稀土原材料之環保問題與綠色技術趨勢(上)

 

刊登日期:2022/4/5
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方聖予、曹申 / 工研院材化所
 
稀土元素是現代科技應用中,不可或缺的重要因素之一,且隨著能源、電子、機械、石化等產業之快速發展,對於稀土元素的需求更是逐年成長。由於低碳政策之轉型,預期其需求量會瞬間增加,特別是在永續能源方面之應用,如風力發電和電動車用之永久磁石,皆含有稀土金屬,且用量相當大。稀土之來源集中,主要來自於中國,其次是美國及俄羅斯等,因而稀有,故被視為國際重要戰略物資。然而,在稀土需求量持續增加、礦源大量開採的同時,環保的問題也相對獲得重視,如水質、土壤污染等問題,皆會造成環境之負擔。有鑒於此,若能掌握稀土綠色技術之先驅,將可使國家處於穩定且領先之發展地位。
 
【內文精選】
稀土元素與特性
稀土元素系統由元素週期表(La-Lu)之15種鑭系元素,以及其常見伴生材料鈧(Sc)和釔(Y),共17種組成;由其原子序再細分為輕(Light)稀土元素與重(Heavy)稀土元素。與其名稱所暗示的相反,稀土元素在地殼中含量並不算低,如圖二所示,稀土族含量最高的鈰(Ce)是地殼中第25豐富的元素(比電子產業泛用之錫與鉛還高),而稀土元素系統在地殼中含量最低的鎦(Lu),也比金含量高出數百倍。只是因其相對分散,因此在大部分各式礦脈中,它們的濃度相對都偏低;另外即使被發現,稀土元素間也因化性物性相似,難與其他元素分開,因此無論在開採、提取、純化上都造成困難,這就是稀土元素常常被誤以為所謂「稀有」的原因。
 
圖二、各元素地殼相對蘊含濃度表
圖二、各元素地殼相對蘊含濃度表
 
稀土元素的特殊性,主要在於其具有特殊且多重的f 電子軌域(f-Orbital),f 軌域之外層電子受原子核引力弱,使得其受激發與回到基態的能量釋放多樣性,較其他元素容易與豐富,由此衍生之各式特殊物理性質與化學活性,不管是光、電、磁、化特性,皆遠優於過渡元素(Transition Metal)。因此,從早期以化性與冶金應用為主之石油裂解、廢氣處理觸媒、發色釉料、儲氫材料、航太與高強度合金,到現在擴張到磁光電應用的高折射玻璃、夜視光學、LED、永磁電機、高效發電等,從iPhone到Tesla到F-35,稀土都是必需品,加上近年持續受中國壟斷之潛在威脅,歐、美、日、韓皆將稀土元素視為關係國家與經濟安全之戰略資源。
 
2010年中國與日本因釣魚台領土爭議引發國際稀土貿易戰,在2015年逐漸沈寂後,2017年起中國為應對美國持續施壓下的關稅、禁運與新貿易戰,一直有重新限制稀土國際供需之威脅論,由於美國國防工業嚴重依賴稀土,對美國構成嚴重威脅。而因對稀土依賴亦嚴重之風力發電、IE4工業馬達新規與電動車用量持續增加,歐盟亦極關心稀土貿易與自主之議題。而世界上只有不到40%的稀土蘊藏量在中國,中國如何能夠壟斷該行業的質疑,除技術問題外,在在皆指向勞工問題與環保法規。
 
稀土生產的環保問題
稀土所謂的環境問題,主要有兩部分:一在原礦開採階段,因原礦含量多屬稀散,從選礦至提取精礦,有研磨及用水需要,因而產生大量粉塵與廢排廢棄問題;二在於分離複合稀土元素階段,因各稀土元素間化性接近,濕法處理時會使用大量與多道次之溶劑與洗劑,進而造成廢排與後處理問題。後者因多在工廠作業區進行,較不受矚目;前者則因多在開放空間與郊區,因此多成為關心的焦點。
 
圖五為全球稀土礦區主要分布圖,目前已鑑定出約200種含稀土之礦物,而全球95%之稀土礦區,主要含下列三種經濟型高稀土含量礦物,分別是:氟碳鈰礦(Bastnaesite)、獨居石(Monazite)和磷釔礦(Xenotime) (Gupta and Krishnamurthy, 2005),以上以輕稀土元素為主;另有中國南方特有且富含重稀土之離子吸附黏土礦(IonAdsorbed Clay) (USGS, 2017) ---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖五、全球稀土礦主要分布圖
圖五、全球稀土礦主要分布圖
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》424期,更多資料請見下方附檔。
 

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