关于稀土的二三事 | 我国稀土产业面临的机遇与挑战

导读

有着“工业黄金”之称的稀土元素在军事，高新技术产业和民生领域等许多应用上发挥着重要作用。我国在全球稀土产业链的上游供给侧长期占据着主导地位，这为我们在国际博弈中带来了很大优势。然而，我国现阶段的稀土行业还存在着诸多亟待解决的问题，例如“稀土白菜价”等。基于以上背景，本文简要介绍了稀土元素的性质、应用、生产流程，并进一步分析我国稀土产业面临的机遇与挑战。

作者简介：

葛宇非，清华大学化学系19级直博生

孙鑫，清华大学车辆学院18级直博生

图片来源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A8%80%E5%9C%9F%E9%87%91%E5%B1%9E

01 稀土是什么

1794年芬兰科学家约翰·盖多林（Johan Gadolin）从后来被称为“硅铍钇矿”的矿石中发现了“钇土”。那时的技术难以将它们分离为单独的元素，此外，当时人们认为这些元素比较稀少，并且习惯上将不溶于水的固体氧化物叫做“土”，所以将其称为稀土元素。稀土元素包括：镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu）这15个镧系元素以及钪（Sc）和钇（Y）。

虽然“稀土元素”这个名称让人觉得稀土元素十分稀少，但是事实上，稀土元素并不稀少。除去无法在自然界稳定存在的钷元素以外，其它元素在地壳中的含量都较为丰富。其中，铈元素在地壳元素丰度排名第25，占0.0068%，与铜接近；而含量相对最少的铥元素（约0.000045%）也比金元素的含量（0.00000031%）高得多。除此之外，稀土元素也不是土，而是典型的金属元素。

稀土单质多为银白色，其中有些微带黄色。如图1所示，它们均位于IIIB族，其正常的原子价为+3价，部分元素也有+2和+4的价态。稀土金属化学活性很高，稀土单质的燃点较低，在室温下可以与氧、氢作用，在高温下可以与卤素、碳、氮、硫等元素单质相互作用。由于镧系收缩和相似的电子结构，各种稀土元素常共存于矿物中，相似的化学性质使得人们难以通过普通的化学方法对稀土进行分离。在稀土元素中，Sc和其他的16种稀土元素的性质差别较大，依照提取工艺和化学性质，又可以进一步将剩下的16种元素分为轻稀土（La、Ce、Pr、Nb、Pm、Sm、Eu）和重稀土（Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y）两类。

图1 元素周期表，图源：https://www.sigmaaldrich.com

02 稀土的应用

除去Pm在自然界中难以稳定存在，需要人工合成之外，其他稀土元素在自然界中都有对应的矿物存在。稀土元素在生产生活中有着广泛的应用，其主要的应用方向包括：

• 在钢铁工业和有色金属工业中作为掺杂剂改善材料的性质；
• 作为催化剂应用于石油化工及尾气净化等领域；
• 生产光学镜片、显示屏、特种玻璃等；
• 用于生产稀土磁性材料，包括永磁材料、磁存储材料、磁致冷材料、磁致伸缩材料等；
• 生产稀土发光材料，用于照明、显示、检测等；
• 应用于原子能工业，作为中子捕集剂等；
• 在医学领域作为核磁共振成像的显影剂以及一些药物的主要成分。

稀土元素之所以拥有如此广泛的应用，是因为他们独特的电子结构。稀土元素（镧系元素）大多含有未充满的4f轨道，这一独特的电子结构导致了含有稀土的化合物和稀土掺杂的材料表现出不可多得的物理化学性质，这些独特的性质使其在磁性材料、发光材料和催化剂等领域有着广阔的应用前景和难以替代的角色。

03 稀土产业现状

● 3.1 概述 ●

如图2所示，以Nb为例，稀土元素在自然界和人类社会间会有如下流动过程：

1. 稀土元素以矿物的形式从自然界被开采出来，经过选矿后进入冶炼厂冶炼；
2. 冶炼得到的产品进入下一步的加工环节，被进一步加工成永磁材料、催化剂、光学玻璃等产品；
3. 这些中间产品被进一步加工，变成家用电器、电动汽车等产品进入日常生活，或者作为机器的一部分进入工业生产；
4. 在使用若干年之后，这些含有稀土元素的设备被报废，部分稀土元素被回收利用，其余则报废到环境中，开始新的循环。

