稀土金属

　　稀土金属已被广泛应用作为稀土金属间化合物功能材料的重要原料，各种特色合金的主要合金元素以及黑色、有色冶金工业的各种添加剂。

稀土金属简介

　　元素周期表中原子序数从57到71的元素称为镧系元素，常用Ln表示，它们的名字分别称为镧(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)。

　　由于原子序数为39的钇(Y)和原子序数为21的钪(sc)与镧系元素半径相近，彼此成为近亲，也被包括在这个大家庭中，人们把这17个元素总称为稀土元素，常用符号“RE”或“R”表示。因为钷为天然放射性元素，有时被排除在外，乃有稀土包含16个元素之说。

　　有时把这个大家族又划分为2个或3个分族。例如，根据原子量的轻重，把La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu7个元素称为轻镧系，也称为轻稀土，或以其中含量Z多的铈命名为铈族稀土。把Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu8个元素称为重镧系，如果把其中原子量较小而含量较高的钇元素包括在内的话又称为钇族稀土。但分界线并不严格，有时把钆也划在轻镧系中，有时把位于中间的Sm、Eu、Gd称为中稀土。

　　稀土金属是以稀土的化合物(氯(氟)化物或氧化物)为原料，采用熔盐电解法、金属热还原法或其他方法，让化合物中的稀土金属离子获得电子而被还原为电中性的金属原子，它是稀土原子的集合体，常温为固态，而气态稀土金属只有在特殊高温状况下存在。

　　市场上售卖的稀土金属有16种，不包括钷在内。根据出售的稀土金属的纯度可略分为：稀土粗金属(90%-98%)、纯金属(>99%)和高纯稀土金属(>99.99%)。

　　工业上和市场上常用或常见的是混合稀土金属，依据含稀土金属种类不同、含量不同和用途不同可大体分为以下九个品种：

　　(1)富铈混合稀土金属：相对纯度为98%～99%，含Ce为45%～51%、La为23%～28%、Pr为5%～7%、Nd为12%～17%、非稀土杂质为1%。

　　(2)富镧混合稀土金属：相对纯度含La为40%～90%、非稀土杂质为1.0%～1.3%。

　　(3)不含钕的混合稀土金属(有的称为镧镨铈LPC混合稀土金属)：Ce为60%~62%、La为30%～32%、Pr为6%～8%。

　　(4)未分离的混合轻稀土金属：ce为45%～50%、La为22%~28%、Pr为5%~7%、Nd为12%~17%、Sm、Eu、Gd、Y等约为3%。

　　(5)不含钐的混合轻稀土金属：Ce为50%、La为30%、Pr为6%～7%、Nd为13%～17%。

　　(6)提取部分铈和提取钕后的混合稀土金属：La为78%~84%、Pr为5%～12%、Ce为5%～10%、Nd<1%。

　　(7)低铁、低锌、低镁电池级(镍一氢电池用)混合稀土金属：稀土金属总量99.5%，非稀土金属杂质Fe<0.2%、Mg<0.01%、Zn<0.01%、0<0.05%、C<0.03%。

　　(8)NdPr混合稀土金属：Nd为70%～85%、Pr为15%～30%。

　　(9)富Y稀土金属：Y>75%，其他稀土总和<25%。

　　混合稀土金属其实也可叫混合稀土合金，是某种稀土金属与一种或其他多种稀土金属组成的合金。

稀土金属的制备

　　稀土元素在自然界均以化合态形式存在，制备稀土金属单质需要采用强还原手段，使处于化合态的稀土离子转化为金属单质。通常采用熔融盐电解法和金属热还原法。

　　1、熔融盐电解法

　　稀土金属分为混合稀土金属和单一稀土金属。工业上生产大量混合稀土金属一般采用熔盐电解法。用稀土氯化物为原料，加入一定量的氯化钾或氯化钠作助熔剂，加热到820～900℃温度下进行电解，在阴极上析出稀土金属，阳极上析出氯气。如果用稀土氧化物作原料，将其先在氟化物融体中溶解、电离，后在两极上放电，阴、阳极上分别得到稀土单质和氧气。此法多用于制取重稀土金属。

　　2、金属热还原法

　　熔盐电解法制备的稀土金属纯度不高。用金属热还原法，可制得更纯的稀土金属。由于稀土氧化物的生成焓、自由能变负值很大，被还原的难度大，一般采用稀土氧化物或氯化物、氟化物作原料。还原剂常用Ca、Li、Mg、Al、C及较活泼的稀土金属。

稀土金属的提取和分离

　　从矿石中制备稀土，要经过分解矿石和分离提取单一稀土的过程。根据稀土矿物类型，矿物分解一般采用氯化法、烧碱法和硫酸法等。矿物分解后得到混合稀土，要得到单一稀土产品，还需进行稀土分离。

　　1、离子交换法

　　离子交换法就是用离子交换树脂在交换柱内分离混合离子液的方法。包括树脂的吸附和淋洗过程。常用的离子交换树脂是聚苯乙烯型强酸性阳离子交换树脂和聚苯乙烯季铵盐型强碱性阴离子交换树脂。

　　先吸附La后吸附Lu。然后使用特定的配合剂进行淋洗。选择配合淋洗剂十分关键，只有选择较好的配合剂，才能够产生分离不同稀土金属的理想效果。通常用ED2TA的铵盐作淋洗剂。由于稀土离子与EDTA形成配合物的稳定性是从La～Lu逐渐增加的，即Z先淋洗下来的是LuZ后淋洗下来的是La。

