durchschnittliche Krustenhäufigkeit auf, die den üblicherweise verwendeten Industriemetallen wie Chrom, Nickel, Zink, Molybdän, Zinn, Wolfram und Blei 1 ähnelt werden selten in extrahierbaren Konzentrationen gefunden.

Wusstest du schon? Seltenerdmagnete werden in Windkraftanlagen eingesetzt. Einige große Turbinen erfordern zwei Tonnen Seltenerdmagnete. Diese Magnete sind sehr stark und machen die Turbinen hocheffizient. Seltenerdmagnete werden in Turbinen und Generatoren in vielen alternativen Energieanwendungen eingesetzt.

Wusstest du schon? Die Preise und die Nachfrage nach Seltenerdmaterialien sind in den letzten zehn Jahren dramatisch gestiegen. China produziert rund 90% des Angebots. Die Lagerstätten in Australien und den USA werden wieder in Betrieb genommen, und die Exploration in vielen neuen Gebieten schreitet voran.

Schwere und leichte Seltenerdelemente: Die Seltenerdelemente werden häufig in "Schwere Seltene Erden" und "Leichte Seltene Erden" unterteilt. Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium und Samarium sind die "leichten Seltenen Erden". Yttrium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium sind die "schweren Seltenen Erden". Obwohl Yttrium leichter als die leichten Seltenerdelemente ist, wird es aufgrund seiner chemischen und physikalischen Assoziationen mit schweren Seltenerdmetallen in natürlichen Vorkommen in die Gruppe der schweren Seltenerdmetalle aufgenommen.

Wusstest du schon? Jedes Hybrid- und Elektrofahrzeug verfügt über eine große Batterie. Jede Batterie besteht aus mehreren Pfund Seltenerdverbindungen. Die Nutzung von Elektrofahrzeugen wird voraussichtlich rasch zunehmen, was auf die Energieunabhängigkeit, den Klimawandel und andere Probleme zurückzuführen ist. Dies wird die Nachfrage nach Seltenerdmaterialien erhöhen.

Wusstest du schon? Winzige Mengen von Seltenerdmetallen werden in den meisten kleinen elektronischen Geräten verwendet. Diese Geräte haben eine kurze Lebensdauer, und das Recycling von Elektro- und Elektronikaltgeräten wird nur selten durchgeführt. Milliarden werden jedes Jahr weggeworfen.

Weltminenproduktion und -reserven(2017 Schätzungen)

LandProduktion
(Tonnen)
Reserven
(Tonnen)
Vereinigte Staaten--1,400,000
Australien20,0003,400,000
Brasilien2,00022,000,000
Kanada--830,000
China105,00044,000,000
Grönland--1,500,000
Indien1,5006,900,000
Malawi--140,000
Malaysia30030,000
Russland3,00018,000,000
Südafrika--860,000
Thailand1,600Nicht verfügbar
Vietnam10022,000,000
Weltsumme (gerundet)130,000120,000,000

Geschichte der Seltenerdproduktion und des Handels

Vor 1965

Vor 1965 bestand eine relativ geringe Nachfrage nach Seltenerdelementen. Zu dieser Zeit wurde der größte Teil des weltweiten Angebots aus Placer-Lagerstätten in Indien und Brasilien hergestellt. In den 1950er Jahren wurde Südafrika zum führenden Produzenten von Monazitlagerstätten mit Seltenen Erden. Zu dieser Zeit produzierte die Mountain Pass Mine in Kalifornien geringe Mengen an Seltenerdoxiden aus einem präkambrischen Karbonatit.

Farbfernseher beflügelt die Nachfrage

Die Nachfrage nach Seltenerdelementen erlebte Mitte der 1960er Jahre ihre erste Explosion, als die ersten Farbfernsehgeräte auf den Markt kamen. Europium war das wesentliche Material für die Erstellung der Farbbilder. Die Mountain Pass Mine begann mit der Herstellung von Europium aus Bastnasit, das etwa 0,1% Europium enthielt. Diese Bemühungen machten die Mountain Pass Mine zum größten Seltenerdproduzenten der Welt und machten die Vereinigten Staaten zum führenden Produzenten.

China betritt den Markt

China begann in den frühen 1980er Jahren mit der Produktion bemerkenswerter Mengen an Oxiden der Seltenen Erden und wurde in den frühen 1990er Jahren zum weltweit führenden Produzenten. In den 1990er und frühen 2000er Jahren hat China seinen Einfluss auf den Seltenerdoxidmarkt der Welt kontinuierlich ausgebaut. Sie verkauften seltene Erden zu so niedrigen Preisen, dass die Mountain Pass Mine und viele andere auf der ganzen Welt nicht wettbewerbsfähig waren und den Betrieb einstellten.

