稀土由于它特殊的用途和重要性被人們廣為關(guān)注，大家經(jīng)常稱其為“工業(yè)維生素”或者“工業(yè)味精”，已被廣泛應(yīng)用于國防軍工、航空航天、特種材料、冶金、能源和農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域。據(jù)《中國制造2025》，我國未來著重發(fā)展的高端裝備制造、新能源、新材料產(chǎn)業(yè)、新能源汽車產(chǎn)業(yè)等重點制造領(lǐng)域都和稀土有密切的關(guān)系。稀土作為戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源也得到了國家的高度重視，2019年5月，習(xí)近平總書記在考察江西稀有金屬產(chǎn)業(yè)時就明確指出，稀土是我國重要的戰(zhàn)略資源，要加大科技創(chuàng)新的工作力度。
那么，什么是稀土呢？根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會的定義，元素周期表上第三副族的21號元素鈧（Sc）、39號元素釔（Y）和原子序數(shù)51到71的鑭系元素，這17種元素被統(tǒng)稱為稀土元素。不過由于钷元素（Pm）（音pǒ）是一個人造元素，在自然界中極為稀少，而鈧元素又通常劃歸于稀散元素，因此地球化學(xué)和礦產(chǎn)資源領(lǐng)域里面通常并不把鈧和钷當(dāng)做稀土元素來考慮。一般地，地球科學(xué)，特別是礦產(chǎn)資源領(lǐng)域稀土通常主要指的是除去钷和鈧的其它15個稀土元素。根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《稀土術(shù)語》（GB/T 15676-2015），這15個稀土元素因性質(zhì)不同，可以分為輕稀土、中稀土和重稀土三類。分別是鑭（La）（音lán）、鈰（Ce）（音shì）、鐠（Pr）（音pǔ）、釹（Nd）（音nǚ）四個輕稀土；釤（Sm）（音shān）、銪（Eu）（音yǒu）、釓（Gd）（音gá）三個中稀土；鋱（Tb）（音tè）、鏑（Dy）（音dī）、鈥（Ho）（音huǒ）、鉺（Er）（音ěr）、銩（Tm）（音diū）、鐿（Yb）（音yì）、镥（Lu）（音lǔ）、釔（Y）（音yǐ）八個重稀土。（圖1）
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圖1?Rare?earth element（REE）稀土介紹
稀土元素最早是1794年發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)的釔元素，而最后一個是在1947年發(fā)現(xiàn)的钷元素，稀土元素的發(fā)現(xiàn)前后歷經(jīng)153年。由于早期分析技術(shù)水平低，誤認(rèn)為它們在地殼中很稀少，另外它們一般發(fā)現(xiàn)于富集的風(fēng)化殼上，難以溶解，呈土狀，故名稀土，其實它們是一組金屬元素。實際上稀土并不稀少，REE的地殼豐度為0.017%，其中Ce、La、Nd的地球化學(xué)豐度比W、Sn、Mo、Pb還要高。稀土資源加工利用過程中，對稀土元素的利用以金屬態(tài)和氧化物態(tài)居多。金屬態(tài)主要應(yīng)用于合金、磁體等方面，氧化物態(tài)主要用于陶瓷玻璃、催化化工以及發(fā)光材料等方面（圖2）。以美國稀土元素的主要應(yīng)用為例：石油精煉、催化和化工方面占了62%，冶金占13%，玻璃陶瓷和拋光劑等9%，磁體7%，熒光劑3%，其他6%（圖3）。
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圖2?稀土資源利用
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圖3?美國稀土元素的主要應(yīng)用領(lǐng)域
