“稀土”这个名称通常用于描述元素周期表中构成镧系元素的所有 15 种元素，以及钪和钇。“稀土”一词源于分离它们的矿物，这些矿物是不常见的氧化物型矿物，但它们既不是稀土，也不是“稀土”（这是一个过时的术语，指的是电正性金属的不溶于水的强碱性氧化物，不能被使用 18 世纪末的技术熔炼成金属）。“镧系元素”一词也反映出一种难以捉摸的感觉，因为它源自希腊语 λανθανειν (lanthanein)，意思是“隐藏的”。

事实上，这些元素在自然界中相当丰富，尽管与石灰或氧化镁等“常见”地球相比很少见。铈是地壳中第 26 位最丰富的元素，而钕比金更丰富，甚至铥（最不常见的天然存在的镧系元素）比碘更丰富。

稀土——通常是钕、镨、镝和铽（占稀土市场价值的 90%）——在电动机中发挥着重要作用，90% 的电动汽车模型使用稀土作为其动力传动系统的一部分——电动机利用两个磁铁相互排斥时产生的力，使轴快速旋转并产生足够的扭矩来转动车轮。如果没有某些稀土，这个过程将很难复制。稀土对于风力涡轮机的构造也至关重要，风力涡轮机依靠稀土来产生相同的产生扭矩的磁体功能。它们还广泛用于其他应用，例如高科技消费品和汽车尾气催化剂的生产。铕、铽和钇用于节能荧光灯，钇和钪用于氢电解槽。

稀土金属需求将大幅增长

尽管天然稀土资源大大超过目前的消耗量，但它们可能难以提取和分离（见下文）。预计 2020 年产量为 24 万吨。根据国际可再生能源机构 ( IRENA ) 的数据，全球 40 个最大的矿石勘探项目推断资源量超过 30 亿吨，主要是硬岩矿床和粘土。预计到 2030 年，某些稀土的需求将远远超过供应。

全球稀土需求预计将从2022年的17万吨增长到2035年的46.6万吨，复合年增长率为8%。据IRENA统计，2019年永磁体市场占稀土需求的34%，但预计到2030年这一比例将达到40%。1兆瓦直驱风力发电机容量需要约500公斤永磁体。磁铁重量的三分之一归因于稀土。2020年，生产的永磁体中有25%用于交通运输。典型的电动汽车使用大约 2-5 公斤的磁铁。

由于风力涡轮机容量预计在 2020 年至 2050 年间将增加一倍，并且电动汽车将成为主要的道路运输选择，稀土产量将需要比目前水平增加 11 至 26 倍，才能跟上 2050 年全球风能目标的步伐，并增加六倍以满足电动汽车目标。

据重要金属咨询公司 Project Blue 称，预计 2023 年全球稀土市场价值将达到 90 亿美元，但预计 10 年内将增加一倍以上，达到 210 亿美元。

稀土矿床遍布世界各地，主要分布在中国、美国、澳大利亚和俄罗斯，其他有活力的矿体分布在加拿大、印度、南非和东南亚。这些矿体中含有的主要矿物是氟碳铈矿（氟碳酸盐）、独居石（磷酸盐）、洛帕石和红土粘土。中国开采的稀土中约 94% 来自氟碳铈矿矿床，主要在内蒙古白云鄂博 (83%)，而较小的矿床则在山东省 (8%) 和四川省 (3%) 开采。大约 3% 来自中国南方江西省和广东省的红土（离子吸收）粘土。

然而，尽管稀土储量丰富，但稀土供应却很脆弱，因为大多数稀土产自中国。截至 2023 年中期，稀土项目格局因缺乏区域多样性而受到限制，对规划项目的审查表明，这种情况不太可能改变。从上游稀土开采，到中游加工成单独的氧化物，再到下游永磁体和其他部件的制造，大多数项目都位于中国。活跃于稀土开采的非中国公司只有两家，但目前产能和可采储量有限。中国占稀土加工量的87%，以及金属、合金和钕铁硼磁体制造量的91%。

所有稀土矿石的稀土氧化物含量均低于 10%，在进一步加工之前必须将含量提高到 60% 左右。稀土开采有两种主要方法，这两种方法都会向环境中释放有毒化学物质。最常见的方法包括去除表土并创建露天矿，通过爆破去除矿石。然后矿石被运输到加工厂，在那里可以使用各种分离工艺。第二种方法是在地下钻孔，然后使用聚氯乙烯 (PVC) 管道和橡胶软管将化学品泵入地下，然后将所得浆液泵入浸出池以分离出稀土金属。有时，矿井关闭后，这些 PVC 管道会留在原处。

通常，稀土矿石被研磨成粉末，然后通过各种标准工艺（包括磁力和/或静电分离和浮选）与矿体中的其他材料分离。这些可能很复杂，因为稀土家族的成员具有相似的化学性质。两种主要方法是离子交换或溶剂萃取。

