عناصر کمیاب امروزه به‌خاطر استفاده در تکنولوژی مدرن و حتی تسلیحات نظامی پیشرفته به مسئله استراتژیکی تبدیل شده‌اند. این موضوع با درنظرگرفتن تکنولوژی لازم برای استخراج و گسترش محدوده زمین‌شناسی آنها، بسیار پیچیده است. در این محتوا تلاش کرده‌ایم تا اهمیت عناصر کمیاب، تفاوت عناصر کمیاب با استراتژیک، فهرست عناصر و محل اکتشاف آنها، کاربرد آنها و تأثیر استخراج عناصر کمیاب بر محیط‌زیست بپردازیم. بیش از ده‌هزار نوع ماده معدنی در روی زمین وجود دارد. بااین‌وجود توسعه مداوم و سریع انرژی‌های تجدیدپذیر و فناوریهای دیجیتال از دهه ۱۹۹۰، نیاز روزافزونی به فلزات متعددی را ایجاد می‌نماید. بسیاری از آنها در طبیعت کمیاب هستند یا در مقادیر کم وجود دارند. اطمینان از دردسترس‌بودن عناصر کمیاب موضوع مهمی است. اگر قرار باشد این عناصر تمام شوند، بخش‌هایی مانند لوازم الکترونیکی مصرفی، تلفن، وسایل نقلیه الکتریکی، پردازش سوخت، انرژی باد با مشکل مواجه می‌شوند.
در این مطلب موضوعات زیر را مطالعه خواهید کرد:
لیست عناصر کمیاب
عناصر کمیاب برای اولین‌بار در قرن هجدهم در سوئد در زمین‌های گرانیتی کشف شدند. فهرست عناصر کمیاب شامل این موارد است: اسکاندیم، ایتریوم، لانتانیم، سریم، پراسئودیمیوم، نئودیمیم، پرومتیم، ساماریوم، یوروپیوم، گادولینیوم، تربیم، دیسپروزیم، هولمیوم، اربیوم، تولیم، ایتربیوم و لوتتیوم. در مجموع هفده عنصر کمیاب وجود دارد و بیشترین مصرف از بین آنها عناصر سریم، لانتانیم و نئودیمیم است. نام برخی از آنها به جزیره سوئدی ایتربی مرتبط می‌شود که شامل ایتریوم، تربیم، اربیوم و ایتربیوم است. همه این عناصر به جز دو عنصر اول (اسکاندیم و ایتریم) در این فهرست گروه “لانتانید” قرار می‌گیرند. اسکاندیم و ایتریم در رسوبات یکسانی یافت نمی‌شوند و لانتانیدها دارای برخی خواص متمایز هستند. به‌عنوان‌مثال ایتریوم توسط سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده (USGS) جزو فلزات کمیاب سبک طبقه‌بندی می‌شود.
عناصر کمیاب سبک با عناصر کمیاب سنگین متفاوت هستند. این عناصر شامل لانتانیم، سریم، پرازئودیمیم، نئودیمیم و ساماریوم است. عناصر سنگین شامل یوروپیوم، گادولینیم، تربیم، دیسپروزیم، اربیم، ایتریم، هولمیوم، تولیم، ایتربیوم و لوتتیوم است. همچنین عناصر سبک کمیاب نسبت به عناصر سنگین بحرانی‌تر هستند، زیرا دومی تقریباً منحصراً در چین تولید می‌شوند ذخایر عناصر سبک کمیاب بسیار زیاد و گاهی بسیار بزرگ هستند (مانند ذخایر مرتبط با توده‌های کربناتیت). در مقابل، ذخایر عناصر سنگین کمیاب و کوچک هستند. در نتیجه عناصر سنگین کمیاب موضوع بسیار مهمی هستند. عناصر سنگین کمیاب بیشتر به استخوان‌ها می‌چسبند درحالی‌که عناصر سبک کمیاب در کبد انباشته می‌شوند، این ویژگی از نظر کمی با قطر یونی آنها مرتبط است. کاربرد عناصر سبک‌وسنگین کمیاب متفاوت است. به‌عنوان‌مثال عناصر سبک کمیاب به طور گسترده در نسل اول باتری‌های قلیایی استفاده می‌شود؛ اما فلزات سنگین به‌عنوان تله نوترونی در رآکتورهای شکافت استفاده می‌شوند.