稀土具有極高的經(jīng)濟(jì)價值和戰(zhàn)略價值。一方面，從資源價格上看，重稀土的市場價格遠(yuǎn)高于輕稀土和中稀土。如鋱和镥2021年4月份的價格分別達(dá)到了8450和5125元/公斤，而鑭、鈰等產(chǎn)量較大的輕稀土價格才幾元~十幾元/公斤（圖4）；另一方面，稀土在國防軍事高科技領(lǐng)域也有無可替代的作用。例如，美國弗吉尼亞級核動力潛艇每艘使用約9,200磅（4173公斤）稀土金屬、阿利伯克導(dǎo)彈驅(qū)逐艦需要大約5,200磅（2359公斤）稀土金屬、F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)需要約920磅（417公斤）的稀土金屬（圖5）。近些年，由于碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的設(shè)立，稀土材料在新能源領(lǐng)域有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。比如大家目前隨處可見的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，一個兩兆瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)平均就要用到半噸稀土。根據(jù)我國未來風(fēng)能規(guī)劃，到2030年風(fēng)力發(fā)電要達(dá)到8億千瓦，到2060年至少達(dá)到30億千瓦。2025年后，中國風(fēng)電年均新增裝機(jī)容量應(yīng)不低于6000萬千瓦。粗略估算風(fēng)力發(fā)電機(jī)用稀土需求至少3萬噸/年。同樣的，智能手機(jī)用到了幾乎全部的15種稀土元素，雖然每部智能手機(jī)平均用量約10~12克，2020年總產(chǎn)量約13億部計算，僅智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)就需要1.3~1.6萬噸稀土。汽車產(chǎn)業(yè)方面，一臺新能源電動小轎車至少用到十公斤稀土，據(jù)預(yù)測我國到2025年電動汽車產(chǎn)量可能就要達(dá)到500萬輛，稀土需求約5萬噸。可見未來社會對稀土的需求量是非常巨大的。
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圖4 近期稀土價格
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圖5?稀土在國防軍事高科技領(lǐng)域的應(yīng)用
人類社會發(fā)展需要稀土，但是作為不可再生資源，稀土資源儲量和供給情況如何呢？從全球稀土儲量和產(chǎn)量來看，我們國家稀土的資源量只占世界的38%（圖6），但近20年來，中國開采的稀土卻幾乎占了世界產(chǎn)量的絕大多數(shù)。從80年代中期，稀土資源進(jìn)入“中國時代”之后，我們國家的產(chǎn)量幾乎支撐了全球稀土消耗（圖7）。按照中國工業(yè)和信息化部的數(shù)據(jù)，中國2020年的稀土產(chǎn)量配額為14萬噸，其中北方白云鄂博輕稀土12.085萬噸，南方離子吸附型稀土1.915萬噸。我們國家稀土配額產(chǎn)量占全球總供給的比例超過了60%，與90年代占80-90%多相比，近年來稀土供給占比略有下降主要與我國稀土資源保護(hù)，避免資源過快消耗所制定的配額制度有一定關(guān)。當(dāng)然作為產(chǎn)業(yè)大國，我們自己的稀土用量也比較高，目前占到了世界消費量的一半以上。
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圖6?全球稀土礦產(chǎn)資源儲量
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圖7 全球稀土生產(chǎn)量及消費量
我們國家稀土資源主要分布在三大礦集區(qū)：一是白云鄂博，儲量約3500萬噸稀土氧化物；二是川西，約500萬噸；三是南方七省離子吸附型稀土，約1000萬噸。白云鄂博稀土礦占了我國稀土資源量的83%。前兩個地區(qū)主要富輕稀土，而南方離子吸附型稀土礦則相對富重稀土。目前已知的稀土礦物有250多種，可供利用的工業(yè)稀土礦物有50~60種，而具有實際開采價值的有~10種。目前實際開采的稀土礦物只有氟碳鈰礦、獨居石、磷釔礦，以及離子型稀土礦。我國最重要的兩大特色稀土資源基地，一個是內(nèi)蒙古自治區(qū)白云鄂博稀土礦，另一個是南方離子吸附型稀土礦。這兩種類型的稀土礦，地理位置上一南一北，在稀土配分類型上則是北輕南重。