Pierwiastki ziem rzadkich (REE)

Mianem pierwiastków ziem rzadkich (ang. rare Earth elements, REE) określamy 15 pierwiastków należących do lantanowców oraz dwa inne – skand oraz itr – dołączone ze względu na swój niewielki promień jonowy, upodabniający je do należącego do lantanowców holmu. Niekiedy stosowany jest również akronim REY, pod którym rozumiemy lantanowce oraz itr. Własności wszystkich REE są zbliżone, w związku z czym także w środowisku zachowują się w podobny sposób, nie uwzględniając prometu, którego izotopy są nietrwałe i rozpadają się w krótkim czasie, liczonym w latach.

Wbrew swojej nazwie pierwiastki ziem rzadkich nie stanowią dużej rzadkości. Ich przeciętna zawartość w skorupie ziemskiej jest wyższa niż srebra. Najczęściej spotykane REE występują równie obficie jak miedź! Pierwiastki należące do platynowców są z kolei spotykane w przyrodzie w mniejszych ilościach niż najrzadsze REE. Pierwiastki ziem rzadkich nie występują natomiast samodzielnie, lecz raczej w postaci mieszanin, a ich rozdzielenie wymaga zaawansowanych procesów technologicznych. Tworzą własne minerały (zazwyczaj rzadko spotykane), ale częściej pojawiają się w minerałach tworzonych przez inne pierwiastki, w postaci domieszek.

Złoża REE

Pierwiastki ziem rzadkich występują w ponad 200 minerałach, ale tylko kilka z nich nadaje się w celu pozyskiwania REE. Najważniejsze z nich to monacyt, bastnaesyt oraz parisyt; znaczenie mają też ksenotym i łoparyt. To one dostarczają większości światowej produkcji REE.

Znanych jest kilkanaście typów złóż REE. Wśród nich najważniejsze to:

• złoża w skałach magmowych głębinowych, czyli powstających głęboko pod powierzchnią Ziemi, w trakcie stygnięcia i krystalizacji gorącego stopu skalnego – magmy (skałami głębinowymi zawierającymi istotne ilości REE są tak zwane karbonatyty, w drugiej kolejności skały alkaliczne, opisane również poniżej, zwłaszcza sjenity i granity alkaliczne),
• złoża hydrotermalne, czyli tworzące się w wyniku migracji w skałach gorących roztworów i par; pojawiają się one zwłaszcza w skałach magmowych alkalicznych, czyli bogatych w potas i sód (na przykład w granitach alkalicznych),
• złoża wtórne (wietrzeniowe), powstające w wyniku fizycznego niszczenia starszych skał, uwalniania REE i tworzenia wtórnych nagromadzeń ich minerałów, a także w rezultacie chemicznego rozpuszczania skał zawierających śladowe ilości pierwiastków ziem rzadkich.

Większość dużych kopalń REE eksploatuje pierwszy z wymienionych typów złóż, czyli zlokalizowane w obrębie skał karbonatytowych (magmowych głębinowych). Dotyczy to centrów wydobywczych w Chinach oraz w USA. Złoża w skałach magmowych alkalicznych oraz produktach działalności procesów hydrotermalnych znajdują się w Australii, Kanadzie i Rosji. Złoża wtórne znane są z Australii, Brazylii, Indii oraz Malezji. Niemal wszystkie duże kopalnie ziem rzadkich to kopalnie odkrywkowe, aczkolwiek REE są również pozyskiwane jako produkt poboczny w głębinowych kopalniach innych surowców. Źródłem REE mogą być również hałdy pozostałe po eksploatacji różnych metali.

W złożach karbonatytowych głównym minerałem jest często bastnaesyt. Z kolei złoża wtórne to w wielu przypadkach piaski zawierające monacyt. Wszystkie minerały REE mogą być wzbogacone w różne pierwiastki ziem rzadkich, co oznaczamy poprzez dodanie symbolu występującego obficie pierwiastka za myślnikiem na końcu nazwy minerału. Przykładowo, bastnaesyt-(Ce) jest bogaty w cer, a monacyt-(Nd) – w neodym.

Na światowym rynku pierwiastków ziem rzadkich pozycję monopolisty odgrywają Chiny. Kraj ten dysponuje też połową światowych zasobów. Duże zasoby, choć znacznie mniejsze od chińskich, znajdują się w Rosji oraz USA. Przetapianie i pozyskiwanie REE z minerałów prowadzone jest głównie w Chinach. To efekt dużego obciążenia dla środowiska (w tym także skażenia radioaktywnego), z jakim związane jest uruchamianie dużych kopalni odkrywkowych, a także stosowanie procesów technologicznych prowadzących do uzyskania pierwiastków ziem rzadkich. Doprowadziło to jednak do uzależnienia światowej produkcji od Chin. Szczególnie Unia Europejska pozbawiona jest własnych ośrodków pozyskiwania i przetwórstwa REE. Grozi to utratą dostępu do tych surowców, co jest niebezpieczne tym bardziej, że nie są znane dobre alternatywy dla pierwiastków ziem rzadkich. Rozwiązaniem może okazać się recykling REE, jednak obecnie odzyskuje się mniej niż kilka procent ogólnego ich zużycia.

W Polsce REE występują w niedużych ilościach w Piławie Górnej na Dolnym Śląsku. Ich eksploatacja jest na razie nieopłacalna (zbyt małe złoże). Więcej REE znajduje się w okolicach Suwałk, na głębokościach ponad kilometra pod powierzchnią. Niewielkie ilości pierwiastków ziem rzadkich można również potencjalnie pozyskać z pyłów po spalaniu węgla kamiennego oraz brunatnego.

Zastosowanie REE

Pierwiastki ziem rzadkich są wykorzystywane od połowy XX wieku. Pierwsze zastosowania obejmowały tlenek ceru (nadaje się do polerowania szkła, do dzisiaj w tej roli zużywane jest większość ceru i większość REE w ogólności), europ (w pierwszych kolorowych telewizorach), magnesy neodymowe (w słuchawkach Walkmana, a potem w dyskach twardych).

Pierwiastki ziem rzadkich są szczególnie istotne dla rozwoju technologii przyjaznych dla środowiska, w tym samochodów elektrycznych, turbin wiatrowych, a także oszczędnych źródeł światła. Szczególne duże ilości REE wykorzystywane są w samochodach o napędzie hybrydowym oraz elektrycznym. Nie należy jednak zapominać, że pozyskanie REE może być równie uciążliwe dla środowiska, jak wydobycie i przetwarzanie paliw kopalnych. Ponadto pierwiastki ziem rzadkich mają duże znaczenie jako składnik stopów, akumulatorów, wyświetlaczy i monitorów. Stosowane są również w przemyśle petrochemicznym, naftowym, ceramicznym, wojskowym, a także w energetyce jądrowej, aparaturze rentgenowskiej i narzędziach chirurgicznych. Niestety, szybko zwiększająca się ilość REE jest stosowana w urządzeniach szybko wycofywanych z użytku, takich jak smartfony, które w dodatku nie podlegają w dostateczny sposób recyklingowi.