تفاوت عناصر کمیاب با استراتژیک
عناصر کمیاب نبایستی با فلزات استراتژیک اشتباه گرفته شوند. بیشتر عناصر کمیاب، استراتژیک هستند، اما همه فلزات استراتژیک، عناصر کمیاب نیستند. به‌عنوان‌مثال لیتیوم عنصر کمیاب نیست؛ اما فلز استراتژیک است. لیتیوم فلزی است که در کف تالاب‌ها و دریاچه‌های شوراب خشک وجود دارد. بیش از نیمی از منابع لیتیوم جهان در سه کشور بولیوی، شیلی و آرژانتین یافت می‌شوند. در حال حاضر کمبودی برای فلز لیتیوم وجود ندارد، اما افزایش نیازها باعث شده، این خطر در میان‌مدت ظاهر شود، حتی اگر بازیافت لیتیوم موضوع تحقیقات زیادی باشد. فلزات استراتژیک، به دلیل اقتصادی‌بودن و مسائل زیست‌محیطی جزو فلزات گران‌بها هستند.
عناصر کمیاب در کجا یافت می شوند؟
عناصر کمیاب اغلب در سنگ‌های معدنی و به‌ویژه در مونازیت، توریم، کربناتیت‌ها، سنگ‌های یونی و مونازیتهای هیدروترمال یافت می‌شوند. برخلاف عبارت “عناصر کمیاب”، این عناصر آن‌قدرها هم کمیاب نیستند. برخی از آنها مانند سریم، به‌اندازه فلزات دیگر و حتی رایج‌تر از مس، در پوسته زمین گسترده است. تکنیک‌های استخراج پیچیده و پروژه‌های اکتشاف آنها سخت و دشوار است. این عناصر همیشه با سایر کانی‌ها ترکیب می‌شوند در نتیجه تکنیک‌های جداسازی آنها بسیار پرهزینه است. در حقیقت بهره‌برداری از یک معدن دارای عناصر کمیاب به سرمایه‌گذاری‌های قابل‌توجهی (در حد یک میلیارد یورو) نیاز دارد که فقط در دوره‌های طولانی (حداقل ده سال) می‌تواند سودآور باشد. در حال حاضر بیشترین استخراج عناصر کمیاب در جهان توسط کشور چین صورت می‌گیرد و این کشور بر بازار مواد معدنی و عناصر کمیاب تسلط کامل دارد.
کاربرد عناصر کمیاب
عناصر کمیاب در ساخت اشیا با تکنولوژی پیشرفته و مدرن استفاده می‌شود. این عناصر در باتری‌های خودروهای الکتریکی و هیبریدی (باتری‌های NiMH)، در LED ها، در کاتالیزورها، تراشه‌های گوشی‌های هوشمند، صفحه‌نمایش لپ‌تاپ و هارددیسک کامپیوتر، در دستگاه‌های دارای انرژی‌های تجدیدپذیر نظیر پانل‌های فتوولتائیک و توربین‌های بادی، صنایع دفاعی به‌ویژه در ساخت حسگرهای رادار یا تسلیحات و سیستم‌های هدف‌گیری مصرف می‌شوند.
تعداد معینی از فلزات کمیاب در ساخت آهنربای دائمی کاربرد دارند. این نوع آهنربا دارای نیروی مغناطیسی بسیار قابل‌توجهی در حجم بسیار کم است. از آهنربای دائمی در سیستم‌هایی استفاده می‌شود که نیاز به کوچک‌سازی در وزن دارند. این نوع آهنرباها ۴.۵ گرم فلز کمیاب دارند که رقمی متوسط است؛ اما با ضرب در صدها میلیون واحد، به مقداری تبدیل می‌شود که در مقیاس صنعتی بسیار قابل‌توجه است. آهنربای دائمی در سیستم هدایت موشک بالستیک تا جاروبرقی پیشرفته و حتی هارددیسک کامپیوتر مصرف می‌شوند. کاربرد دیگر آهنربای دائمی توربین‌های بادی است. توربین‌های بادی برای کنترل بادهای بسیار قوی بلند هستند، بنابراین وزن آنها بایستی کاهش یابد. از سوی دیگر، نگهداری آهنربای دائمی بسیار آسان‌تر از سیستم آهنربای سیم‌پیچی است.