Nachfrage nach Verteidigungsgütern und Unterhaltungselektronik

Gleichzeitig stieg die weltweite Nachfrage sprunghaft an, da Seltenerdmetalle für eine Vielzahl von Verteidigungs-, Luftfahrt-, Industrie- und Unterhaltungselektronikprodukten entwickelt wurden. China nutzte seine beherrschende Stellung und begann, die Exporte zu beschränken und die Seltenerdoxidpreise auf ein historisches Niveau anzuheben.

China als größter Seltenerdverbraucher

China ist nicht nur der weltweit größte Produzent von Seltenerdmaterialien, sondern auch der dominierende Verbraucher. Sie verwenden seltene Erden hauptsächlich zur Herstellung von Elektronikprodukten für den Inlands- und Exportmarkt. Japan und die USA sind die zweit- und drittgrößten Abnehmer von Seltenerdmaterialien. Es ist möglich, dass Chinas Abneigung gegen den Verkauf von Seltenen Erden eine Verteidigung des wertschöpfenden verarbeitenden Gewerbes darstellt.

Chinas Spitze der Produktionsdominanz?

Die chinesische Dominanz dürfte ihren Höhepunkt im Jahr 2010 erreicht haben, als sie etwa 95% der weltweiten Seltenerdproduktion kontrollierte und die Preise für viele Seltenerdoxide in nur wenigen Jahren um über 500% gestiegen waren. Für Seltenerdkonsumenten und Bergleute auf der ganzen Welt war dies ein Erwachen. Bergbauunternehmen in den USA, Australien, Kanada und anderen Ländern begannen, alte Seltenerd-Prospekte neu zu bewerten und nach neuen zu suchen.

Die hohen Preise veranlassten die Hersteller auch zu drei Maßnahmen: 1) Suche nach Möglichkeiten, die Menge an Seltenerdelementen zu verringern, die für die Herstellung jedes ihrer Produkte benötigt wird; 2) alternative Materialien suchen, die anstelle von Seltenerdelementen verwendet werden können; und 3) alternative Produkte entwickeln, die keine Seltenerdelemente erfordern.

Diese Bemühungen haben zu einem Rückgang der Mengen an Seltenerdmaterialien geführt, die in einigen Arten von Magneten verwendet werden, und zu einer Umstellung von Seltenerdbeleuchtungsprodukten auf Leuchtdiodentechnologie. In den Vereinigten Staaten ist der durchschnittliche Verbrauch von Seltenen Erden pro Einheit des hergestellten Produkts gesunken, aber die Nachfrage nach mehr Produkten, die mit Seltenen Erden hergestellt werden, ist gestiegen. Das Ergebnis war ein höherer Verbrauch.

China Kauf von Ressourcen außerhalb Chinas

Chinesische Unternehmen haben in anderen Ländern Seltenerdressourcen gekauft. 2009 erwarb die China Non-Ferrous Metal Mining Company eine Mehrheitsbeteiligung an der Lynas Corporation, einem australischen Unternehmen, das eine der höchsten Produktionsmengen an Seltenerdelementen außerhalb Chinas aufweist. Sie haben auch die Baluba Mine in Sambia gekauft.

Seltenerdproduktion außerhalb Chinas

In Australien wurde 2011 mit der Produktion von Seltenerdoxiden begonnen. In den Jahren 2012 und 2013 lieferten sie etwa 2% bis 3% der Weltproduktion. 2012 wurde die Mountain Pass Mine wieder in Betrieb genommen, und in den USA wurden 2013 rund 4% der weltweiten Seltenerdelemente produziert. Die Produktion in Brasilien, Malaysia, Russland, Thailand und Vietnam wurde fortgesetzt oder gesteigert.

Neue vom United States Geological Survey durchgeführte Mineralressourcenbewertungen ergaben signifikante Ressourcen außerhalb Chinas. Obwohl China weltweit führend in der Produktion von Seltenen Erden ist, kontrollieren sie nur etwa 36% der weltweiten Reserven. Dies bietet anderen Ländern die Möglichkeit, wichtige Produzenten zu werden, da China Seltenerdmaterialien nicht unter den Produktionskosten verkauft.

REE-Produktionsdiagramm: Diese Grafik zeigt die Dominanz Chinas bei der Produktion von Seltenerdelementen zwischen 1994 und 2017. Die Vereinigten Staaten waren während der neunziger Jahre ein bedeutender Produzent, aber preisgünstige Materialien wurden von chinesischen Zwangsminen in den Vereinigten Staaten und anderen Ländern außer Betrieb gesetzt. Als China die Exporte einschränkte und die Preise 2009 und 2010 rapide anstiegen, wurden die Minen in Australien und den Vereinigten Staaten wieder aktiv. Diagramm unter Verwendung von Daten aus dem United States Geological Survey.