　　只要控制好条件，就可以将单一稀土金属提纯到99.9%的纯度。

　　2、溶剂萃取法

　　是指含有被萃取物的水溶液与有机溶剂接触后，通过物理化学过程，使被萃取物部分或全部转入有机相，从而达到分离目的的过程。一般情况下，光靠有机溶剂不能达到较好的萃取效果，还需借助于萃，酸性磷酸酯、TBP，磷酸三丁酯)的作用。

　　一般萃取法有2个步骤:

　　萃取:往含有混合稀土的水溶液中加入含有萃取剂的有机相，易萃组分进入有机相即为萃取。往有机相加入洗液，使难萃杂质进入水相，即为洗涤。

　　反萃取:经过洗涤的有机相加入适当的水溶液，又使被萃物转入水相，这一过程叫反萃取。萃取与反萃取重复进行可得到更纯的产品。

　　溶剂萃取法具有处理容量大、简单、快速分离效果好的优点，是目前稀土生产中应用比较广泛的一种方法。但这种方法也存在有机溶剂毒性大、易燃、易挥发，对性质相近的元素选择性仍不高等不足。

稀土金属的应用

　　1、在冶金工业中的应用

　　稀土金属具有亲和O、S、N和C等非金属元素的性能，在钢铁冶炼中加入稀土可以净化钢液，减少有害杂质，改善钢的性能。

　　在炼钢过程中加入适量的稀土金属氧化物或氟化物时，可以增加钢的硬度、耐热、耐腐蚀性能，提高钢的抗氧化能力;在铁路钢轨用钢中加入稀土金属，可以提高钢轨的耐磨性和抗剥离性，大幅增加钢轨的使用寿命;微量稀土金属可以大大改变合金的性质，因此被称为冶金工业的“维生素”。

　　在不锈钢管材的生产中，加入微量稀土金属就可以有效防止出现裂纹;镍合金中加入2%的稀土金属制成电炉丝可增强抗氧化性能，延长使用寿命。

　　许多新型稀土镁合金、铝合金、钛合金、非金属材料、功能性材料，都因其优越的性能，广泛用于制造各种飞机、航天器、火箭的零部件。高强度稀土铝合金导线、电缆，抗拉强度高，弯曲性能优越，使用寿命长，而用于高压输电线路，曾经受住十二级龙卷风的袭击。

　　稀土金属的燃点低，燃烧时放出大量的热量，因此可以用于制造民用打火石和发火合金。

　　2、在石油化学工业中的应用

　　稀土金属及其化合物对某些特定化学反应有良好的催化性能。在石油化工生产中常用稀土化合物作催化剂。如石油裂解反应所用分子筛土氧化物)，活性高、选择性好，可以提高汽油的产率，降低生产成本。

　　稀土金属化合物还可用作汽车尾气净化催化剂，在环境保护方面具有现实意义。利用稀土化合物也可作为合成异戊橡胶和顺丁橡胶的催化剂。生产的橡胶性能可与天然橡胶相媲美。

　　3、在轻工、纺织及建材工业中的应用

　　稀土金属在轻纺工业中主要用于皮革鞣制、皮毛染色、棉纺、毛纺和合成纤维的印染等。皮革鞣制过程中加入稀土助鞣剂，就会使革面细致紧密，皮板柔软，抗拉性能增强。同时可减少红矾的使用量，降低鞣制液中Cr含量，有利于保护环境;在毛纺织工艺中使用稀土作为助染剂，可以提高上染率，调整染料和纤维的亲和力，提高染色牢度，改善纤维的色泽外观质量，助剂用量减少，减少环境污染。

　　大量试验表明，在皮革的鞣制，毛线、地毯纱染色工艺中，如果加入稀土金属化合物，可使产品质量大幅度提高，产品色泽鲜艳，手感柔软。有利于我国丰富的畜产品资源的开发利用。

　　4、在农业上的应用

　　稀土金属在农业上主要作为微量元素肥料。

　　试验证明，施用适量的稀土肥料，可促进农作物的生长发育，增加单位面积产量，可使西瓜含糖量提高1%;小麦增产6%～15%;水稻增产约8%;棉花增产7%～12%;花生增产约10%;茶叶增产10%～12%;橡胶树生胶增产量10%～15%;水果、蔬菜的含糖量增加，着色加快，成熟期提前，保鲜持久等。目前，稀土肥料已在我国大面积推广使用。

　　5、在YL方面的应用

　　在医学领域，稀土金属主要用于仪器设备元器件的制造和ZL特种疾病药物的生产。如，稀土荧光粉X光机胶片制造中的应用，主要是为了增加X射线转换成图象的灵敏度，即只需要很小的射线强度就可以形成较为清晰的图象，大大减小X射线对人体辐射所造成的伤害。

　　利用稀土磁性材料，制成的磁疗仪器，对关节炎、高血压、神经性皮炎等多种疾病有明显的疗。稀土化合物被用于制造能够ZL癌肿、结核、风湿、麻风病、糖尿病、皮肤病等疾病的药物，已应用于临床ZL。

　　6、稀土储氢材料

　　氢能是解决世界能源危机的理想能源之一，在未来能源发展中将扮演非常重要的角色。氢气的储存运输是氢能开发利用的关键。

　　稀土金属与过渡元素形成的金属间化合物具有很强的吸收大量气体的能力，因此广泛应用于氢气的储存运输。如已知的LaNi₅、La₂Mg₁₇、La₂Ni₅Mg₁₇稀土储氢材料，由于其吸收和释放氢气的过程可逆、速度很快，因此用于氢动力发电机汽车储氢瓶的制造等。