稀土
一、 鑭(La) "鑭"這個元素是1839年被命名的,當時有個叫"莫桑德"的瑞典人發現鈰土中含有其它元素,他借用希臘語中"隱藏"一詞把這種元素取名為"鑭"。 鑭的應用非常廣泛,如應用於壓電材料、電熱材料、熱電材料、磁阻材料、發光材料(蘭粉)、貯氫材料、光學玻璃、鐳射材料、各種合金材料等。她也應用到製備許多有機化工產品的催化劑中,光轉換農用薄膜也用到鑭,在國外,科學家把鑭對作物的作用賦與"超級鈣"的美稱。
二、 鈰(Ce) "鈰"這個元素是由德國人克勞普羅斯,瑞典人烏斯伯齊力、希生格爾於1803年發現並命名的,以紀念1801年發現的小行星--穀神星。
鈰的廣泛應用: (1)鈰作為玻璃添加劑,能吸收紫外線與紅外線,現已被大量應用於汽車玻璃。不僅能防紫外線,還可降低車內溫度,從而節約空調用電。從1997年起,日本汽車玻璃全加入氧化鈰,1996年用於汽車玻璃的氧化鈰至少有2000噸,美國約1000多噸. (2)目前正將鈰應用到汽車尾氣淨化催化劑中,可有效防止大量汽車廢氣排到空氣中美國在這方面的消費量占稀土總消費量的三分之一強。 (3)硫化鈰可以取代鉛、鎘等對環境和人類有害的金屬應用到顏料中,可對塑膠著色,也可用於塗料、油墨和紙張等行業。目前領先的是法國羅納普朗克公司。 (4)Ce:LiSAF鐳射系統是美國研製出來的固體雷射器,通過監測色氨酸濃度可用於探查生化武器,還可用於醫學。鈰應用領域非常廣泛,幾乎所有的稀土應用領域中都含有鈰。拋光粉、儲氫材料、熱電材料、鈰鎢電極、陶瓷電容器、壓電 陶瓷、鈰碳化矽磨料、燃料電池原料、汽油催化劑、某些永磁材料、各種合金鋼 及有色金屬等。
三、鐠(Pr) 大約160年前,瑞典人莫桑德從鑭中發現了一種新的元素,但它不是單一元素,莫桑德發現這種元素的性質與鑭非常相似,便將其定名為"鐠釹"。"鐠釹"希臘語為"雙生子"之意。大約又過了40多年,也就是發明汽燈紗罩的1885年,奧地利人威爾斯巴赫成功地從"鐠釹"中分離出了兩個元素,一個取名為"釹",另一個則命名為"鐠"。這種"雙生子"被分隔開了,鐠元素也有了自己施展才華的廣闊天地。鐠是用量較大的稀土元素,其用於玻璃、陶瓷和磁性材料中。
鐠的廣泛應用: (1)鐠被廣泛應用於建築陶瓷和日用陶瓷中,其與陶瓷釉混合製成色釉,也可單獨作 釉下顏料,製成的顏料呈淡黃色,色調純正、淡雅。 (2)用於製造永磁體。選用廉價的鐠釹金屬代替純釹金屬製造永磁材料,其抗氧性能和機械性能明顯提高,可加工成各種形狀的磁體。廣泛應用於各類電子器件和馬達上。 (3)用於石油催化裂化。以鐠釹富集物的形式加入Y型沸石分子篩中製備石油裂化催化劑,可提高催化劑的活性、選擇性和穩定性。我國70年代開始投入工業使用,用量不斷增大。 (4)鐠還可用於磨料拋光。另外,鐠在光纖領域的用途也越來越廣。
四、釹(Nd) 伴隨著鐠元素的誕生,釹元素也應運而生,釹元素的到來活躍了稀土領域,在稀土領域中扮演著重要角色,並且左右著稀土市場。 
釹元素憑藉其在稀土領域中的獨特地位,多年來成為市場關注的熱點。金屬釹的最大使用者是釹鐵硼永磁材料。釹鐵硼永磁體的問世,為稀土高科技領域注入了新的生機與活力。釹鐵硼磁體磁能積高,被稱作當代"永磁之王",以其優異的性能廣泛用於電子、機械等行業。阿爾法磁譜儀的研製成功,標誌著我國釹鐵硼磁體的各項磁性能已跨入世界一流水準。釹還應用於有色金屬材料。在鎂或鋁合金中添加1.5~2.5%釹,可提高合金的高溫性能、氣密性和耐腐蝕性,廣泛用作航空航太材料。另外,摻釹的釔鋁石榴石產生短波雷射光束,在工業上廣泛用於厚度在10mm以下薄型材料的焊接和切削。在醫療上,摻釹釔鋁石榴石雷射器代替手術刀用於摘除手術或消毒創傷口。釹也用於玻璃和陶瓷材料的著色以及橡膠製品的添加劑。隨著科學技術的發展,稀土科技領域的拓展和延伸,釹元素將會有更廣闊的利用空間。
五、鉕(Pm) 1947年,馬林斯基(J.A.Marinsky)、葛籣丹寧(L.E.Glendenin)和寇里爾(C.E.Coryell)從原子能反應堆用過的鈾燃料中成功地分離出61號元素,用希臘神話中的神名普羅米修士(Prometheus)命名為鉕(Promethium)。鉕為核反應爐生產的人造放射性元素。
鉕的主要用途有: (1)可作熱源。為真空探測和人造衛星提供輔助能量。 (2)Pm147放出能量低的β射線,用於製造鉕電池。作為導彈制導儀器及鐘錶的電 源。此種電池體積小,能連續使用數年之久。此外,鉕還用於可擕式X-射線儀、製備螢光粉、度量厚度以及航標燈中。
六、釤(Sm) 1879年,波依斯包德萊從鈮釔礦得到的"鐠釹"中發現了新的稀土元素,並根據這種礦石的名稱命名為釤。釤呈淺黃色,是做釤鈷系永磁體的原料,釤鈷磁體是最早得到工業應用的稀土磁體。這種永磁體有SmCo5系和Sm2Co17系兩類。70年代前期發明了SmCo5系,後期發明了Sm2Co17系。現在是以後者的需求為主。釤鈷磁體所用的氧化釤的純度不需太高,從成本方面考慮,主要使用95%左右的產品。此外,氧化釤還用於陶瓷電容器和催化劑方面。另外,釤還具有核性質,可用作原子能反應堆的結構材料,屏敝材料和控制材料,使核裂變產生巨大的能量得以安全利用。