在整个稀土元素生命周期的循环中，我国主要在上游的矿冶和精炼环节占据着主要地位。

图2 2016年Nb在中国的物质流结构，图源：https://doi.org/10.1111/jiec.13058

● 3.2 稀土资源概况 ●

表1列出了世界各国的主要稀土矿物和截至2020年探明的稀土储量。可以发现，虽然我国目前占有了国际稀土市场的90%以上的矿物供给，但是中国稀土储量大约只占世界稀土储量的40%。不过，相比于其他国家，我国在矿产资源方面拥有如下优势：

1. 中国拥有最丰富的稀土矿石种类，可以保障几乎所有稀土元素的供应；
2. 我国稀土广泛分布于我国18个省、自治区，这为我国稀土工业的合理布局提供了有力保障；
3. 我国的稀土矿床的类型和数量为世界最多，且稀土矿中高价值稀土含量更高。

综上所述，丰富的矿产资源有力地促成了我国稀土产业在国际市场上的主导地位。据俄媒报道，我国2020年占据了世界稀土市场的90%，估值约40亿美元。

表1 世界各国稀土储量和主要稀土矿物

数据来源：吴文远, 稀土冶金学[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005.

U.S. Geological Survey, 2021, Mineral commodity summaries 2021: U.S. Geological Survey, 200 p., https://doi.org/10.3133/mcs2021.

● 3.3 稀土的冶炼 ●

图2  稀土生产线，图源：http://caifuhao.eastmoney.com/news/20180307110630630026490

世界领先的稀土冶炼技术也是我国稀土产业的一大优势。总体来说，稀土的冶炼大致会经历如下步骤：

1. 从原矿石中富集稀土矿物。开采出来未经处理的稀土矿中稀土氧化物的含量只有百分之几，必须利用原矿石中各矿物之间的物理化学性质的差异，将有价值的矿物挑选出来，使富集后的矿物中稀土氧化物的含量达到60%-70%；
2. 经过上述选矿过程得到的产物叫做稀土精矿，这种稀土精矿依然难以溶于水或者无机酸，因此需要将其转化为易溶于水或者无机酸的化学物，以便于之后的提取，这个过程叫做精矿的分解；
3. 在精矿分解之后，得到的是不同稀土元素混合的稀土产品，为了得到高纯度的单一稀土元素，之后需要采用溶剂萃取、分级结晶、分步沉淀、离子交换色层法等方法实现不同种类稀土元素的分离。不过由于稀土元素具有相似的物理化学性质，所以分离过程中面临诸多挑战，对于不同元素的分离方法也各不相同。

在稀土冶炼环节，如何在保证产品纯度的情况下降低成本，是冶炼环节的核心问题。此外，冶炼环节会产生大量废物，如果不合理处置会对环境造成严重的污染。

● 3.4 我国稀土产业面临的挑战 ●

图3  我国目前部分稀土冶炼企业现状，图源：https://cn.nytimes.com/business/20140808/c08trade/

虽然我国在稀土产业上拥有诸多优势，但是，我国稀土产业仍然面临着诸多挑战：

（1）非法开采行为广泛存在。以图2中Nb的物质流为例，2016年非法开采的Nb矿物量甚至与合法开采量相当。多种因素造成这种非法开采：首先，相比于其他矿石，稀土矿的矿床比较浅，开采难度比较低，同时稀土冶炼的难点主要集中在产出物的纯度和对环境的保护上，但是私自开采和冶炼稀土的“黑作坊”并不需要关注这些，因此冶炼也不是问题。其次，由于对于“黑作坊”来说，稀土的开采和冶炼成本不高，所以对他们而言稀土开采本身有着巨大的利润，极低的门槛和极高的利润，使得很多这样的“黑作坊”出现，这些“黑作坊”之间为了各自的利润会相会竞争，这种竞争主要有两种表现，其一是在开采和冶炼过程中越来越没有底线，一味的压低成本；其二是恶性压价，试图薄利多销，前者导致了生态环境的严重破坏而后者导致了我国稀土定价权的丧失，也就是人们所说的“稀土被卖出了白菜价”。经济学原理表明，这种无序的市场需要政府的监管，因此，从这个角度上来看先前政府监管的缺失，在某种程度上助长了这种非法开采的行为。

