从资源角度看“工业味精--稀土”

稀土由于它特殊的用途和重要性被人们广为关注，大家经常称其为“工业维生素”或者“工业味精”，已被广泛应用于国防军工、航空航天、特种材料、冶金、能源和农业等诸多领域。据《中国制造2025》，我国未来着重发展的高端装备制造、新能源、新材料产业、新能源汽车产业等重点制造领域都和稀土有密切的关系。稀土作为战略性矿产资源也得到了国家的高度重视，2019年5月，习近平总书记在考察江西稀有金属产业时就明确指出，稀土是我国重要的战略资源，要加大科技创新的工作力度。

那么，什么是稀土呢？根据国际纯粹与应用化学联合会的定义，元素周期表上第三副族的21号元素钪（Sc）、39号元素钇（Y）和原子序数51到71的镧系元素，这17种元素被统称为稀土元素。不过由于钷元素（Pm）（音pǒ）是一个人造元素，在自然界中极为稀少，而钪元素又通常划归于稀散元素，因此地球化学和矿产资源领域里面通常并不把钪和钷当做稀土元素来考虑。一般地，地球科学，特别是矿产资源领域稀土通常主要指的是除去钷和钪的其它15个稀土元素。根据中华人民共和国国家标准《稀土术语》（GB/T 15676-2015），这15个稀土元素因性质不同，可以分为轻稀土、中稀土和重稀土三类。分别是镧（La）（音lán）、铈（Ce）（音shì）、镨（Pr）（音pǔ）、钕（Nd）（音nǚ）四个轻稀土；钐（Sm）（音shān）、铕（Eu）（音yǒu）、钆（Gd）（音gá）三个中稀土；铽（Tb）（音tè）、镝（Dy）（音dī）、钬（Ho）（音huǒ）、铒（Er）（音ěr）、铥（Tm）（音diū）、镱（Yb）（音yì）、镥（Lu）（音lǔ）、钇（Y）（音yǐ）八个重稀土。（图1）

图1 Rare earth element（REE）稀土介绍

稀土元素最早是1794年发现并确认的钇元素，而最后一个是在1947年发现的钷元素，稀土元素的发现前后历经153年。由于早期分析技术水平低，误认为它们在地壳中很稀少，另外它们一般发现于富集的风化壳上，难以溶解，呈土状，故名稀土，其实它们是一组金属元素。实际上稀土并不稀少，REE的地壳丰度为0.017%，其中Ce、La、Nd的地球化学丰度比W、Sn、Mo、Pb还要高。稀土资源加工利用过程中，对稀土元素的利用以金属态和氧化物态居多。金属态主要应用于合金、磁体等方面，氧化物态主要用于陶瓷玻璃、催化化工以及发光材料等方面（图2）。以美国稀土元素的主要应用为例：石油精炼、催化和化工方面占了62%，冶金占13%，玻璃陶瓷和抛光剂等9%，磁体7%，荧光剂3%，其他6%（图3）。

图2 稀土资源利用

图3 美国稀土元素的主要应用领域 

稀土具有极高的经济价值和战略价值。一方面，从资源价格上看，重稀土的市场价格远高于轻稀土和中稀土。如铽和镥2021年4月份的价格分别达到了8450和5125元/公斤，而镧、铈等产量较大的轻稀土价格才几元~十几元/公斤（图4）；另一方面，稀土在国防军事高科技领域也有无可替代的作用。例如，美国弗吉尼亚级核动力潜艇每艘使用约9,200磅（4173公斤）稀土金属、阿利伯克导弹驱逐舰需要大约5,200磅（2359公斤）稀土金属、F-35联合攻击战斗机需要约920磅（417公斤）的稀土金属（图5）。近些年，由于碳达峰碳中和目标的设立，稀土材料在新能源领域有了突飞猛进的发展。比如大家目前随处可见的风力发电机，一个两兆瓦的风力发电机平均就要用到半吨稀土。根据我国未来风能规划，到2030年风力发电要达到8亿千瓦，到2060年至少达到30亿千瓦。2025年后，中国风电年均新增装机容量应不低于6000万千瓦。粗略估算风力发电机用稀土需求至少3万吨/年。同样的，智能手机用到了几乎全部的15种稀土元素，虽然每部智能手机平均用量约10~12克，2020年总产量约13亿部计算，仅智能手机产业就需要1.3~1.6万吨稀土。汽车产业方面，一台新能源电动小轿车至少用到十公斤稀土，据预测我国到2025年电动汽车产量可能就要达到500万辆，稀土需求约5万吨。可见未来社会对稀土的需求量是非常巨大的。

图4 近期稀土价格

图5 稀土在国防军事高科技领域的应用

人类社会发展需要稀土，但是作为不可再生资源，稀土资源储量和供给情况如何呢？从全球稀土储量和产量来看，我们国家稀土的资源量只占世界的38%（图6），但近20年来，中国开采的稀土却几乎占了世界产量的绝大多数。从80年代中期，稀土资源进入“中国时代”之后，我们国家的产量几乎支撑了全球稀土消耗（图7）。按照中国工业和信息化部的数据，中国2020年的稀土产量配额为14万吨，其中北方白云鄂博轻稀土12.085万吨，南方离子吸附型稀土1.915万吨。我们国家稀土配额产量占全球总供给的比例超过了60%，与90年代占80-90%多相比，近年来稀土供给占比略有下降主要与我国稀土资源保护，避免资源过快消耗所制定的配额制度有一定关。当然作为产业大国，我们自己的稀土用量也比较高，目前占到了世界消费量的一半以上。

