稀土元素是什麼？稀土元素開採和分析指南

稀土元素（REEs）是許多尖端科技的基石，這些科技承諾讓我們的世界變得更聰明且更可持續。然而，由於開採和加工的挑戰，滿足稀土日益增長的需求並不容易。

在這篇博客中，我們將介紹稀土元素是什麼，為什麼它們的作用越來越重要，以及採礦公司如何使用尖端的元素分析技術來克服稀土元素開採的挑戰。

關鍵事實

• 稀土元素，又稱為“稀土金屬”或“稀土”，是由十五種鑭系元素，加上鈧和釔，共十七種金屬元素組成。
• 稀土元素在數量上並不稀少，但被稱為“稀少”是因為它們從礦石中提取的難度，這導致世界範圍內的稀土礦山供應短缺。
• 全面且準確的元素分析，如高功率X射線熒光（XRF）分析，可以幫助稀土元素的勘探、提取和加工。

什麼是稀土元素？

稀土元素，有時也稱為“稀土金屬”或“稀土”，是由十五種鑭系元素，加上鈧和釔，共十七種金屬元素組成。

它們構成了許多高科技設備（如智慧型手機和電動車（EV）電動機和電池）的必要部分，使得它們越來越寶貴，尤其是在多個國家致力於能源轉型時。然而，開採和加工稀土元素的挑戰意味著，只有少數國家擁有滿足這種需求所需的基礎設施。

週期表中的稀土元素

大多數稀土元素出現在週期表中的58–71號元素中。只有鑭（La）、釔（Y）和鈧（Sc）不在這一行。

為什麼稀土元素被稱為“稀少”？

稀土元素實際上並不是由於自然界的稀缺而“稀少”。事實上，它們的豐度大致與銅和鋅等金屬相當。但它們被稱為“稀土”的原因有幾個：

1. 低濃度。 雖然它們相對豐富，但是稀土元素通常不以高濃度出現。這使得採礦過程效率低下，因為需要大量能量來提取相對較少量的稀土元素。
2. 高化學穩定性。 稀土金屬也很難提取，因為它們具有非常高的化學穩定性，意味著需要高強度的處理以將金屬從礦石中分離出來。
3. 加工過程中的危險。 高強度加工的需要，再加上稀土元素自身的潛在危險性，意味著在稀土元素開採中存在許多安全隱患。
4. 基礎設施缺乏。 這些挑戰意味著世界上能夠大規模提取稀土元素的地方很少。

為什麼稀土元素現在如此重要？

稀土元素現在如此重要，因為它們是許多對於能源轉型至關重要的技術製造的核心。

國際能源署預測，在低碳能源和電動車的生產中，對於釹的需求可能會從2020年的4,900噸大幅增加到2040年的37,700噸，增長超過600%。

其他稀土也對可持續科技很重要。例如：

• 風力渦輪機通常使用含有稀土元素的磁鐵，如釹、鐠、鎝和鏑。
• 電動車電動機使用釹和釤，有時還使用鏑和鐠。
• 太陽能電池板有時利用鐠和鋈來提高薄膜太陽能電池的效率和耐用性。

世界上的稀土元素可以在哪裡找到？

世界上大多數稀土元素來自中國。該國估計擁有4400萬噸的稀土金屬儲量，這是全球總儲量的約38%，比任何其他國家都多。2024年，中國也是全球最大的稀土元素生產國，負責近70%的全球稀土生產。

這一主導地位不僅得益於中國豐富的自然資源，還得益於低廉的勞動成本、政府補貼和更寬鬆的環境政策，這些都抵消了提取和加工稀土金屬相關的成本。

這些成本歷來阻止了其他國家充分利用其稀土元素儲量。例如，雖然越南和巴西擁有第二和第三大稀土金屬儲量，分別為2200萬噸和2100萬噸，但它們每年各自僅生產約1000噸稀土。