（2）稀土产业需要统一的规划与管理。目前稀土市场上还存在着很多因为规划与管理缺失导致的乱象：首先，正如之前所述，目前存在着稀土产业的上游供应商为了自身利益恶性竞争的现象，这种恶性竞争危害了市场的良性发展也对环境造成了破坏。此外，对于下游产业的统一规划不足，导致了下游生产商更多的“单打独斗”，没有能够形成有效的联盟来进行规范有序的市场行为。

（3）稀土产业链有待完善。我国虽然有着优质的稀土矿床和世界领先的稀土冶炼技术，但是由稀土进一步生产特种玻璃、催化剂、磁材等具有高附加值的下游产品的技术还有待完善。这些技术的不到位，也会使我国的稀土产业受制于人，从而反过来影响到稀土的定价权。这一现象的产生主要包括了三个原因：其一，科研机构的研发不够；其二，在有了科研成果之后，将成果转化为产品的过程存在难点，实验室中的小试和工业上的大规模生产有着巨大的差别；其三，从新技术的出现到工业化实现盈利需要过程，这个过程需要政策的扶持以及勇于投资新技术的市场氛围。

（4）稀土冶炼的过程中可能会排放大量的污染物，如何让稀土生产过程更加绿色环保也是一个关键的问题。这个问题的存在同样有很多的原因：首先，从技术上来看，有的稀土冶炼环节的确会产生大量的有害物质，严重污染环境，如何改进生产工艺，降低废物排放，是学术界和产业界所必须要面临的问题；其次，对于有的生产流程而言，已经有了成熟的可以减少环境污染的工艺流程，但是因为成本高昂、生产线更新换代不及时或者是存在根本不会考虑环境问题的“黑作坊”等原因，这些生产线上的环境污染问题依然存在，这个问题的解决将更有赖于政府的监管和政策的扶持。

为了应对这些挑战，需要多方的共同努力：

（1）取缔非法稀土开采行为：目前还有很多非法的稀土开采冶炼行为，这些非法开采和冶炼行为会对环境造成破坏，也会严重影响我国的稀土战略。目前，我国的措施主要包括对稀土的勘察、开采及选矿对象进行规范和管理，进行稀土开采、冶炼分离总量控制，出台稀土相关国家标准等；

（2）加强市场监管力度，加快管理体制改革：市场上存在的恶性竞争有一部分原因是监管的缺失，设立强有力的监管部门和严格的规章制度，会对市场产生积极影响，一个自上而下的管理机构的设立，有利于统一稀土的开采和掌握定价权。此外，我国于去年推动实现了中国稀土产业协会于行政机关的脱钩改革，此举将有利于发挥市场的正面作用，提升企业活力；

（3）优化稀土冶炼流程，加大稀土产品研发力度：稀土冶炼技术的高低，直接决定了稀土产品的质量和价格；完成稀土的冶炼后如何将其转化为高附加值的产品也是一大难点，利用新技术将稀土制成新的产品将会给经济带来新的增长点；

（4）完善报废后的稀土产品的回收流程：随着稀土被越来越广泛的应用，稀土的回收问题也越来越重要。一方面，稀土矿的总量有限，无法永远满足人类需求；另一方面，报废产品的累积也会造成严重的环境负担。当人类社会中的稀土产品的存量超过自然界中的稀土矿藏时，稀土回收就会成为一个重要的稀土原料供给的来源。建立一个有效地收集报废品并加以回收再利用的回收系统非常重要。

04 总结与展望

稀土是现代工业不可或缺的原料，也是国民经济的命脉。我国虽然稀土资源丰富，但是在稀土产业上还是面临着诸多挑战。想要让我国的稀土资源在国家战略上发挥更大的作用，需要多方的共同努力，宏观的政府监管、企业的自觉配合、研究人员的大力研发、有力的政策支持，这些都缺一不可。相信在多方的共同努力下，我国的稀土产业会越来越好。

参考文献

[1]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A8%80%E5%9C%9F%E9%87%91%E5%B1%9E

[2]黄礼煌, 稀土提取技术[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2006.

[3]吴文远, 稀土冶金学[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005.

[4] https://doi.org/10.1111/jiec.13058.

[5] https://jiage.cngold.org/xituga/

[6] U.S. Geological Survey, 2021, Mineral commodity summaries 2021: U.S. Geological Survey, 200 p., https://doi.org/10.3133/mcs2021.

[7] 中国稀土行业2020年度十件大事[J].稀土信息,2021(01):4-6.