以加利福尼亚州帕斯山氟碳铈矿为例，采用热泡沫浮选工艺去除较重的产品、重晶石和天青石，让它们沉降下来，同时浮出氟碳铈矿和其他轻矿物。将60%的稀土氧化物精矿用10%的盐酸处理以溶解方解石。不溶性残留物现在含有 70% 的稀土氧化物，经过烘烤以氧化三价铈。冷却后，用更多的盐酸浸出该材料，以溶解三价稀土（镧、镨、钕、钐、铕和钆），留下铈精矿，精炼成各种等级并出售。

通过将铕还原为二价形式，可以轻松地将铕与其他镧系元素分离，并通过溶剂萃取分离剩余的溶解的镧系元素。其他氟碳铈矿矿石也以类似的方式处理，但所使用的具体试剂和工艺因不同矿体中发现的其他成分而异。

独居石和磷钇矿矿石的处理方式大致相同。通过重力、电磁和静电技术的组合将独居石或磷钇矿与其他矿物分离，然后通过酸法或碱法裂解（烘烤）：在酸法中，用浓硫酸处理稀土温度为 150 – 200 °C。该溶液含有可溶性稀土和钍的硫酸盐和磷酸盐。然后除去钍。

在基本工艺中，将细磨的独居石或磷钇矿与 70% 的氢氧化钠溶液混合，并在 140 – 150 °C 的高压釜中保持几个小时。添加水后，可溶性磷酸钠作为副产品从不溶性硼酸中回收，硼酸中仍含有 5 – 10% 的钍，然后使用盐酸或硝酸将其除去。

制备各种稀土金属有几种不同的方法，具体取决于金属的熔点和沸点以及所需应用所需的纯度。对于高纯度金属（99% 及以上），钙热法和电解法用于低熔点镧系元素（镧、铈、镨和钕），钙热法用于高熔点金属（钪、钇、钆、铽、镝、钬、铒和镥，以及高蒸气压金属（钐、铕、铥和镱）的另一种工艺（所谓的镧热工艺）。这三种方法都用于制备商业金属- 级金属（纯度为 95–98%）。

在钙热过程中，稀土氧化物通过与无水氟化氢一起加热而转化为氟化物。氟化物也可以通过将氧化物溶解在盐酸水溶液中，然后添加氢氟酸水溶液以从溶液中沉淀出稀土三氟化物来制备。将氟化物粉末与金属钙混合，放入钽坩埚中，根据其熔点加热至 1,450 °C 或更高。钙与稀土三氟化物反应形成氟化钙和稀土金属，它们不混溶并允许金属分离，然后在高真空中将其加热到其熔点以上以蒸发过量的钙。然后可以通过升华或蒸馏进一步纯化金属。该程序用于制备除钐、铕、铥和镱以外的所有稀土。

有两种电解方法。第一种是将稀土氧化物转化为氯化物（或氟化物），然后在电解池中还原卤化物。电流通过电池，在碳阳极将稀土三氟化物还原为氯气，在钼或钨阴极将稀土金属还原为液态。第二电解过程直接在三氟化稀土、氟化锂和氟化钙的熔盐中还原氧化物。电解制备的稀土元素不如钙热法制备的稀土元素纯净。

在镧热工艺中，提取的稀土氧化物（钐、铕、铥和镱）与细小的镧金属碎片混合，并根据所需金属加热至 1,400 – 1,600 °C。镧金属与氧化物反应形成氧化镧，所需金属蒸发并收集在冷凝器上。这四种金属可以通过重新升华来进一步纯化。

稀土金属的加工是能源密集型的，需要使用酸和其他危险化学品，产生大量有毒废物。稀土尾矿含有加工化学品、盐类和放射性物质，废产比高：每生产一吨稀土，产生尾矿2000吨，其中放射性废物1~1.4吨。尾矿通常储存在需要复杂管理的隔离池中，特别是当尾矿含有高浓度的铀或钍时。爆破释放的灰尘和颗粒物造成的空气污染可能会导致呼吸系统问题，并因为植物吸收空气中的污染物而污染食物来源。

美国和欧洲的政策制定者长期以来一直担心他们在稀土和许多其他过渡矿物和产品方面对中国的过度依赖，但尽管他们正在努力发展自己的稀土生产，但这需要时间。尽管在截至 2022 年的七年内，非中国稀土氧化物产量增加了近四倍，达到 90,000 吨，但中国仍保持着主导地位，其产量翻了一番，达到 200,000 吨。在中国境外开发这些矿业项目一般需要15年以上的时间。这促使西方公司寻求新颖的分离和纯化工艺，这些工艺将具有较低的环境足迹，且不会增加大量成本，但人们对这些技术能否在实现脱碳目标所需的时间范围内成功部署存在一些怀疑。

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