گروه معادن
>ساير حوزه ها
- کانه‌ها و فراوانی عناصر نادر خاکی، در کانی‌های گوناگون به شکل کربونات‌ها، اکسیدها، فسفات‌ها و سیلیسیدها وجود دارند.
به گزارش ماین نیوز، هر چند کانی‌های نادر خاکی در سراسر دنیا پراکنده‌اند، اما تعدادی از کشورها دربرگیرنده معادن متمرکزی از این عناصر هستند. در اغلب موارد، کانی‌های نادر خاکی فقط به‌عنوان محصولات جانبی بهره‌برداری می‌شوند. البته معادنی نیز وجود دارند که در آنها بهره‌برداری عناصر نادر خاکی به‌عنوان محصول اصلی امکان‌پذیر است. به گزارش ایمیدرو، با وجود اینکه هر یک از کانی‌های نادر خاکی به طور معمول حاوی تمامی عناصر است، اما درصد این عناصر در کانی یکسان نیست.
برخی از عناصر با درصد بیشتری در کانی وجود دارند و برخی دیگر با درصد ناچیزی یافت می‌شوند. کانی‌های موجود در نقاط مختلف دنیا نیز انواع بسیار متنوعی دارند. اصلی‌ترین معدن نادر خاکی دنیا حاوی غلظت زیادی از عناصر با عدد اتمی کم بوده و درصد بسیار کمی از عناصر با عدد اتمی بالا دارد. دومین معدن بزرگ عناصر نادر خاکی نیز به‌طور تقریبی از همین رویه پیروی می‌کند و همین امر باعث شده فراوانی عناصر با عدد اتمی کم بیشتر از عناصر با عدد اتمی بالا باشد. چین با در اختیار داشتن ۵۵میلیون تن ذخایر نادر خاکی و استخراج ۹۵۰۰۰ تن در سال ۲۰۱۴م در صدر جدول تولیدکنندگان عناصر نادر خاکی جهان قرار دارد. منابع معدنی عناصر نادر خاکی در ایالات متحده، ۱/۸۰۰/۰۰۰ تن برآورد شده است. یکی از مهم‌ترین منابع عناصر نادر خاکی در معدن کوهستان مونتن پاس ایالت کالیفورنیا قرار دارد که ظرفیت استخراج کانی فلوروکربونیتی باستنازیت در آن به ۷۰۰۰ تن در سال ۲۰۱۴م رسیده است. مونازیت به عنوان دومین کانی اصلی در معادن سنگین کنار دریا یافت می‌شود و استحصال آن با استحصال روتیل، ایلمنیت و زیرکن در استرالیا، برزیل، هند و ایالات متحده و با استحصال کانی کاسیتریت در اندونزی، مالزی، تایلند و نیجریه ارتباط نزدیک دارد.
این امر نشانگر این است که میزان استحصال مونازیت به درصد تقاضا برای کانی اصلی در این معادن بستگی دارد. منابع اصلی کانی مونازیت با درصد بالای توریوم در معادن برزیل و افریقای جنوبی موجود است. کانی‌های گروه سوم نیز با هدف استخراج عناصر Nb، Ta و U مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند.
استحصال عناصر نادر خاکی
انواع بسیار گوناگونی از کانی‌های نادر خاکی در طبیعت وجود دارند و کانی‌هایی که به‌عنوان منابع استحصال مدنظر قرار دارند بیش از ۱۲ گونه‌اند. اما در عمل، بیشتر عملیات استحصال روی دو نوع کانی مونازیت و باستنازیت انجام می‌شود. همانطور که پیش‌تر گفته شد، تمام فلزات نادر خاکی، به دلیل شباهت در خواص شیمیایی، با هم در کانی‌ها یافت می‌شوند و به همین علت نیز جدایش آنها از هم دشوار است. به علاوه، نحوه وجود و پراکندگی کانی‌های نادر خاکی به گونه‌ای است که به‌عنوان محصول دوم و غیراصلی استخراج می‌شوند. بنابراین، به جز معدن باستنازیت در کوهستان مونتن پاس، استخراج این کانی‌ها از معادن دیگر به استخراج محصول اصلی وابسته است. فرآوری شیمیایی بعد از بهره‌برداری فیزیکی به‌طور معمول شامل عملیات هیدرومتالورژیکی و گاهی نیز پیرومتالورژیکی است. چنانچه جدایش هیدرومتالورژیکی برای جداسازی عناصر از هم لازم باشد، روش‌های هیدرومتالورژیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
قابلیت رسوب‌دهی و تفاوت‌های سیستماتیک در میزان بازی بودن این عناصر به منظور جداسازی شیمیایی آنها به‌کار گرفته شده است. توسعه روش‌های تبادل یونی و استحصال مایع- مایع این امکان را فراهم آورده تا از تفاوت‌های شیمیایی میان عناصر نادر خاکی برای جداسازی موثر آنها از هم نهایت استفاده به عمل آید. در ادامه، مراحل تولید فلزات نادر خاکی شامل استخراج کانی، فرآوری فیزیکی و روش‌های شیمیایی در تولید مخلوط‌های اکسیدی نادر خاکی معرفی خواهند شد و در پایان، به دشوارترین و کلیدی‌ترین مرحله در متالورژی استخراج فلزات نادر خاکی یا همان جدایش و تفکیک عناصر از یکدیگر پرداخته می‌شود.
