В последнее время все чаще и чаще можно услышать словосочетание «редкоземельные металлы» (rare-earth elements). Но что же это и каково их влияние на окружающую среду, попробуем разобраться.
Название «редкоземельные металлы» может ввести в заблуждение, поскольку оно связано не с их редкостью в природе, а с особенностями их распространения. Эти элементы достаточно широко представлены в земной коре, однако их концентрация в месторождениях крайне низка. Чаще всего они встречаются в рассеянном состоянии, то есть в виде примесей в составе различных минералов, где они смешаны с другими элементами. Именно эта особенность делает процесс их выделения и очистки чрезвычайно сложным и трудоемким.
Редкоземельные металлы (РЗМ) образуют группу, которая включает в себя 17 элементов: скандий, иттрий, лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций. Все они характеризуются серебристо-серым оттенком и обладают схожими химическими свойствами. Например, при контакте с кислородом они быстро покрываются оксидной пленкой, образуют тугоплавкие оксиды, которые не растворяются в воде, и проявляют высокую реакционную способность, особенно при воздействии повышенных температур.
Интерес к изучению этих металлов в природных объектах значительно возрос в последние десятилетия. Это связано, с одной стороны, с появлением аналитических методов их надежной и быстрой идентификации, с другой стороны, с тем, что они являются геохимическими индикаторами различных природных процессов, включая процессы выветривания и почвообразования.
Вследствие своих уникальных физических и химических свойств, редкоземельные металлы находят самое широкое применение в различных технологиях в области электронных устройств, электромобилях, ветроэнергетических установках, катализаторов для нефтеперерабатывающей, химической и автомобильной промышленности, спецсплавов в атомной и авиационной промышленности, при производстве инновационных материалов, промышленной химии. Их часто называют «витаминами промышленности», поскольку даже минимальные добавки этих элементов в сплавы или соединения значительно улучшают их физико-химические характеристики.
Основными сферами потребления редкоземельных металлов в России являются оптическое производство и полировальные порошки, производство катализаторов для нефтепереработки, химической промышленности, автокатализаторов; металлургия (мишметаллы, спецсплавы), производство керамики, лабораторные реактивы, а также фармацевтика, электроника, искусственные кристаллы, люминофоры, магниты.
За последние 30 лет в мире произошел взрывообразный рост спроса на редкоземельные металлы, что привело к росту добычи полезных ископаемых, содержащих эти элементы. Как результат — существует потенциальная опасность их антропогенной аккумуляции.
По оценкам консалтинговой компании Mordor Intelligence, рынок редкоземельных металлов в 2022 году составил 161,4 тысяч тонн. Ожидается, что в период до 2027 года среднегодовые темпы роста спроса на них превысят 4%, центром роста будет Азиатско-Тихоокеанский регион. При этом International Renewable Energy Agency (IRENA) ожидает, что к 2030 году совокупный спрос на редкоземельные металлы может увеличиться на 41%.
Наиболее динамично развивается спрос на редкоземельные металлы со стороны производителей постоянных магнитов, востребованных в автомобилестроении и возобновляемой энергетике. По оценкам агентства Roskill, в 2022 году он вырос на 25%, а к 2030 году производители постоянных магнитов будут обеспечивать до 40% спроса на редкоземельные металлы. По некоторым оценкам, совокупный спрос на «магнитные» РЗМ к концу текущего десятилетия может значительно превысить предложение.
Однозначным лидером по производству редкоземельных металлов и их поставкам на мировой рынок является Китай — единственная страна, осуществляющая поставки всех видов редкоземельной продукции от сырья до продукции высоких переделов. Сырьевая база Китая, основу которой составляют месторождения бастнезитовых карбонатитов, является крупнейшей в мире. На территории страны действуют более 200 предприятий (без учета мелких нелегальных), включая более 30 рудников и более 10 обогатительных фабрик. Внутренний спрос на редкоземельные металлы, особенно на неодим и празеодим, используемые для производства постоянных магнитов, растет примерно на 10% в год.
В США источником редкоземельных металлов является бастнезитовое месторождение Маунтин-Пасс (Mountain Pass) — второе (после Баян-Обо в Китае) по значимости разрабатываемое месторождение мира, которое эксплуатирует компания MP Materials.
Россия располагает одной из крупнейших сырьевых баз редкоземельных металлов, а объемы их добычи из недр сопоставимы с показателями Китая — главного их продуцента и поставщика на мировой рынок. Согласно Распоряжению Правительства Российской Федерации от 30.08.2022 № 2473-р, редкоземельные металлы входят в перечень основных видов стратегического минерального сырья. Однако единственным промышленным источником редкоземельной продукции в стране является лопаритовый концентрат, производимый из руд Ловозерского месторождения в Мурманской области. В результате вклад России в мировое производство редкоземельного сырья составляет порядка 1%.
Ближайшие перспективы развития редкоземельной промышленности в России, включающие повышение эффективности использования отечественной сырьевой базы, связаны с реализацией дорожной карты Госкорпорации «Росатом» развития высокотехнологичной области «Технологии новых материалов и веществ» на период до 2030 года, утвержденной Правительством Российской Федерации 27 апреля 2020 года. Предметом ее направления «Редкие и редкоземельные металлы» является, среди прочего, развитие производства редкоземельных металлов.
