稀土有什么用途
最近，“稀土”一词频繁上热搜。对金属行业或者军事比较有研究的朋友们知道，稀土元素中部分材料的价格已超过黄金。稀土究竟为什么这么贵，是因为储量少而稀缺吗，还是因为分离提纯的技术门槛过高呢？一起来做“稀土”五连问。
“稀土”是土吗？
“稀土”可不是土，我们不能被它的名字所欺骗，虽然名字带“土”，但它们却是实打实的金属元素，“土”实际上指氧化物。
其实，这个名字还要从18世纪末，科学家们开始逐渐发现稀土元素说起。当时人们把不溶于水的固体氧化物称为土，例如，将氧化铝称为“陶土”，氧化钙称为“碱土”等；又因为稀土一般是以氧化物状态分离出来的，在当时比较稀少，因而得名为稀土（Rare Earth）。
在元素周期表中，我们把57-71号元素镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)以及21号元素钪(Sc)和39号元素钇(Y)称为稀土元素。
虽然稀土家族总共只有17种稀土元素，但人类共计花费了153年的时间才将它们全部从氧化物中分离了出来。
稀土元素的发现历史 图片来源：www.periodni.com
稀土很稀有吗？
“稀土”不是土，“稀”也并不是稀有的意思，其实稀土元素在地壳中的含量并不低，部分元素的丰度甚至高于铜、锌等常见金属，但是稀土元素很少富集成可供开采的矿床，所以比较恰当的理解是“稀薄”。
*丰度：是指一种化学元素在某个自然体中的重量占这个自然体总重量的相对份额（如百分数）。
地壳中元素的相对丰度图片来源：zh.wik1pedia.org
怎样得到单一的稀土元素呢？
由于稀土家族中的17种元素之间的物理化学性十分相似，从含稀土矿物精矿中提取的稀土，还有许多伴生的杂质元素（铀、钍、铌、钛、锆、铁、钙、硅等），仍然是稀土的混合化合物。所以要得到单一的稀土元素，还需要进一步较为复杂的化学处理。
从三种含稀土矿物精矿中提取稀土的工艺路线 图片来源：Rare Earth Elements
在工业生产中，溶剂萃取法由于分离效果好、产能大等优点，逐渐成为分离大量稀土的主要方法。溶剂萃取法，简称萃取法，由有机相和水相相互混合，水相中要分离出的物质进入有机相后，再靠两相质量密度不同将两相分开。
溶剂萃取法示意图 图片来源：baike.asianmetal.cn
稀土资源分布在哪里？
早在1992年X在南巡时就曾提到：中东有石油，中国有稀土。全球共探明稀土储量1.2亿吨，我国稀土储量有4400万吨，约占全球储量的37%，且储量分布较为集中，主要集中在内蒙古、江西、广东、广西、四川等省。
国内稀土矿分布图 图片来源：《中国国土资源经济》
其中，分布在江西省的离子吸附型稀土矿床是我国独有的重稀土资源，重稀土铽(Tb)、镝(Dy)主要作为永磁体的添加剂，改进永磁体材料性能。
*根据稀土物理化学性质和分离工艺的不同，又分为轻稀土元素和重稀土元素。镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆等元素称为轻稀土元素；铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥和钇等元素称为重稀土元素。
江西省为什么能形成我国独有的离子型重稀土矿？
江西省气候属中X带温暖X季风气候，雨量丰沛，为形成离子型稀土矿创造了有利的地表条件。富含稀土矿物的花岗岩在这样的气候条件下遭受强烈风化，岩石中所含的稀土元素被析出并溶于地下水中，地下水在向下运移过程中，所携带的稀土元素被粘土矿物所吸附，从而使稀土元素重新富集，形成稀土矿床。
稀土有什么用途？
稀土在工业生产中有着“工业维生素”的美誉，在冶金工业、化工石油、玻璃陶瓷等传统工业领域广泛应用。上海大学董瀚教授团队将在建筑用钢中加入镧铈稀土，在成本基本不变的情况下，建筑材料的耐蚀性与强度增强，取得了更高的经济效益。同时稀土元素在农业中也被证明可以促进植物对养分的吸收，可以提高农作物的产量。
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Z |
化学符号 |
名称 |
应用范围 |
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21 |
Sc |
钪 |
铝钪合金（用于制造航天器械）、水银灯配件 |
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39 |
Y |
钇 |
钇铝石榴石（YAG）、YBCO高温超导体、钇铁石榴石（YIG） |
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57 |
La |
镧 |
高折射率玻璃、燧石、氢气储藏装置、电池电极、相机镜片、石油提炼液体催化过程（FCC）催化剂 |