کاربردهای عناصر نادر خاکی
کاربرد عناصر نادر خاکی در فناوری مدرن رو به توسعه است. نخستین کاربرد این عناصر به تولید روشنایی بازمی‌گردد. درحال‌حاضر، عناصر نادر خاکی کاربرد گسترده‌ای به‌عنوان آلیاژهای متالورژیکی دارند. این عناصر به‌صورت آلیاژی یا سیلیسیدی به آهن داکتیل اضافه می‌شوند تا عناصری که مانع رشد کروی گرافیت در آهن می‌شوند از آهن جدا شوند. افزودن عناصر نادر خاکی به فولاد باعث خروج گوگرد از فولاد شده و ترکیبات پایداری به شکل آخال‌های کروی تشکیل می‌دهند که داکتیلیته فولاد را به میزان قابل ملاحظه‌ای افزایش داده و از تشکیل سولفید آهن و در نتیجه شکنندگی فولاد جلوگیری می‌کند. سوپرآلیاژها موادی با مقاومت بسیار بالا در محیط‌های اکسیدکننده دمای بالا هستند که در موتورهای توربین بادی، ژنراتورهای الکتریکی، لوله اگزوز موتور جت، مخزن‌های واکنش و کاربردهایی از این قبیل که نیازمند مقاومت بالا در برابر دما و اکسیداسیون هستند، به‌کار می‌روند. عناصر نادر خاکی به منظور بهبود مقاومت به اکسیداسیون به سوپرآلیاژها اضافه می‌شوند. افزودن عناصر نادر خاکی به آلیاژهای منیزیم همراه با درصدی زیرکونیوم، مقاومت خزشی در دمای بالا را افزایش می‌دهد. یکی از آلیاژهای منیزیم مورد استفاده در موتورهای هواپیما، موشک‌های فضایی و ماهواره‌ها حاوی میش متال (misch metal) و روی است که می‌توان از آن برای کاربردهای تا دمای ۱۶۰ درجه سانتی‌گراد استفاده کرد. افزودن ایتریوم به آلیاژ آلومینیوم همراه با زیرکونیوم، هدایت خطوط انتقال را افزایش می‌دهد و استحکام کششی، مقاومت حرارتی، مقاومت لرزشی، مقاومت به خوردگی و قابلیت اکستروژن را بهبود می‌بخشد. افزودن اسکاندیوم به آلومینیوم سبب افزایش استحکام تسلیم آن می‌شود. حضور عناصر نادر خاکی در کامپوزیت آلومینیوم-کربن نیز در بهبود استحکام کششی آن موثر است. درصد کمی ایتریوم در آلیاژهای تیتانیم سبب بهبود داکتیلیته و آسان‌سازی تولید آلیاژهای ذوب‌شده با کوره قوس القایی می‌شود. افزایش استحکام، عمر پارگی تنشی و مقاومت خزشی از مزایای میکروآلیاژسازی انواع آلیاژهای تیتانیم با عناصر نادر خاکی است. افزودن میش متال یا ایتریوم به مس عاری از اکسیژن و با هدایت بالا، مقاومت به اکسیداسیون مس را افزایش می‌دهد، بدون اینکه تاثیر مخربی بر هدایت الکتریکی آن داشته باشد.