世界各地的政府機構現在努力減少對中國稀土元素的依賴，加速本地稀土元素開採項目。美國和歐盟就是兩個例子。

稀土元素有什麼用途？

稀土元素被用於許多高科技設備的生產，特別是電動車電動機和海上風力渦輪機的磁鐵。它們還被用於其他應用領域，以下是稀土元素應用的完整摘要。

稀土元素開採過程中的分析挑戰

有效的元素特徵識別對於稀土元素的開採至關重要。在勘探、提取或加工過程中，了解存在哪些元素以及它們的數量對於優化操作和確保最終產品的質量至關重要。

在分析稀土元素時會出現一些關鍵挑戰：

1. 地質多樣性。稀土元素存在於各種地質環境中——例如，在印度喀拉拉邦的海灘沙堆中或像中國廣西的粘土沈積物中找到稀土元素。這意味著沒有一個適用於所有稀土金屬開採的分析流程或工作流程。
2. 元素相似性。大多數稀土元素的化學性質非常相似；它們常常一起出現並且通常濃度很低。這使得使用如傳統XRF等技術分析它們有挑戰，因為譜重疊可能會遮掩結果。因此，需要高功率XRF來達到清晰的分析。
3. 對操作員的安全風險。強大的分析有時會對操作人員的健康和安全造成風險——例如在感應耦合等離子體（ICP）分析中——而元素本身通常是放射性，對操作人員安全構成進一步風險。
4. 長的反饋循環。稀土元素特徵化所需的複雜性和廣泛的基礎設施意味著分析方法通常耗時且在開採地點之外進行，延長了過程監測和優化的反饋循環。

但是，有一些儀器可以克服這些挑戰。

稀土金屬開採的分析方法

稀土元素開採的每個階段都有不同的分析需求。以下是稀土金屬專業人士在每個過程階段應考慮的分析技術和儀器。

稀土元素勘探

便攜性是稀土元素勘探過程中元素分析的一個關鍵因素，有助於調查各種地質現場。

然而，常規便攜式XRF儀器通常有50kV的最大X射線管電壓。這意味著雖然這些儀器可以測量輕稀土，但由於不充足的激發和與鐵、鎳等常見金屬的譜重疊，它們在實際測量重稀土元素時會遇到困難。

SciAps的PowerHouse幫助克服這些障礙。專為稀土元素勘探設計，PowerHouse提供：

• 一個80kV的小型X射線管
• 測量輕、重稀土元素及先導元素的能力
• 測量25種其他對開採和勘探重要的元素
• 雲連接及兩個攝像頭
• 超過6小時的電池壽命
• 對操作員的安全和直觀的界面

這幫助你在勘探過程中縮短反饋循環，允許你在現場分析礦藏，而無需等待來自實驗室的結果。

詳情請見SciAps PowerHouse 這裡。

稀土元素提取

在提取階段，對於開採操作員來說，對礦石含量有大致的了解以調整工藝步驟或在必要時調整原料混合的含量非常重要。

在線分析在這裡是關鍵。雖然它不提供實驗室方法的精確度，但它提供即時見解，能幫助操作員在過程流中檢測礦石趨勢，從而幫助他們調整加工技術。

強有力的候選者包括CNA Pentos 或 CNA³ 橫帶分析儀，提供：

• 有效的脈衝快和熱中子激活（PFTNA）分析
• 對原材料體積的高頻分析
• 在過程線上不需要操作員接近潛在危險材料的礦石見解
• 自動化的輻射保護系統（ARPS）以保護工人

了解更多關於 CNA範圍這裡。

稀土元素加工

最後，稀土礦石需要重加工以分離和提純其組成部分。有效和頻繁甚至實時的分析可以幫助優化這些過程並降低成本，幫助擴大稀土元素礦山的利潤率。以下是你值得考慮的三種分析方法：

1. Epsilon Xflow。Epsilon Xflow是一種在線能量色散XRF（EDXRF）分析儀，專為液體的實時元素分析而設計。對於稀土加工而言，它提供了顯著的優勢，例如，連續監控用於浸出稀土元素的溶液。這幫助你優化試劑，最大限度地降低成本和環境影響。
2. Zetium。我們的Zetium波長色散XRF（WDXRF）儀器能夠對固體樣品進行高精度和可重複的多元素分析。在個別稀土濃縮物和氧化物的最終質量控制中這很有用，幫助你確保它們符合純度規格和客戶需求。然而，它不適用於每一個稀土元素。
3. Aeris。我們的緊湊X射線衍射（XRD）系統在選礦過程中特別有用，有助於操作員監控化學浸出和浮選等過程中礦物學的變化。

稀土元素開採分析方法：總結表格

有急事？以下是稀土元素開採分析方法的快速摘要。

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稀土元素的需求正在增加。隨著能源轉型和技術發展以驚人的速度不斷推進，全球各國正在加大對稀土金屬開採的壓力。

為了跟上這一需求，開採稀土的專業人士需要精確的工具來幫助他們分析材料並優化過程。在Malvern Panalytical，我們擁有所需的專業知識和廣泛的產品組合，不僅能夠提升您的工藝流程，還能為您的稀土元素提取現場創建定制的開採解決方案。

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