По состоянию на 1 января 2023 года в России действовало 13 лицензий на право пользования участками недр, содержащими редкоземельные металлы: 11 — на разведку и добычу, в том числе в качестве попутного компонента (9 расположены в Арктической зоне Российской Федерации), одна — на геологическое изучение, разведку и добычу (совмещенная), и одна — на геологическое изучение с целью поисков и оценки месторождений.
Чтобы нарастить потенциал отечественной промышленности в сфере новых материалов, в 2025 году запущен национальный проект «Новые материалы и химия». В рамках нацпроекта предстоит наладить всю линейку, полный цикл индустрии редких и редкоземельных металлов, обеспечить их добычу и переработку вплоть до производства готовых высокотехнологичных товаров с высокой добавленной стоимостью. Объём выпуска такой продукции по итогам нацпроекта должен вырасти кратно.
Традиционно считается, что редкоземельные элементы характеризуются низкой токсичностью, даже способны оказывать стимулирующее действие на рост растений и применяются в качестве удобрений, например, в Китае. Однако известно и об их потенциальной токсичности для живых организмов, в том числе и растений. Были определены примерные полулетальные дозы для животных. В последние годы изучение редкоземельных элементов затронуло экологические аспекты их накопления и потенциально опасное воздействие на живые организмы. Было установлено, что основной механизм негативного воздействия редкоземельных элементов на живой организм на молекулярном уровне — окислительный стресс за счёт образования активных форм кислорода, что подобно действию тяжёлых металлов.
Однако широкой публике почти ничего не известно об источниках редкоземельных металлов и экологических проблемах, которые связаны с разработкой их месторождений.
Производственная цепочка включает добычу руды, извлечение оксидов редкоземельных элементов, очистку материала, превращение оксидов в сплавы металлов, включение сплавов в компоненты и производство конечной продукции. Расположение запасов редкоземельных элементов и мощностей по их извлечению определяют выбор места для их производства и переработки.
Одна из основных проблем, возникающих при добыче редкоземельных металлов, заключается в сложности их разделения. Существующие технологии разделения редкоземельных элементов занимают много времени, недешевы и используют токсичные материалы. И как следствие, химические реагенты попадают в грунтовые и поверхностные воды. Это приводит к гибели водных организмов, ухудшению качества питьевой воды для людей и животных, а также разрушению водных экосистем. Также установлено, что очистные сооружения не способны очистить сточные воды от редкоземельных элементов, происходит возрастание концентраций редкоземельных элементов в почве, донных отложениях, поверхностных и подземных водах. Так, например, донные отложения Красного моря значительно загрязнены La, Ce, Pr, Sm, Gd, Ho, Er, Yb.
Добыча редкоземельных металлов часто осуществляется методом открытых карьеров, что оказывает разрушительное воздействие на почвы. А удаление верхнего слоя почвы для добычи минералов делает землю непригодной для сельского хозяйства и восстановления природных экосистем. Таким образом, отработанные рудники, их отвалы и отходы обогащения руды являются вторичным антропогенным источником редкоземельных элементов в окружающей среде. Для снижения загрязнения окружающей среды и извлечения редкоземельных элементов из отходов предлагаются технологии выщелачивания редкоземельных элементов с предварительной микроволновой обработкой вторичного сырья и биовыщелачивания тяжёлых редкоземельных элементов бактериями, окисляющими серу и железо.
К примеру, на юге Китае ведётся разработка месторождений глины, из которой с применением технологии кучного выщелачивания выделяют редкоземельные металлы. А это в свою очередь, наносит серьёзный ущерб экологии вследствие кислотного шахтного дренажа. Вещества, образующиеся при кислотном шахтном дренаже, могут затем проникнуть под землю, что вызовет серьёзное заражение почв, вод и сельскохозяйственных культур редкоземельными металлами.
Для уменьшения негативного влияния в результате эффекта кислотного шахтного дренажа могут применяться как пассивные технологии естественного смягчения, использующие микробиологические процессы (например, нитрификацию/денитрификацию), так и активные технологии (коагуляция/флокуляция).
А в целом для минимизации ущерба от добычи редкоземельных металлов рекомендуется использовать более экологичные методы: развивать «зелёные» технологии, рециклинг, эффективно управлять отходами и сотрудничать на международном уровне. Выгода для государства и общества от освоения процессов рециклинга заключается в уменьшении воздействия на природную среду; отсутствии обычной для редкоземельного минерального сырья, усложняющей его переработку и требующей дорогостоящего захоронения радиоактивной составляющей, меньшей зависимости от поставщиков сырья, снижении производственных издержек в связи с отсутствием операций горно-обогатительного профиля, предшествующих химико-технологическим процессам, и создании новых рабочих мест.
Ожидается, что полученные в результате переработки отходов редкоземельные материалы будут сглаживать в будущем возможные скачки цен и дефицит того или иного металла.
Москва