七、銪(Eu) 1901年,德馬凱(Eugene-Antole Demarcay)從"釤"中發現了新元素,取名為銪(Europium)。這大概是根據歐洲(Europe)一詞命名的。氧化銪大部分用於螢光粉。Eu3+用於紅色螢光粉的啟動劑,Eu2+用於藍色螢光粉。現在Y2O2S:Eu3+是發光效率、塗敷穩定性、回收成本等最好的螢光粉。再加上對提高發光效率和對比度等技術的改進,故正在被廣泛應用。近年氧化銪還用於新型X射線醫療診斷系統的受激
發射螢光粉。氧化銪還可用於製造有色鏡片和光學濾光片,用於磁泡貯存器件,在原子反應堆的控制材料、屏敝材料和結構材料中也能一展身手。
八、釓(Gd) 1880年,瑞士的馬里格納克(G.de Marignac)將"釤"分離成兩個元素,其中一個由索裡特證實是釤元素,另一個元素得到波依斯包德萊的研究確認,1886年,馬里格納克為了紀念釔元素的發現者 研究稀土的先驅荷蘭化學家加多林(Gado Linium),將這個新元素命名為釓。釓在現代技革新中將起重要作用。
它的主要用途有: (1)其水溶性順磁絡合物在醫療上可提高人體的核磁共振(NMR)成像信號。 (2)其硫氧化物可用作特殊亮度的示波管和x射線螢光屏的基質柵網。 (3)在釓鎵石榴石中的釓對於磁泡記憶記憶體是理想的單基片。 (4)在無Camot迴圈限制時,可用作固態磁致冷介質。 (5)用作控制核電站的連鎖反應級別的抑制劑,以保證核反應的安全。 (6)用作釤鈷磁體的添加劑,以保證性能不隨溫度而變化。 另外,氧化釓與鑭一起使用,有助於玻璃化區域的變化和提高玻璃的熱穩定性。氧化釓還可用於製造電容器、x射線增感屏。 在世界上目前正在努力開發釓及其合金在磁致冷方面的應用,現已取得突破性進展,室溫下採用超導磁體、金屬釓或其合金為致冷介質的磁冰箱已經問世。
九、鋱(Tb) 1843年瑞典的莫桑德(Karl G.Mosander)通過對釔土的研究,發現鋱元素(Terbium)。鋱的應用大多涉及高技術領域,是技術密集、知識密集型的尖端項目,又是具有顯著經濟效益的專案,有著誘人的發展前景。
主要應用領域有: (1)螢光粉用於三基色螢光粉中的綠粉的啟動劑,如鋱啟動的磷酸鹽基質、鋱啟動的矽酸鹽基質、鋱啟動的鈰鎂鋁酸鹽基質,在激發狀態下均發出綠色光。 (2)磁光貯存材料,近年來鋱系磁光材料已達到大量生產的規模,用Tb-Fe非晶態薄膜研製的磁光光碟,作電腦記憶元件,存儲能力提高10~15倍。 (3)磁光玻璃,含鋱的法拉第旋光玻璃是製造在雷射技術中廣泛應用的旋轉器、隔離器和環形器的關鍵材料。特別是鋱鏑鐵磁致伸縮合金(TerFenol)的開發研製,更是開闢了鋱的新用途,Terfenol是70年代才發現的新型材料,該合金中有一半成份為鋱和鏑,有時加入鈥,其餘為鐵,該合金由美國依阿華州阿姆斯實驗室首先研製,當Terfenol置於一個磁場中時,其尺寸的變化比一般磁性材料變化大這種變化可以使一些精密機械運動得以實現。鋱鏑鐵開始主要用於聲納,目前已廣 泛應用於多種領域,從燃料噴射系統、液體閥門控制、微定位到機械致動器、機 構和飛機太空望遠鏡的調節機翼調節器等領域。
十、鏑(Dy) 1886年,法國人波依斯包德萊成功地將鈥分離成兩個元素,一個仍稱為鈥,而另一個根據從鈥中"難以得到"的意思取名為鏑(dysprosium)。鏑目前在許多高技術領域起著越來越重要的作用.
鏑的最主要用途是: (1)作為釹鐵硼系永磁體的添加劑使用,在這種磁體中添加2~3%左右的鏑,可提高其矯頑力,過去鏑的需求量不大,但隨著釹鐵硼磁體需求的增加,它成為必要的添加元素,品位必須在95~99.9%左右,需求也在迅速增加。 (2)鏑用作螢光粉啟動劑,三價鏑是一種有前途的單發光中心三基色發光材料的啟動離子,它主要由兩個發射帶組成,一為黃光發射,另一為藍光發射,摻鏑的發光材料可作為三基色螢光粉。 (3)鏑是製備大磁致伸縮合金鋱鏑鐵(Terfenol)合金的必要的金屬原料,能使一些機械運動的精密活動得以實現。 (4)鏑金屬可用做磁光存貯材料,具有較高的記錄速度和讀數敏感度。 (5)用於鏑燈的製備,在鏑燈中採用的工作物質是碘化鏑,這種燈具有亮度大、 顏色好、色溫高、體積小、電弧穩定等優點,已用於電影、印刷等照明光源。 (6)由於鏑元素具有中子俘獲截面積大的特性,在原子能工業中用來測定中子能譜或做中子吸收劑。 (7)Dy3Al5O12還可用作磁致冷用磁性工作物質。隨著科學技術的發展,鏑的應用領域將會不斷的拓展和延伸。
十一、鈥(Ho) 十九世紀後半葉,由於光譜分析法的發現和元素週期表的發表,再加上稀土元素電化學分離工藝的進展,更加促進了新的稀土元素的發現。1879年,瑞典人克利夫發現了鈥元素並以瑞典首都斯德哥爾摩地名命名為鈥(holmium)。 