روشهای جداسازی عناصر کمیاب
عناصر کمیاب همیشه با سایر مواد معدنی مرتبط هستند. برای جداسازی آنها، دو تکنیک اصلی بر اساس واکنش‌های آب‌گریز یا آب‌دوست ذرات معدنی دررابطه‌با آب و فرایندهای شیمیایی مانند تصفیه با سیانید یا جیوه وجود دارد. روش اول عموماً آلاینده نیست؛ اما روش دوم اگر طبق قوانین دقیق انجام نشود می‌تواند خطرناک باشد. هنگامی که قیمت بازار این عناصر، هزینه تکنیک‌های جداسازی را پوشش نمی‌دهد بسیاری از عناصر کمیاب پس از استخراج مواد معدنی موردنظر، به‌عنوان ضایعات رها می‌شوند
هیدرومتالورژی شامل حل‌کردن موادی در محیط آبی اسیدی است و سپس عناصر موردنظر را با استفاده از حلال‌ها استخراج می‌شود. در این روش بایستی عناصری استخراج شود که در میان عناصر دیگر در اکثریت نباشد. به طور دقیق‌تر، از آب شارژ شده استفاده می‌شود. سنگ معدن یا موادی که آسیاب می‌شوند را برای بازیافت در اسید حل می‌نمایند. سپس عملیات شیمی جدایش را انجام می‌دهند. حلال‌های آلی برای استخراج یا سایر عملیات جداسازی مانند رسوب‌گیری یا استخراج توسط رزین‌های تبادل یونی نیز استفاده می‌شود. این تکنیک‌ها بسیار انتخابی هستند.
تاثیر استخراج عناصر کمیاب بر محیط زیست
در طول استخراج و پالایش عناصر کمیاب، عناصر سمی نظیر فلزات سنگین، اسید سولفوریک و حتی اورانیوم در محیط رها می‌شوند. به‌عنوان‌مثال در استخراج نیوبیم در معدن بائوتو در مغولستان چین رادیواکتیویته اندازه‌گیری شده در روستاهای نزدیک معدن بائوتو، سی و دوبرابر بیشتر از حد معمول بود؛ بنابراین بسیاری از محققان بازیافت به‌جای استخراج را برای مقابله با افزایش تقاضا برای عناصر کمیاب پیشنهاد می‌کنند. یک راه‌حل بازیافت زباله‌های الکترونیکی برای استخراج عناصر کمیاب و استفاده مجدد از آنها است.
سوالات متداول کاوش در دنیای عناصر کمیاب
۱- عناصر کمیاب در کدام کشورها بیشتر وجود دارند؟
در سال ۲۰۲۱ طبق سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده (USGS) عناصر کمیاب ۱۲۰ میلیون تن تخمین زده شده است که ۹۰٪ آن در چهار کشور چین ۳۷%، ویتنام ۱۸%، برزیل ۱۷% و روسیه ۱۷% یافت می‌شوند.
۲- ویژگیهای عناصر کمیاب چیست؟
عناصر کمیاب دارای ویژگیهای منحصربه‌فردی از جمله کاهش اکسید، نوری، مغناطیسی، درخشنده، کاتالیزوری هستند. این خواص آنها در بسیاری از کاربردها از جمله فناوریهای پیشرفته و انرژی پاک، ضروری است.
۳- عنصر پرومتیم چیست؟
پرومتیم به طور طبیعی روی زمین در غلظتهای قابل‌توجهی وجود ندارد. این عنصر ناپایدار است؛ زیرا پرتوزا است که از شکافت اورانیوم به دست می‌آید.
۴- فراوان‌ترین عنصر کمیاب کدام است؟
فراوان‌ترین عنصر کمیاب سریم است و بیست و پنجمین عنصر فراوان در پوسته زمین است.
۵- عناصر کمیاب چه اشتراکاتی دارند؟
عناصر کمیاب ۱۷ عنصر فلزی هستند که در وسط جدول تناوبی قرار دارند. این فلزات دارای خواص فلورسنت، رسانایی و مغناطیسی غیرمعمولی هستند.