图6 全球稀土矿产资源储量

图7 全球稀土生产量及消费量

我们国家稀土资源主要分布在三大矿集区：一是白云鄂博，储量约3500万吨稀土氧化物；二是川西，约500万吨；三是南方七省离子吸附型稀土，约1000万吨。白云鄂博稀土矿占了我国稀土资源量的83%（图8）。前两个地区主要富轻稀土，而南方离子吸附型稀土矿则相对富重稀土。

图8 我国稀土资源目前的分布情况

目前已知的稀土矿物有250多种，可供利用的工业稀土矿物有50~60种，而具有实际开采价值的有~10种。目前实际开采的稀土矿物只有氟碳铈矿、独居石、磷钇矿，以及离子型稀土矿。我国最重要的两大特色稀土资源基地，一个是内蒙古自治区白云鄂博稀土矿，另一个是南方离子吸附型稀土矿（图9）。这两种类型的稀土矿，地理位置上一南一北，在稀土配分类型上则是北轻南重。两者相较，差异非常巨大。

图9 我国最重要的两大特色稀土资源基地分布图 

白云鄂博稀土矿位于我国内蒙白云鄂博（图10），意思是美丽的神山。白云鄂博总体矿区不大，但就在这十多平方公里范围内，却蕴藏了约20亿吨铁矿石资源量，铌资源量大于270万吨，稀土氧化物储量为3600万吨，资源量超亿吨，是世界上最大的稀土矿床。白云鄂博矿最早于1927年地质学家丁道衡所发现，最一开始是做为铁矿来开采，1935年何作霖先生发现这里面有两种含稀土的矿物，一开始叫它们白云矿和鄂博矿，实际上后来证实白云矿就是氟碳铈矿，而鄂博矿就是独居石（磷铈镧矿）。白云鄂博矿里面有一百六七十种矿物，含稀土元素的不到一半，最重要的就是氟碳铈矿和独居石。白云鄂博稀土矿的加工生产流程主要是先破碎，选取精矿用酸法、碱法、或火法进行提炼，在经过不同的萃取方法，将这些混在在一起的元素分离开来，最后提供给产业部门应用（图11）。我们国家的稀土产业链三大环节，原矿开采，冶炼分离和加工应用是世界上最全面的，所以具有全产业链的优势。这为确保我国稀土产业全球优势奠定了良好的基础。

图10 白云鄂博矿区图

图11 白云鄂博稀土矿工业生产流程

我国另外一种重要的稀土矿类型就是广泛分布于华南的离子吸附型稀土矿（图12），具有储量大、分布广、中重稀土含量高和放射性元素含量低等特点，提供了全球95%的重稀土供给，其巨大的经济价值和战略意义已引起了国内外学者的高度关注。

离子吸附型稀土矿是地表岩石经长期风化，游离出来的稀土元素以离子吸附态在风化壳矿中迁移富集而形成的一类独特的稀土矿床，也称风化壳淋积型稀土矿床。和北方白云鄂博矿一两个大矿体的矿床形式完全不同，离子型稀土矿是大面积数千公里范围广泛分布的，矿床分布北到浙江，南到海南，分布非常广泛。

图12 广泛分布于我国华南的离子吸附型稀土矿

离子吸附型稀土矿床是我国科学家上世纪六十年代末在国际上首次发现并确认的一类新型矿床，是中国科技工作者对矿床学的一个具有原创性的贡献。世界上第一个离子型稀土矿——足洞矿区（701矿）是70年代初于赣南首次发现，随即被确认为是一种新型的矿床类型，此类矿床相继在我国南方的粤、桂、闽等省份相继发现。此类矿床矿体主要赋存于花岗岩风化壳中，稀土大多呈可交换离子态，独立稀土矿物较少。此类稀土矿通入铵离子溶液就可以很容易地把稀土离子交换出来，因此具有易开采、成本低的特点。

离子吸附型稀土矿中的稀土离子有多种赋存状态，主要有①交换（离子吸附）态、②有机态、③碳酸盐结合态、④氧化锰结合态、⑤非晶氧化铁结合态、⑥晶形氧化铁结合态、⑦残渣态等，其中最主要的部分是可交换态，即稀土元素以水合阳离子形式吸附于黏土矿物等风化壳矿物表面。近期最新的研究发现，除了黏土矿物之外，南方酸性红壤中的铁锰氧化物矿物，甚至微生物群落对南方离子型稀土的富集和分异也可能有重要影响。然而，在不同pH、Eh条件下，复杂的风化壳表生环境，如地下水-黏土-岩石-微生物等多介质多界面行为对离子吸附型稀土矿的形成有什么样的影响，目前还有待深入研究（图13）。

图13 风化壳复杂环境对离子吸附型稀土的影响

稀土资源是我国重要的战略矿产资源，我们应加大稀土的资源保障、高值利用和环境生态方面的研究，让稀土能更好地为我们国家建设服务。

▲感谢文中所引用的一些图表数据的作者，因篇幅关系没有一一列出，在此一并致谢。

作者简介：朱建喜，现任中国科学院广州地球化学研究所研究员，主要从事矿物表界面物理化学和黏土矿物学研究；主持国家杰出青年基金项目（2018），国家自然科学基金委创新研究群体项目主要成员；担任Clays and Clay Minerals和《地球化学》副主编。其研究领域涉及黏土矿物学、表面矿物学、纳米矿物学、环境矿物学。近期主要研究方向有：（1）成矿过程中的矿物学微观机制；（2）矿物表-界面反应性；（3）稀土元素与稀土矿物。