 鈥的應用領域目前還有待于進一步開發,用量不是很大,最近,包鋼稀土研究院採用高溫高真空蒸餾提純技術,研製出非稀土雜質含量很低的高純金屬鈥Ho/ΣRE>99.9%。
目前鈥的主要用途有: (1)用作金屬鹵素燈添加劑,金屬鹵素燈是一種氣體放電燈,它是在高壓汞燈基礎上發展起來的,其特點是在燈泡裡充有各種不同的稀土鹵化物。目前主要使用的是稀土碘化物,在氣體放電時發出不同的譜線光色。在鈥燈中採用的工作物質是碘化鈥,在電弧區可以獲得較高的金屬原子濃度,從而大大提高了輻射效能。 (2)鈥可以用作釔鐵或釔鋁石榴石的添加劑; (3)摻鈥的釔鋁石榴石(Ho:YAG)可發射2μm鐳射,人體組織對2μm鐳射吸收率高, 幾乎比Hd:YAG高3個數量級。所以用Ho:YAG雷射器進行醫療手術時,不但可以提高手術效率和精度,而且可使熱損傷區域減至更小。鈥晶體產生的自由光束可消除脂肪而不會產生過大的熱量,從而減少對健康組織產生的熱損傷,據報導美國用鈥鐳射治療青光眼,可以減少患者手術的痛苦。我國2μm鐳射晶體的水準已達到國際水準,應大力開發生產這種鐳射晶體。
(4)在磁致伸縮合金Terfenol-D中,也可以加入少量的鈥,從而降低合金飽和磁化所需的外場。 (5)另外用摻鈥的光纖可以製作光纖雷射器、光纖放大器、光纖傳感器等等光通訊器件在光纖通信迅猛的今天將發揮更重要的作用。
十二、鉺(Er) 1843年,瑞典的莫桑德發現了鉺元素(Erbium)。鉺的光學性質非常突出,一直是人們關注的問題: (1)Er3+在1550nm處的光發射具有特殊意義,因為該波長正好位於光纖通訊的光學纖維的最低損失,鉺離子(Er3+)受到波長980nm、1480nm的光激發後,從基態4I15/2躍遷至高能態4I13/2,當處於高能態的Er3+再躍遷回至基態時發射出1550nm波長的光,石英光纖可傳送各種不同波長的光,但不同的光光衰率不同,1550nm頻帶的光在石英光纖中傳輸時光衰減率最低(0.15分貝/公里),幾乎為下限極限衰減率。因此,光纖通信在1550nm處作信號光時,光損失最小。這樣,如果把適當濃度的鉺摻入合適的基質中,可依據鐳射原理作用,放大器能夠補償通訊系統中的損耗,因此在需要放大波長1550nm光信號的電訊網路中,摻鉺光纖放大器是必不可少的光學器件,目前摻鉺的二氧化矽纖維放大器已實現商業化。據報導,為避免無用的吸收,光纖中鉺的摻雜量幾十至幾百ppm。光纖通信的迅猛發展,將開闢鉺的應用新領域。 (2)另外摻鉺的鐳射晶體及其輸出的1730nm鐳射和1550nm鐳射對人的眼睛安全,大氣傳輸性能較好,對戰場的硝煙穿透能力較強,保密性好,不易被敵人探測,照射軍事目標的對比度較大,已製成軍事上用的對人眼安全的可擕式鐳射測距儀。 (3)Er3+加入到玻璃中可製成稀土玻璃鐳射材料,是目前輸出脈衝能量最大,輸出功率最高的固體鐳射材料。 (4)Er3+還可做稀土上轉換鐳射材料的啟動離子。 (5)另外鉺也可應用於眼鏡片玻璃、結晶玻璃的脫色和著色等。
十三、銩(Tm) 銩元素是1879年瑞典的克利夫發現的,並以斯堪迪那維亞(Scandinavia)的舊名Thule命名為銩(Thulium)。 
 銩的主要用途有以下幾個方面:
(1)銩用作醫用輕便X光機射線源,銩在核反應爐內輻照後產生一種能發射X射線的同位素,可用來製造可擕式血液輻照儀上,這種輻射儀能使銩-169受到高中子束的作用轉變為銩-170,放射出X射線照射血液並使白血細胞下降,而正是這些白細胞引起器官移植排異反應的,從而減少器官的早期排異反應。
(2)銩元素還可以應用於臨床診斷和治療腫瘤,因為它對腫瘤組織具有較高親合性,重稀土比輕稀土親合性更大,尤其以銩元素的親合力最大。
(3)銩在X射線增感屏用螢光粉中做啟動劑LaOBr:Br(藍色),達到增強光學靈敏度,因而降低了X射線對人的照射和危害,與以前鎢酸鈣增感屏相比可降低X射線劑量50%,這在醫學應用具有重要現實的意義。
(4)銩還可在新型照明光源 金屬鹵素燈做添加劑。
(5)Tm3+加入到玻璃中可製成稀土玻璃鐳射材料,這是目前輸出脈衝量最大,輸出功率最高的固體鐳射材料。Tm3+也可做稀土上轉換鐳射材料的啟動離子。
十四、鐿(Yb) 1878年,查理斯(Jean Charles)和馬利格納克(G.de Marignac)在"鉺"中發現了新的稀土元素,這個元素由伊特必(Ytterby)命名為鐿(Ytterbium)。 
 鐿的主要用途有:
(1)作熱遮罩塗層材料。鐿能明顯地改善電沉積鋅層的耐蝕性,而且含鐿鍍層比不含鐿鍍層晶粒細小,均勻緻密。
(2)作磁致伸縮材料。這種材料具有超磁致伸縮性即在磁場中膨脹的特性。該合金主要由鐿/鐵氧體合金及鏑/鐵氧體合金構成,並加入一定比例的錳,以便產生超磁致伸縮性。
(3)用於測定壓力的鐿元件,試驗證明,鐿元件在標定的壓力範圍內靈敏度高,同時為鐿在壓力測定應用方面開闢了一個新途徑。
(4)磨牙空洞的樹脂基填料,以替換過去普遍使用銀汞合金。