兩者相較，差異非常巨大。白云鄂博稀土礦位于我國內(nèi)蒙白云鄂博，意思是美麗的神山。白云鄂博總體礦區(qū)不大，但就在這十多平方公里范圍內(nèi)，卻蘊藏了約20億噸鐵礦石資源量，鈮資源量大于270萬噸，稀土氧化物儲量為3600萬噸，資源量超億噸，是世界上最大的稀土礦床。白云鄂博礦最早于1927年地質(zhì)學(xué)家丁道衡所發(fā)現(xiàn)，最一開始是做為鐵礦來開采，1935年何作霖先生發(fā)現(xiàn)這里面有兩種含稀土的礦物，一開始叫它們白云礦和鄂博礦，實際上后來證實白云礦就是氟碳鈰礦，而鄂博礦就是獨居石（磷鈰鑭礦）。白云鄂博礦里面有一百六七十種礦物，含稀土元素的不到一半，最重要的就是氟碳鈰礦和獨居石。白云鄂博稀土礦的加工生產(chǎn)流程主要是先破碎，選取精礦用酸法、堿法、或火法進(jìn)行提煉，在經(jīng)過不同的萃取方法，將這些混在在一起的元素分離開來，最后提供給產(chǎn)業(yè)部門應(yīng)用。我們國家的稀土產(chǎn)業(yè)鏈三大環(huán)節(jié)，原礦開采，冶煉分離和加工應(yīng)用是世界上最全面的，所以具有全產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢。這為確保我國稀土產(chǎn)業(yè)全球優(yōu)勢奠定了良好的基礎(chǔ)。我國另外一種重要的稀土礦類型就是廣泛分布于華南的離子吸附型稀土礦，具有儲量大、分布廣、中重稀土含量高和放射性元素含量低等特點，提供了全球95%的重稀土供給，其巨大的經(jīng)濟(jì)價值和戰(zhàn)略意義已引起了國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。離子吸附型稀土礦是地表巖石經(jīng)長期風(fēng)化，游離出來的稀土元素以離子吸附態(tài)在風(fēng)化殼礦中遷移富集而形成的一類獨特的稀土礦床，也稱風(fēng)化殼淋積型稀土礦床。和北方白云鄂博礦一兩個大礦體的礦床形式完全不同，離子型稀土礦是大面積數(shù)千公里范圍廣泛分布的，礦床分布北到浙江，南到海南，分布非常廣泛。
離子吸附型稀土礦床是我國科學(xué)家上世紀(jì)六十年代末在國際上首次發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)的一類新型礦床，是中國科技工作者對礦床學(xué)的一個具有原創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。世界上第一個離子型稀土礦——足洞礦區(qū)（701礦）是70年代初于贛南首次發(fā)現(xiàn)，隨即被確認(rèn)為是一種新型的礦床類型，此類礦床相繼在我國南方的粵、桂、閩等省份相繼發(fā)現(xiàn)。此類礦床礦體主要賦存于花崗巖風(fēng)化殼中，稀土大多呈可交換離子態(tài)，獨立稀土礦物較少。此類稀土礦通入銨離子溶液就可以很容易地把稀土離子交換出來，因此具有易開采、成本低的特點。
離子吸附型稀土礦中的稀土離子有多種賦存狀態(tài)，主要有①交換（離子吸附）態(tài)、②有機(jī)態(tài)、③碳酸鹽結(jié)合態(tài)、④氧化錳結(jié)合態(tài)、⑤非晶氧化鐵結(jié)合態(tài)、⑥晶形氧化鐵結(jié)合態(tài)、⑦殘渣態(tài)等，其中最主要的部分是可交換態(tài)，即稀土元素以水合陽離子形式吸附于黏土礦物等風(fēng)化殼礦物表面。近期最新的研究發(fā)現(xiàn)，除了黏土礦物之外，南方酸性紅壤中的鐵錳氧化物礦物，甚至微生物群落對南方離子型稀土的富集和分異也可能有重要影響。然而，在不同pH、Eh條件下，復(fù)雜的風(fēng)化殼表生環(huán)境，如地下水-黏土-巖石-微生物等多介質(zhì)多界面行為對離子吸附型稀土礦的形成有什么樣的影響，目前還有待深入研究。
稀土資源是我國重要的戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源，我們應(yīng)加大稀土的資源保障、高值利用和環(huán)境生態(tài)方面的研究，讓稀土能更好地為我們國家建設(shè)服務(wù)。
編輯：張凡
校對：馬微
審核：梁忠
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