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科技洞察 丨 深入科技行業最前沿

随着中美貿易緊張局勢的升級，稀土元素成為人們關注的焦點之一。

一個常用的比喻是，如果說石油是工業的血液，那稀土就是工業的維生素。

但是，你真的了解什麼是稀土元素嗎？本期就跟你詳細說一下。

▏什麼是稀土元素？

稀土元素是一組金屬的簡稱，總共有17個。我們初中的時候都學過元素周期表，稀土元素就是下圖元素周期表中橙色的部分。

這17個元素，在很多産品裡都發揮着至關重要的作用，有的甚至是我們每天都在使用的産品，包括：

iphone、AirPods的消費電子産品；

特斯拉汽車部件；

美國通用電氣的渦輪機；

飛利浦醫療掃描儀器；

軍用噴氣式戰鬥機；

……

下面列舉了17個稀土元素的部分應用。稀土元素應用在各行各業，包括從汽車、醫療、計算機到航空航天。相信你看了就能感受到稀土元素是有多重要了。

Sc：航天零部件，鋁合金部件

Y：激光器，電視、電腦顯示屏，微波過濾器

La：石油冶煉設備，電動汽車的電池，數碼相機的鏡片

Ce：化工設備，玻璃鏡片

Pr：航天發動機

Nd：電腦硬盤，手機部件

Pm：X射線機，核電池

Sm：高功率磁鐵，PCB電路闆

Eu：電視、電腦顯示屏，激光器，光學電子設備

Gd：癌症治療設備，MRI造影劑

Tb：固體電子設備，聲納系統設備

Dy：激光器，核反應堆

Ho：激光器，高功率磁鐵

Er：纖維光學器件

Tm：X射線機，超導體

Yb：X射線機，激光器

Lu：化工設備，LED器件

▏稀土元素的提取有多難呢？

由于在地殼裡，這些稀土元素與許多其他不同濃度的礦物混雜在一起，因此提取非常複雜。

未經加工的天然原礦開始準備加工時，要運輸往專門的稀土元素分離設施工廠，整個提取過程要通過數百個加工室（liquid-containing chamber），從而把單個的元素分離開。而這個過程可能要重複上百次，有的甚至上千次，才能完成一種元素的提取。

由于稀土元素具有某種獨特的特性，比如磁性、光學性能或者化學特性，因此在高科技産業中特别有價值。

一名工人在中國江西省南城縣的稀土金屬礦場工作丨圖：趙傑，Getty Images

▏稀土元素哪裡最多？

下圖是美國稀土元素的進口情況。我們看到，通過中國進口稀土元素的比例，遠遠超過其它國家。

中國稀土礦藏豐富，雄踞着三個世界第一：儲量第一，生産規模第一，出口量第一。同時，中國還是唯一一個能夠提供全部17種稀土金屬的國家。

美國将稀土元素作為國際經濟和國家安全的關鍵因素，稀土元素也被特朗普政府特别豁免了關稅。

數據來源： October 2011 issue of Scientific American

美國的稀土儲量僅次于中國，但其從1999年開始，就采取封存等手段逐步停止開采本國稀土資源，轉而從中國大量進口。

目前在美國，加利福亞州南部的帕斯山(Mountain Pass)稀土礦場是美國重要的稀土元素生産地。美國曾經在這個地方投資了15億美元用來生産稀土元素，但是由于來自中國的競争，導緻了礦場運營公司在2015年破産。

據了解，該礦場的新業主MP Materials公司計劃從2020年開始，重新啟動該礦場的運營，每年生産大約5000噸兩種受歡迎的稀土。

美國帕斯山(Mountain Pass)稀土礦場

除了中國以外，美國還從澳大利亞進口稀土。澳大利亞公司Lynas Corp經營一座礦山，将天然礦石運往馬來西亞的工廠來加工提取稀土元素。這家澳大利亞公司最近宣布與美國Blue Line公司合作，在美國本地建立一個稀土加工廠，從2022年開始運營。

▏稀土緊缺，有替代方案嗎？

開采稀土并不是完全沒有缺點。美國聖母大學（University of Notre Dame）政治學副教授Eugene Gholz認為，在沒有嚴格監管的情況下，開采稀土會産生嚴重的環境影響。

比如，礦石中放射性元素钍，可能會對人類健康構成威脅。在采礦和加工提取的過程中也會涉及有毒廢水的排放，這些危險的廢棄物都需要進行嚴格的儲存和處置。

據了解，出于種種原因，現在有的公司在尋找另外的替代方案，繞開稀土元素的使用。

比如在汽車行業，日本的稀土元素在2010年一度出現緊缺，豐田和本田等日本汽車制造商開始開發電動汽車，減少甚至消除了電動機中使用的強力磁鐵等稀土元素——铽和镝。

另外，同樣是2010年，在稀土元素镧的價格上漲時，煉油廠停止了镧元素的供應，轉而使用其它技術方案；玻璃制造工廠也放棄使用稀土元素铈來進行抛光，轉而采用其它的抛光技術。

不過，大部分行業還是嚴重依賴稀土元素的，尤其是軍工以及高科技産業。

▏稀土開采技術趨勢：回收再利用

為了應對稀土元素緊缺的危機，美國賓夕法尼亞大學化學系教授Eric Schelter發起了稀土開采的研究項目，緻力于回收廢棄物裡的稀土元素。美國能源部、橡樹嶺國家實驗室都在與Schelter教授共同開發稀土開采項目。

Schelter教授認為，從稀土礦場裡開采稀土是不經濟的。而從廢棄的電子設備裡回收稀土，比從礦場裡開采稀土更容易實現，因為從設備裡提取出來的稀土更為純淨，也更環保。

Schelter教授其中一項研發成果就是從永磁體中分離稀土元素“钕”和“镝”，他們團隊已經可以做到選擇性地溶解任意一種稀土元素了。他認為，如果廢棄物裡的稀土元素能夠被成功提取并得到大規模應用，那麼這種技術就是“環保技術”的代名詞，這樣能夠鼓勵更多公司引入該技術。

美國賓夕法尼亞大學Eric Schelter教授與他們團隊研發的稀土提取設備

除了Schelter教授團隊，科學家開始嘗試從電廠煤炭廢棄物中提取稀土元素。另外，日本的研究人員已經開始調查位于日本附近海底沉積物中存在的大量稀土元素，希望有朝一日能夠實現稀土元素的提取。

你從事的行業中，有應用稀土元素的案例嗎？可以談談它們潛在的市場，或者能解決的行業問題。

歡迎在留言區分享你的觀點。

參考來源：

Don’t Panic About Rare Earth Elements, by Jeremy Hsu, Scientificamerican, May 31, 2019

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