(5)日本學者成功地完成了摻鐿釓鎵石榴石埋置線路波導雷射器的製備工作,這一工作的完成對雷射技術的進一步發展很有意義。另外,鐿還用於螢光粉啟動劑、無線電陶瓷、電子電腦記憶元件(磁泡)添加劑、和玻璃纖維助熔劑以及光學玻璃添加劑等。
十五、鑥(Lu) 1907年,威爾斯巴赫和尤貝恩(G.Urbain)各自進行研究,用不同的分離方法從"鐿"中又發現了一個新元素,威爾斯巴赫把這個元素取名為Cp(Cassiopeium),尤貝恩根據巴黎的舊名lutece將其命名為Lu(Lutetium)。後來發現Cp和Lu是同一元素,便統一稱為鑥。 
 鑥的主要用途有:
(1)製造某些特殊合金。例如鑥鋁合金可用於中子活化分析。
(2)穩定的鑥核素在石油裂化、烷基化、氫化和聚合反應中起催化作用。
(3)釔鐵或釔鋁石榴石的添加元素,改善某些性能。
(4)磁泡貯存器的原料。
(5)一種複合功能晶體摻鑥四硼酸鋁釔釹,屬於鹽溶液冷卻生長晶體的技術領域,實驗證明,摻鑥NYAB晶體在光學均勻性和鐳射性能方面均優於NYAB晶體。
(6)經國外有關部門研究發現,鑥在電致變色顯示和低維分子半導體中具有潛在的用途。此外,鑥還用於能源電池技術以及螢光粉的啟動劑等。
十六、釔(Y) 1788年,一位元以研究化學和礦物學、收集礦石的業餘愛好者瑞典軍官卡爾·阿雷尼烏斯(Karl Arrhenius)在斯德哥爾摩灣外的伊特必村(Ytterby),發現了外觀象瀝青和煤一樣的黑色礦物,按當地的地名命名為伊特必礦(Ytterbite)。1794年芬蘭化學家約翰·加多林分析了這種伊特必礦樣品。發現其中除鈹、矽、鐵的氧化物外,還含有38%的未知元素的氧化物棗"新土"。1797年,瑞典化學家埃克貝格
(Anders Gustaf Ekeberg)確認了這種"新土",命名為釔土(Yttria,釔的氧化物之意)。 
釔是一種用途廣泛的金屬,主要用途有:
(1)鋼鐵及有色合金的添加劑。FeCr合金通常含0.5-4%釔,釔能夠增強這些不銹鋼的抗氧化性和延展性;MB26合金中添加適量的富釔混合稀土後,合金的綜合性能得到明顯的改善,可以替代部分中強鋁合金用於飛機的受力構件上;在Al-Zr合金中加入少量富釔稀土,可提高合金導電率;該合金已為國內大多數電線廠採用;在銅合金中加入釔,提高了導電性和機械強度。
(2)含釔6%和鋁2%的氮化矽陶瓷材料,可用來研製發動機部件。
(3)用功率400瓦的釹釔鋁石榴石雷射光束來對大型構件進行鑽孔、切削和焊接等機械加工。
(4)由Y-Al石榴石單晶片構成的電子顯微鏡螢光屏,螢光亮度高,對散射光的吸收低,抗高溫和抗機械磨損性能好。
(5)含釔達90%的高釔結構合金,可以應用於航空和其它要求低密度和高熔點的場合。
(6)目前倍受人們關注的摻釔SrZrO3高溫質子傳導材料,對燃料電池、電解池和要求氫溶解度高的氣敏元件的生產具有重要的意義。此外,釔還用於耐高溫噴塗材料、原子能反應堆燃料的稀釋劑、永磁材料添加劑以及電子工業中作吸氣劑等。
十七、鈧(Sc) 1879年,瑞典的化學教授尼爾森(L.F.Nilson, 1840~1899)和克萊夫(P.T.Cleve, 1840~1905)差不多同時在稀有的礦物矽鈹釔礦和黑稀金礦中找到了一種新元素。他們給這一元素定名為"Scandium"(鈧),鈧就是門捷列夫當初所預言的"類硼"元素。他們的發現再次證明了元素週期律的正確性和門捷列夫的遠見卓識。 
鈧比起釔和鑭系元素來,由於離子半徑特別小,氫氧化物的鹼性也特別弱,因此,鈧和稀土元素混在一起時,用氨(或極稀的堿)處理,鈧將首先析出,故應用"分級沉澱"法可比較容易地把它從稀土元素中分離出來。另一種方法是利用硝酸鹽的分極分解進行分離,由於硝酸鈧最容易分解,從而達到分離的目的。 
 用電解的方法可制得金屬鈧,在煉鈧時將ScCl3、KCl、LiCl共熔,以熔融的鋅為陰極電解之,使鈧在鋅極上析出,然後將鋅蒸去可得金屬鈧。另外,在加工礦石生產鈾、釷和鑭系元素時易回收鈧。鎢、錫礦中綜合回收伴生的鈧也是鈧的重要來源之一。 鈧在化合物中主要呈3價態,在空氣中容易氧化成Sc2O3而失去金屬光澤變成暗灰色。鈧能與熱水作用放出氫,也易溶於酸,是一種強還原劑。鈧的氧化物及氫氧化物只顯鹼性,但其鹽灰幾乎不能水解。鈧的氯化物為白色結晶,易溶于水並能在空氣中潮解。 
在冶金工業中,鈧常用於製造合金(合金的添加劑),以改善合金的強度、硬度和耐熱和性能。如,在鐵水中加入少量的鈧,可顯著改善鑄鐵的性能,少量的鈧加入鋁中,可改善其強度和耐熱性。 
在電子工業中,鈧可用作各種半導體器件,如鈧的亞硫酸鹽在半導體中的應用已引起了國內外的注意,含鈧的鐵氧體在電腦磁芯中也頗有前途。 
在化學工業上,用鈧化合物作酒精脫氫及脫水劑,生產乙烯和用廢鹽酸生產氯時的高效催化劑。  
在玻璃工業中,可以製造含鈧的特種玻璃。 
在電光源工業中,含鈧和鈉製成的鈧鈉燈,具有效率高和光色正的優點。 