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58 |
Ce |
铈 |
氧化剂、抛光粉、玻璃和瓷器的黄色染料、石油提炼液体催化过程（FCC）催化剂 |
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59 |
Pr |
镨 |
稀土磁铁、激光、玻璃和珐琅制品染料、燧石 |
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60 |
Nd |
钕 |
稀土磁铁、激光、玻璃和瓷器的紫色染料、陶瓷电容器 |
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61 |
Pm |
钷 |
核电池 |
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62 |
Sm |
钐 |
稀土磁铁、激光、中子捕获装置、激微波 |
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63 |
Eu |
铕 |
红色和蓝色的荧光粉、激光、水银灯部件 |
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64 |
Gd |
钆 |
稀土磁铁、高折射指数玻璃、石榴石、激光、X射线管、电脑内存、中子捕获装置 |
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65 |
T b |
铽 |
绿色荧光粉、激光、荧光灯 |
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66 |
Dy |
镝 |
稀土磁铁、激光 |
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67 |
Ho |
钬 |
激光 |
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68 |
Er |
铒 |
激光、钒钢 |
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69 |
Tm |
铥 |
便携式X射线机 |
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70 |
Y b |
镱 |
X线激光、还原剂 |
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71 |
Lu |
镥 |
高折射率玻璃 |
稀土元素的应用图片来源：X百科
我们在生活中所用到的白光LED灯，液晶电视中的背光源，变频空调中的变频驱动永磁电机，医院中的核磁共成像仪，电脑硬盘中驱动读写磁头移动的音圈电机等等都用到了稀土材料；在军工领域没有稀土更是万万不行的。
稀土永磁材料是目前稀土新材料中发展最快的一个，在国防军事领域稀土永磁体的作用尤为重要，不论是美国“爱国者”导弹系统中的行波管，还是我国长征3号甲运载火箭系统以及卫星天线展开系统，都采用了稀土永磁体材料。
稀土作为一种不可再生资源，在短期内不太可能有替代品。一旦稀土资源被消耗殆尽，我们的生活将受到巨大的影响。因此，如何开发和利用好我国的稀土资源，被认为是关系我国未来发展的重大课题之一。我们应大力发展稀土绿色开采和可持续发展应用技术，让这种宝贵的资源得到充分的利用。
参考资料：
1. 百度百科：稀土元素.
2.经济日报：《稀土为何如此稀罕》，2019年5月31日.
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5. 李建武,侯甦予.全球稀土资源分布及开发概况[J].中国国土资源经济,2012,25(05):25-27+55.
6.Royen, Hugo &Fortkamp, Uwe. (2016). Rare Earth Elements – Purification, Separation and Recycling.
7. 冯宗玉,黄小卫,王猛,张国成.典型稀土资源提取分离过程的绿色化学进展及趋势[J].稀有金属,2017,41(05):604-612
8. 央广网：《我国稀土采选分离技术全球领先》,2019年6月3日.
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10. 茅炜清,王绍武,陈耀峰.稀土元素在生产和生活中的应用[J].化学教育,2016,37(10):1-6.
*作者系上海大学材料加工工程专业硕士研究生
鸣谢：本文由上海大学刘腾轼老师提供科学指导
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