Gefahren eines dominanten Weltproduzenten

Angebot und Nachfrage bestimmen normalerweise den Marktpreis einer Ware. Da das Angebot schrumpft, steigen die Preise. Wenn die Preise steigen, sind diejenigen, die das Angebot kontrollieren, versucht zu verkaufen. Bergbauunternehmen sehen hohe Preise als Chance und versuchen, neue Bezugsquellen zu erschließen.

Bei Seltenerdelementen kann der Zeitraum zwischen der Entscheidung eines Bergbauunternehmens zum Erwerb eines Grundstücks und dem Produktionsstart mehrere Jahre oder länger betragen. Es gibt keine schnelle Möglichkeit, ein neues Bergbaugrundstück zu eröffnen.

Wenn ein einzelnes Land fast die gesamte Produktion kontrolliert und sich entschieden hat, nicht zu exportieren, kann das gesamte Angebot einer Ware schnell unterbrochen werden. Das ist eine gefährliche Situation, wenn die Entwicklung neuer Versorgungsquellen so lange dauert.

Im Jahr 2010 hat China seine Exporte von Seltenen Erden erheblich eingeschränkt. Dies geschah, um die Versorgung mit Seltenen Erden für die heimische Produktion und aus Umweltgründen sicherzustellen. Diese Verschiebung Chinas löste Panikkäufe aus, und einige Preise für Seltene Erden stiegen exponentiell an. Darüber hinaus beschwerten sich Japan, die USA und die Europäische Union bei der Welthandelsorganisation über Chinas restriktive Seltenerdhandelspolitik.

Seltenerdoxide: Diese Seltenerdoxide werden als Tracer verwendet, um zu bestimmen, welche Teile einer Wasserscheide erodieren. 4. Im Uhrzeigersinn von der oberen Mitte aus: Praseodym, Cer, Lanthan, Neodym, Samarium und Gadolinium. Bild von Peggy Greb, USDA-Bildergalerie.

Mineralressourcen der seltenen Erden der Welt

"Seltene Erden sind in der Erdkruste relativ häufig anzutreffen, entdeckte abbaubare Konzentrationen sind jedoch weniger verbreitet als bei den meisten anderen Erzen. Die Ressourcen der USA und der Welt sind hauptsächlich in Bastnäsit und Monazit enthalten. Bastnäsitvorkommen in China und den Vereinigten Staaten machen den größten Prozentsatz der Vorkommen aus Die wirtschaftlichen Ressourcen der Seltenen Erden der Welt, während Monazitvorkommen in Australien, Brasilien, China, Indien, Malaysia, Südafrika, Sri Lanka, Thailand und den Vereinigten Staaten das zweitgrößte Segment bilden.

Apatit, Cheralit, Eudialyt, Loparit, Phosphorite, seltenerdhaltige (Ionenadsorptions-) Tone, sekundärer Monazit, verbrauchte Uranlösungen und Xenotim machen den größten Teil der verbleibenden Ressourcen aus. Unentdeckte Ressourcen werden im Verhältnis zur erwarteten Nachfrage als sehr groß eingeschätzt. "Zitat aus der Mineral Commodity Summary 2 des United States Geological Survey.

Seltenerdelement-Referenzen
1 Seltenerdelemente - Kritische Ressourcen für Hochtechnologie: United States Geological Survey, Fact Sheet 087-02.
2 Seltene Erden: Joseph Gambogi, Geological Survey der Vereinigten Staaten, Mineral Commodity Summaries, 2017.
3 Seltene Erden: Joseph Gambogi, United States Geological Survey, Jahrbuch der Mineralien 2011.
4 Ein Seltenerd-Ansatz zur Verfolgung der Bodenerosion: Landwirtschaftsministerium der Vereinigten Staaten, Agricultural Research Service.
5 Chinas Ass im Loch: Seltene Erden: Cindy A. Hurst, Presse der Nationalen Verteidigungsuniversität.
6 Die Geologie der Seltenerdelemente: Republikierung von "Die wichtigsten Vorkommen von Seltenerdelementen in den Vereinigten Staaten - Eine Zusammenfassung der inländischen Vorkommen und eine globale Perspektive."
7 Seltenerdelemente und nationale Sicherheit: Energiebericht des Rates für auswärtige Beziehungen, 2014.

Seltenerdelement-Ausblick

Die weltweite Nachfrage nach Automobilen, Unterhaltungselektronik, energieeffizienter Beleuchtung und Katalysatoren wird in den nächsten zehn Jahren voraussichtlich rasch ansteigen. Die Nachfrage nach Seltenerdmagneten wird voraussichtlich ebenso zunehmen wie die Nachfrage nach wiederaufladbaren Batterien. Neue Entwicklungen in der Medizintechnik werden voraussichtlich den Einsatz von chirurgischen Lasern, Magnetresonanztomographen und Positronenemissionstomographen für Szintillationsdetektoren verstärken.

In all diesen Branchen werden Seltenerdelemente in hohem Maße verwendet, weshalb die Nachfrage nach ihnen hoch bleiben sollte.


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