自然界中鈧均以45Sc形式存在,另外,鈧還有9種放射性同位素,即40~44Sc和46~49Sc。其中,46Sc作為示蹤劑,已在化工、冶金及海洋學等方面使用。在醫學上,國外還有人研究用46Sc來醫治癌症
1、稀土資源
稀土的賦存狀態 
稀土元素在地殼中主要以礦物形式存在,其賦存狀態主要有三種:(1)作為礦物的基本組成元素,稀土以離子化合物形式賦存於礦物晶格中,構成礦物的必不可少的成分。這類礦物通常稱為稀土礦物,如獨居石、氟碳鈰礦等。(2)作為礦物的雜質元素,以類質同象置換的形式,分散於造岩礦物和稀有金屬礦物中,這類礦物可稱為含有稀土元素的礦物,如磷灰石、螢石等。(3)呈離子狀態被吸附於某些礦物的表面或顆粒間。這類礦物主要是各種粘土礦物、雲母類礦物。這類狀態的稀土元素很容易提取。
已經發現的稀土礦物約有250種,但具有工業價值的稀土礦物只有50~60種,目前具有開採價值的只有10種左右,現在用於工業提取稀土元素的礦物主要有四種-氟碳鈰礦、獨居石礦、磷釔礦和風化殼淋積型礦,前三種礦占西方稀土產量的95%以上。獨居石和氟碳鈰礦中,輕稀土含量較高。磷釔礦中,重稀土和釔含量較高,但礦源比獨居石少。 
世界稀土資源擁有國除中國外,還有俄羅斯、吉爾吉斯斯坦、美國、澳大利亞、印度、薩伊等;主要稀土礦物是氟碳鈰礦、離子吸附型礦、獨居石、磷釔礦、黑稀金礦、磷灰石、鈰鈮鈣鈦礦等。主要進行開採、選礦生產的國家是中國、美國、俄羅斯、吉爾吉斯斯坦、印度、巴西、馬來西亞等。1998年全世界稀土精礦產量13萬余噸(自然噸位)。值得注意的是澳大利亞、印度、南非等擁有稀土資源的國家,在未來五年內,將克服技術障礙,生產高附加值的單一稀土產品。屆時世界市場的競爭將更加激烈。
獨居石 Monazite  獨居石又名磷鈰鑭礦。化學成分及性質:(Ce,La,Y,Th)[PO4]。成分變化很大。礦物成分中稀土氧化物含量可達50~68%。類質同象混入物有Y、Th、Ca、[SiO4]和[SO4]。獨居石溶於H3PO4、HClO4、H2SO4中。  
晶體結構及形態:單斜晶系,斜方柱晶類。晶體成板狀,晶面常有條紋,有時為柱、錐、粒狀。物理性質:呈黃褐色、棕色、紅色,間或有綠色。半透明至透明。條痕白色或淺紅黃色。具有強玻璃光澤。硬度5.0~5.5。性脆,比重4.9~5.5。電磁性中弱。在X射線下發綠光。在陰極射線下不發光。生成狀態:產在花崗岩及花崗偉晶岩中;稀有金屬碳酸岩中;雲英岩與石英岩中;雲霞正長岩、長霓岩與鹼性正長偉晶岩中;阿爾
卑斯型脈中;混合岩中;及風化殼與砂礦中。用途:主要用來提取稀土元素。產地:具有經濟開採價值的獨居石主要資源是沖積型或海濱砂礦床。最重要的海濱砂礦床是在澳大利亞沿海、巴西以及印度等沿海。此外,斯里蘭卡、馬達加斯加、南非、馬來西亞、中國、泰國、韓國、朝鮮等地都含有獨居石的重砂礦床。 
獨居石的生產近幾年呈下降趨勢,主要原因是由於礦石中釷元素具有放射性,對環境有害。
氟碳鈰礦 (Bastnaesite) 化學成分性質:(Ce,La)[CO3]F。機械混入物有SiO2、Al2O3、P2O5。氟碳鈰礦易溶於稀HCl、HNO3、H2SO4、H3PO4。晶體結構及形態:六方晶系。複三方雙錐晶類。晶體呈六方柱狀或板狀。細粒狀集合體。物理性質:黃色、紅褐色、淺綠或褐色。玻璃光澤、油脂光澤,條痕呈白色、黃色,透明至半透明。硬度4~4.5,性脆,比重4.72~5.12,有時具放射性、具弱磁性。在薄片中透明,在透射光下無色或淡黃色,在陰極射線下不發光。生成狀態:產於稀有金屬碳酸岩中;花崗岩及花崗偉晶岩中;與花崗正長岩有關的石英脈中;石英─鐵錳碳酸鹽岩脈中;砂礦中。用途:它是提取鈰族稀土元素的重要礦物原料。鈰族元素可用於製作合金,提高金屬的彈性、韌性和強度,是製作噴氣式飛機、導彈、發動機及耐熱機械的重要零件。亦可用作防輻射線的防護外殼等。此外,鈰族元素還用於製作各種有色玻璃。 
目前,已知最大的氟碳鈰礦位於中國內蒙古的白雲鄂博礦,作為開採鐵礦的副產品,它和獨居石一道被開採出來,其稀土氧化物平均含量為5~6%。品位最高的工業氟碳鈰礦礦床是美國加利福尼亞州的芒廷帕斯礦,這是世界上唯一以開採稀土為主的氟碳鈰礦。
磷釔礦(Xenotime) 化學成分及性質:Y[PO4]。成分中Y2O361.4%,P2O538.6%。有釔族稀土元素混入,其中以鐿、鉺、鏑、釓為主。尚有鋯、鈾、釷等元素代替釔,同時伴隨有矽代替磷。一般來說,磷釔礦中鈾的含量大於釷。磷釔礦化學性質穩定。晶體結構及形態:四方晶系、複四方雙錐晶類、呈粒狀及塊狀。物理性質:黃色、紅褐色,有時呈黃綠色,亦呈棕色或淡褐色。條痕淡褐色。玻璃光澤,油脂光澤。硬度4~5,比重4.4~5.1,具有弱的多色性和放射性。生成狀態:主要產於花崗岩、花崗偉晶岩中。亦產於鹼性花崗岩以及有關的礦床中。在砂礦中亦有產出。用途:大量富集時,用作提煉稀土元素的礦物原料。