به طور نمونه، مقاومت الکتریکی مس در ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد با افزودن ۱درصد وزنی ایتریوم به حدود دو برابر افزایش می‌یابد. آلیاژی از روی، حاوی ۵ درصد آلومینیوم و ۰/۰۵درصد میش متال - که در حمام‌های گالوانیزه مورد استفاده قرار می‌گیرد - مقاومت به خوردگی و نفوذپذیری را در سیم‌ها و ورق‌های فولادی گالوانیزه شده افزایش می‌دهد. به علاوه، گالوانیزاسیون سیم‌ها و ورق‌های فولادی با این آلیاژ، مقاومت به خوردگی و نفوذپذیری را نسبت به قطعات گالوانیزه شده استاندارد با ضخامت پوشش مشابه، افزایش می‌دهد. اکسیدهای نادر خاکی، مانند Y۲O۳ وCeO۲ پایداری حرارتی بالایی دارند و افزودن این اکسیدها به آلیاژها می‌تواند خواص مطلوبی ازجمله مقاومت به دمای بالا، مقاومت خزشی و مقاومت به اکسیداسیون سیکلی در آلیاژ ایجاد کند. آلیاژسازی مکانیکی روش مناسبی برای افزودن اکسید ایتریوم به آلیاژهای نیکل-کروم و آهن-کروم بوده و پودر آلیاژی نیز به کمک روش‌های متالورژی پودر قابل تولید است. آلیاژهای به‌دست آمده از دسته مواد دما بالا با استحکام زیاد بوده و در پره توربین‌های گازی، محفظه احتراق و... کاربرد دارند. آلیاژهای آهنی دربرگیرنده عناصر نادر خاکی، مانندTb، Sm و Dy، تحت تاثیر میدان مغناطیسی تغییر شکل می‌دهند و بر عکس، با اعمال تنش، پالس مغناطیسی تولید می‌کنند. آلیاژ Tb۰. ۳Dy۰. ۷Fe۱. ۹ که به نام ترفنول دی (Trefnol-D) نیز شناخته می‌شود، خواصی حدود ۱۰۰ برابر نیکل دارد. تغییر ابعاد آنی این آلیاژ با اعمال میدان مغناطیسی سبب شده که این ماده در کاربردهای متنوعی ازجمله مبدل‌های پیشرفته، عملگرهای با توان بالا، دستگاه‌های صوتی، دستگاه‌های ردیاب با باند بالا، سوپاپ‌های کنترل مایعات و میکروپمپ‌ها مورد استفاده قرار گیرد. عناصر نادر خاکی در طیف وسیعی از صنایع نوری شامل ساخت، رنگ‌دهی و پولیش شیشه، جذب نور فرابنفش در عینک‌های محافظ، لنز دوربین و سایر لنزها، لیزر، فیبرهای نوری، فسفرها و لامپ‌های فلورسنت به‌کار برده می‌شوند. ترکیبات دوپ شده با عناصر نادر خاکی در تلویزیون‌های پنل مسطح کاربرد گسترده‌ای دارند. یکی از مهم‌ترین کاربردهای عناصر نادر خاکی در صنایع، انرژی هسته‌ای است. اکسید گادولینیوم (Gd) در رآکتورهای آب‌جوش برای یکنواخت‌سازی فلاکس نوترون مورد استفاده قرار می‌گیرد. قدرت جذب بالای نوترون در Gd، Eu، Sm و Dy علت اصلی کاربرد این عناصر در رآکتورهای هسته‌ای است. کریستال‌های دوپ شده با دیسپوریوم برای کنترل شدت پرتوهای گاما یا نوترون استفاده می‌شود.
سایر کاربردهای فلزات نادر خاکی شامل آهنرباهای دائمی، خنک‌کننده‌های مغناطیسی (تا دمای K۴)، ذخیره اطلاعات با تراکم بالا، تسهیل‌کننده فرآیند زینتر در متالورژی پودر، قطعات الکترونیکی، لیزرهای حالت جامد، محلول‌های اچ‌کننده در صنایع تولید دستگاه‌های الکترونیکی، کاتالیست در تصفیه نفت و واکنش‌های شیمیایی (مانند تبدیل هیدروکربن‌ها، مونوکسید کربن و اکسیدهای نیتروژن تولید شده در اتومبیل‌ها به آب، دی‌اکسید کربن و نیتروژن)، جذب و ذخیره هیدروژن در سیستم‌های انرژی هیدروژنی، سوپرهادی‌ها و... هستند.
اقدامات جدید در حوزه عناصر نادر خاکی
ایران نیز تلاش می‌کند از ذخایر عناصر نادر خاکی موجود در کشور بهره‌برداری کند. سرپرست مرکز تحقیقات فرآوری مواد معدنی ایران در این‌باره می‌گوید: یکی از کارشناسان حرفه‌ای عناصر نادر خاکی فنلاند با این هیات به ایران آمده است. غلامرضا ملاطاهری اظهار کرد: ایران در زمینه عناصر نادر خاکی تازه‌کار است و نزدیک ۲ سال است اکتشاف و فرآوری آن را به‌طور جدی شروع کرده است. در نتیجه می‌توان از تجربه کشورهای اروپایی که در این زمینه فعال بودند استفاده کرد و می‌تواند نقطه شروع همکاری ما باشد. وی در ادامه تصریح کرد: در حوزه عناصر نادر خاکی محدوده جدیدی را برای اکتشاف باز کرده‌ایم. پیش‌تر تنها در حوزه ایران مرکزی فعال بودیم اما درحال‌حاضر وارد حوزه شمال شرق ایران شده و در منطقه سنگان فعالیت‌های وسیعی را شروع کرده‌ایم. خوشبختانه به ظرفیت‌های خوبی در این منطقه دست پیدا کرده‌ایم. در نظر داریم در سال ۹۶ اکتشافات را در مقیاس پی‌جویی و عمومی در محدوده سنگان، تکمیل و مطالعات فرآوری را از نمونه‌های جدیدی که از سنگان به‌دست می‌آید در مقیاس آزمایشگاهی شروع کنیم.
تاریخ انتشار : پنجشنبه ۱۷ فروردين ۱۳۹۶ ساعت ۱۶:۰۳
کد مطلب: 36997
ساير حوزه ها