風化殼淋積型稀土礦(Ion absorpt deposit) 淋積型稀土礦即離子吸附型稀土礦是我國特有的新型稀土礦物。所謂"離子吸附"系稀土元素不以化合物的形式存在,而是呈離子狀態吸附於粘土礦物中。這些稀土易為強電解質交換而轉入溶液,不需要破碎、選礦等工藝過程,而是直接浸取即可獲得混合稀土氧化物。故這類礦的特點是:重稀土元素含量高,經濟含量大,品位低,覆蓋面大,多在丘陵地帶,適於手工和半機械化開採,開採和浸取工藝簡單。   風化殼淋積型稀土礦,主要分佈在我國江西、廣東、湖南、廣西、福建等地。
2.世界稀土資源 稀土元素在地殼中豐度並不稀少,只是分散而已。因此,雖然稀土的絕對量很大,但就目前為止能真正成為可開採的稀土礦並不多,而且在世界上分佈極不均勻,主要集中在中國、美國、印度、前蘇聯、南非、澳大利亞、加拿大、埃及等幾個國家,其中中國的佔有率最高。
(1)中國  中國占世界稀土資源的41.36%,是一個名符其實的稀土資源大國。稀土資源極為豐富,分佈也極其合理,這為中國稀土工業的發展奠定了堅實的基礎。主要稀土礦有白雲鄂博稀土礦、山東微山稀土礦、冕寧稀土礦、江西風化殼淋積型稀土礦、湖南褐釔鈮礦和漫長海岸線上的海濱砂礦等等。白雲鄂博稀土礦與鐵共生,主要稀土礦物有氟碳鈰礦和獨居石,其比例為3∶1,都達到了稀土回收品位,故稱混合礦,稀土總儲量REO為3500萬噸,約占世界儲量的38%,堪稱為世界第一大稀土礦。微山稀土礦和冕寧稀土礦是以氟碳鈰礦為主,伴生有重晶石等,是組成相對簡單的一類易選的稀土礦。江西風化殼淋積型稀土礦是一種新型稀土礦種,它的選冶相對較簡單,且含中重稀土較高,是一類很有市場競爭力的稀土礦。 
中國的海濱砂也極為豐富,在整個南海的海岸線及海南島、臺灣島的海岸線可稱為海濱砂存積的黃金海岸,有近代沉積砂礦和古砂礦,其中獨居石和磷釔礦是處理海濱砂回收鈦鐵礦和鋯英石時作為副產品加以回收。 
總之中國的稀土資源儲量大,礦種和稀土元素齊全,稀土品位高,礦點分佈合理等。
(2)美國  美國它的稀土資源約占12.50%,其稀土消費和氟碳鈰礦產量幾年來一直居世界第一,但近幾年稀土產量已退居第二位,讓位於中國。 美國稀土資源主要有氟碳鈰礦、獨居石及在選別其它礦物時,作為副產品可回收黑稀金礦、矽鈹釔礦和磷釔礦。位於加利福尼亞的聖貝迪諾縣的芒廷帕斯礦,是世界上最大的單一氟碳鈰礦,該礦山1949年勘探放射性礦物時發現,稀土品位為5~10%REO,儲量達500萬噸之多,是一大型稀土礦。美國很早就開採獨居石,現在開採的砂礦量是佛羅里達州的格林科夫斯普林斯礦。礦床長約19km,寬1.2km,厚為6m,獨居石較為豐富。此外,北卡羅來納州、南卡羅來納州、佐治亞州、愛達荷州和蒙大拿州也有砂礦分佈,儲量也相當可觀。
(3)印度  印度主要礦床是砂礦。印度的獨居石生產從1911年開始,最大礦床分佈在喀拉拉邦、馬德拉斯邦和奧裡薩拉邦。有名礦區是位於印度南部西海岸的恰瓦拉和馬納範拉庫裡奇稱為特拉範科的大礦床,它在1911~1945年間的供礦量占世界的一半,現在仍然是重要的產地。1958年在鈾、釷資源勘探中,在比哈爾邦邦內陸的蘭契高原上發現了一個新的獨居石和鈦鐵礦礦床,規模巨大。印度獨居石釷含量高達8%ThO2。在馬納範拉庫裡奇采的重砂獨居石占5~6%。鈦鐵礦占65%,金紅石3%,鋯英石5~6%,石榴石7~8%。
(4)前蘇聯  前蘇聯的稀土儲量很大,主要是伴生礦床位於柯拉半島,存在於鹼性岩中的含稀土的磷灰石。 前蘇聯的主要稀土來源就是從磷灰石礦石中回收稀土,此外,在磷灰石礦石中,還可回收的稀土礦物有鈰鈮鈣鈦礦,含稀土為29~34%。另外,在赫列比特和森內爾還有氟碳鈰礦。
(5)澳大利亞  澳大利亞是獨居石的生產大國,獨居石是作為生產鋯英石和金紅石及鈦鐵礦的副產品加以回收。澳大利亞的砂礦主要集中在西部地區。澳大利亞也產磷釔礦。  澳大利亞可開發利用的稀土資源,還有位於昆士蘭州中部艾薩山的采鈾的尾礦,南澳大利亞州羅克斯伯唐斯銅、鈾金礦床。
(6)加拿大  加拿大主要從鈾礦中副產稀土。位於安大略省布來恩德裡弗-埃利特湖地區的鈾礦,主要由瀝青鈾礦、鈦鈾礦和獨居石、磷釔礦組成,在濕法提鈾時,可把稀土也提出來。 
此外,在魁北克省的奧卡地區擁有的燒綠石礦,也是稀土的一個很大潛在資源。還有紐芬蘭島和拉布拉多省境內的斯特倫奇湖礦,也含有釔和重稀土正準備開發。
(7)南非  南非是非洲地區最重要的獨居石生產國。位於開普省的斯廷坎普斯克拉爾的磷灰石礦,伴生有獨居石,是世界上唯一單一脈狀型獨居石稀土礦。此外,在東南海岸的查茲貝的海濱砂中也有稀土,在布法羅螢石礦中也伴生獨居石和氟碳鈰礦,正計畫和研究回收。
(8)馬來西亞  主要從錫礦的尾礦中回收獨居石、磷釔礦和鈮釔礦等稀土礦物,曾一度是世界重稀土和釔的主要來源。
(9)埃及  埃及從鈦鐵礦中回收獨居石。礦床位於尼羅河三角洲地區,屬於河濱沙礦,礦源由上游風化的沖積砂沉積而成,獨居石儲量約20萬噸。
(10)巴西  巴西是世界稀土生產的最古老國家,1884年開始向德國輸出獨居石,曾一度名揚世界。巴西的獨居石資源主要集中於東部沿海,從里約熱內盧到北部福塔雷薩,長達約643km地區,礦床規模大。
3、稀土生產與分離  稀土市場是一個多元化的市場,它不只是一個產品,而是15個稀土元素和釔、鈧及其各種化合物從純度46%的氯化物到99.9999%的單一稀土氧化物及稀土金屬,均具有多種多樣的用途。加上相關的化合物和混合物,產品不計其數。首先從最初的礦石開採起,我們逐一介紹稀土的分離方法和冶煉過程。
4、稀土選礦 選礦是利用組成礦石的各種礦物之間的物理化學性質的差異,採用不同的選礦方法,借助不同的選礦工藝,不同的選礦設備,把礦石中的有用礦物富集起來,除去有害雜質,並使之與脈石礦物分離的機械加工過程。
當前我國和世界上其它國家開採出來的稀土礦石中,稀土氧化物含量只有百分之幾,甚至有的更低,為了滿足冶煉的生產要求,在冶煉前經選礦,將稀土礦物與脈石礦物和其它有用礦物分開,以提高稀土氧化物的含量,得到能滿足稀土冶金要求的稀土精礦。 稀土礦的選礦一般採用浮選法,並常輔以重選、磁選組成多種組合的選礦工藝流程。內蒙古白雲鄂博礦山的稀土礦床,是鐵白雲石的碳酸岩型礦床,在主要成分鐵礦中伴生稀土礦物(除氟碳鈰礦、獨居石外,還有數種含鈮、稀土礦物)。采出的礦石中含鐵30%左右,稀土氧化物約5%。在礦山先將大礦石破碎後,用火車運至包頭鋼鐵集團公司的選礦廠。選礦廠的任務是將Fe2O3從33%提高到55%以上,先在錐形球磨機上磨礦分級,再用圓筒磁選機選得62~65%Fe2O3的一次鐵精礦。其尾礦繼續進行浮選與磁
選,得到含45%Fe2O3以上的二次鐵精礦。稀土富集在浮選泡沫中,品位達到10~15%。該富集物可用搖床選出REO含量為30%的粗精礦,經選礦設備再處理後,可得到REO60%以上的稀土精礦。
5、稀土冶煉方法 
稀土冶煉方法有兩種,即濕法冶金和火法冶金。(1)濕法冶金屬化工冶金方式,全流程大多處於溶液、溶劑之中,如稀土精礦的分解、稀土氧化物、稀土化合物、單一稀土金屬的分離和提取過程就是採用沉澱、結晶、氧化還原、溶劑萃取、離子交換等化學分離工藝過程。現應用較普遍的是有機溶劑萃取法,它是工業分離高純單一稀土元素的通用工藝。
濕法冶金流程複雜,產品純度高,該法生產成品應用面廣闊。(2)火法冶金工藝過程簡單,生產率較高。稀土火法冶煉主要包括矽熱還原法制取稀土合金,熔鹽電解法制取稀土金屬或合金,金屬熱還原法制取稀土合金等。火法冶金的共同特點是在高溫條件下生產。
6、稀土精礦的分解 
稀土精礦中的稀土,一般呈難溶于水的碳酸鹽、氟化物、磷酸鹽、氧化物或矽酸鹽等形態。必須通過各種化學變化將稀土轉化為溶于水或無機酸的化合物,經過溶解、分離、淨化、濃縮或灼燒等工序,製成各種混合稀土化合物如混合稀土氯化物,作為產品或分離單一稀土的原料,這樣的過程稱為稀土精礦分解也稱為前處理。分解稀土精礦有很多方法,總的來說可分為三類,即酸法、堿法和氯化分解。酸法分解又分為鹽酸分解、硫酸分解和氫氟酸分解法等。堿法分解又分為氫氧化鈉分解或氫氧化鈉熔融或蘇打焙燒法等。一般根據精礦的類型、品位特點、產品方案、便於非稀土元素的回收與綜合利用、利於勞動衛生與環境保護、經濟合理等原則選擇適宜的工藝流程。 
7、碳酸稀土和氯化稀土的生產
這是稀土工業中最主要的兩種初級產品,一般地說,目前有兩個主要工藝生產這兩種產品。一個工藝是濃硫酸焙燒工藝,即把稀土精礦與硫酸混合在回轉窯中焙燒。經過焙燒的礦用水浸出,則可溶性的稀土硫酸鹽就進入水溶液,稱之為浸出液。然後往浸出液中加入碳酸氫銨,則稀土呈碳酸鹽沉澱下來,過濾後即得碳酸稀土。另一種工藝叫燒鹼法工藝,簡稱堿法工藝。一般是將60%的稀土精礦與濃堿液攪勻,在高溫下熔融反應,稀土精礦即被分解,稀土變為氫氧化稀土,把堿餅經水洗除去鈉鹽和多餘的堿,然後把水洗過的氫氧化稀土再用鹽酸溶解,稀土被溶解為氯化稀土溶液,調酸度除去雜質,過濾後的氯化稀土溶液經濃縮結晶即制得固體的氯化稀土。
8、稀土元素的分離
目前,除Pm以外的16個稀土元素都可提純到6N(99.9999%)的純度。由稀土精礦分解後所得到的混合稀土化合物中,分離提取出單一純稀土元素,在化學工藝上
是比較複雜和困難的。其主要原因有二個,一是鑭系元素之間的物理性質和化學性質十分相似,多數稀土離子半徑居於相鄰兩元素之間,非常相近,在水溶液中都是穩定的三價態。稀土離子與水的親和力大,因受水合物的保護,其化學性質非常相似,分離提純極為困難。二是稀土精礦分解後所得到的混合稀土化合物中伴生的雜質元素較多(如鈾、釷、鈮、鉭、鈦、鋯、鐵、鈣、矽、氟、磷等)。因此,在分離稀土元素的工藝流程中,不但要考慮這十幾個化學性質極其相近的稀土元素之間的分離,而且還必須考慮稀土元素同伴生的雜質元素之間的分離。 
現在稀土生產中採用的分離方法:
(1)分步法  從1794年發現的釔(Y)到1905年發現的鑥(Lu)為止,所有天然存在的稀土元素間的單一分離,還有居裡夫婦發現的鐳,都是用這種方法分離的。分步法是利用化合物在溶劑中溶解的難易程度(溶解度)上的差別來進行分離和提純的。方法的操作程式是:將含有兩種稀土元素的化合物先以適宜的溶劑溶解後,加熱濃縮,溶液中一部分元素化合物析出來(結晶或沉澱)。析出物中,溶解度較小的稀土元素得到富集,溶解度較大點的稀土元素在溶液中也得到富集。因為稀土元素之間的溶解度差別很小,必須重複操作多次才能將這兩種稀土元素分離開來,因而這是一件非常困難的工作。全部稀土元素的單一分離耗費了100多年,一次分離重複操作竟達2萬次,對於化學工作者而言,其艱辛的程度,可想而知。因此用這樣的方法不能大量生產單一稀土。
(2)離子交換法  由於分步法不能大量生產單一稀土,因而稀土元素的研究工作也受到了阻礙,第二次世界大戰後,美國原子彈研製計畫即所謂曼哈頓計畫推動了稀土分離技術的發展,因稀土元素和鈾、釷等放射性元素性質相似,為儘快推進原子能的研究,就將稀土作為其代用品加以利用。而且,為了分析原子核裂變產物中含有的稀土元素,並除去鈾、釷中的稀土元素,研究成功了離子交換色層分析法(離子交換法),進而用於稀土元素的分離。  離子交換色層法的原理是:首先將陽離子交換樹脂填充於柱子內,再將待分離的混合稀土吸附在柱子入口處的那一端,然後讓淋洗液從上到下流經柱子。形成了絡合物的稀土就脫離離子交換樹脂而隨淋洗液一起向下流動。流動的過程中稀土絡合物分解,再吸附於樹脂上。就這樣,稀土離子一邊吸附、脫離樹脂,一邊隨著淋洗液向柱子的出口端流動。由於稀土離子與絡合劑形成的絡合物的穩定性不同,因此各種稀土離子向下移動的速度不一樣,親和力大的稀土向下流動快,結果先到達出口端。
離子交換法的優點是一次操作可以將多個元素加以分離。而且還能得到高純度的產品。這種方法的缺點是不能連續處理,一次操作週期花費時間長,還有樹脂的再生、交換等所耗成本高,因此,這種曾經是分離大量稀土的主要方法已從主流分離方法上退下來,而被溶劑萃取法取代。但由於離子交換色層法具有獲得高純度單一稀土產品的突出特點,目前,為制取超高純單品以及一些重稀土元素的分離,還需用離子交換色層法分離制取一稀土產。
(3)溶劑萃取法  利用有機溶劑從與其不相混溶的水溶液中把被萃取物提取分離出來的方法稱之為有機溶劑液-液液萃取法,簡稱溶劑萃取法,它是一種把物質從一
個液相轉移到另一個液相的傳質過程。溶劑萃取法在石油化工、有機化學、藥物化學和分析化學方面應用較早。但近四十年來,由於原子能科學技術的發展,超純物質及稀有元素生產的需要,溶劑萃取法在核燃料工業、稀有冶金等工業方面,得到了很大的發展。我國在萃取理論的研究、新型萃取劑的合成與應用和稀土元素分離的萃取工藝流程等方面,均達到了很高的水準。  溶劑萃取法其萃取過程與分級沉澱、分級結晶、離子交換等分離方法相比,具有分離效果好、生產能力大、便於快速連續生產、易於實現自動控制等一系列優點,因而逐漸變成分離大量稀土的主要方法。
溶劑萃取法的分離設備有混合澄清槽、離心萃取器等,提純稀土所用的萃取劑有:以酸性磷酸酯為代表的陽離子萃取劑如P204、P507,以胺為代表的陰離子交換液N1923和以TBP、P350等中性磷酸酯為代表的溶劑萃取劑三種。這些萃取劑的粘度與比重都很高,與水不易分離。通常用煤油等溶劑將其稀釋再用。萃取工藝過程一般可分為三個主要階段:萃取、洗滌、反萃取。
9、稀土金屬的製備  
稀土金屬的生產
稀土金屬一般分為混合稀土金屬和單一稀土金屬。混合稀土金屬的組成與礦石中原有的稀土成份接近,單一金屬是各稀土分離精製的金屬。以稀土氧化物(除釤、銪、鐿及銩的氧化物外)為原料用一般冶金方法很難還原成單一金屬,因其生成熱很大、穩定性高。因此目前生產稀土金屬常用的原料是它們的氯化物和氟化物。
(1)熔鹽電解法  工業上大批量生產混合稀土金屬一般使用熔鹽電解法。這一方法是把稀土氯化物等稀土化合物加熱熔融,然後進行電解,在陰極上析出稀土金屬。電解法有氯化物電解和氧化物電解兩種方法。單一稀土金屬的製備方法因元素不同而異。釤、銪、鐿、銩因蒸氣壓高,不適於電解法製備,而使用還原蒸餾法。其它元素可用電解法或金屬熱還原法製備。氯化物電解是生產金屬最普通的方法,特別是混合稀土金屬工藝簡單,成本便宜,投資小,但最大缺點是氯氣放出,污染環境。氧化物電解沒有有害氣體放出,但成本稍高些,一般生產價格較高的單一稀土如釹、鐠等都用氧化物電解。
(2)真空熱還原法  電解法只能製備一般工業級的稀土金屬,如要製備雜質較低,純度高的金屬,一般用真空熱還原的方法來制取。一般是把稀土氧化物先製成氟化稀土,在真空感應爐內用金屬鈣進行還原,制得粗金屬,然後再經過重熔和蒸餾獲得較純的金屬,這一方法可以生產所有的單一稀土金屬,但釤、銪、鐿、銩不能用這種方法。 釤、銪、鐿、銩與鈣的氧化還原電位僅使氟化稀土產生部分還原。一般製備這些金屬,是利用這些金屬的高蒸汽壓和鑭金屬的低蒸氣壓的原理,將這四種稀土的氧化物與鑭金屬的碎屑混合壓塊,在真空爐中進行還原,鑭比較活潑,釤、銪、鐿、銩被鑭還原成金屬後收集在冷凝上,與渣很容易分開。