مجموعه‌ای از ۱۷ عنصر از جدول تناوبی وجود دارند که در صنایع فناوری و انرژی کاربرد زیادی دارند و به‌عنوان کمیاب‌ترین فلزهای موجود در زمین شناخته می‌شوند. این کمیابی به چه دلیل است؟
عناصر کمیاب زمین به‌خاطر ویژگی‌های مفیدی که دارند، طرفداران زیادی در صنایع انرژی و فناوری دارند. این عنصر‌ها شامل ۱۷ عنصر فلزی در بخش پایین جدول تناوبی هستند، از جمله ایتریم و اسکاندیم.
ارزشمندترین اعضای این گروه نئودیمیم، پرازئودیمیم، تربیم و دیسپروزیوم هستند. این عناصر به‌عنوان آهن‌رباهای مینیاتوری در صنایع الکترونیکی، به‌خصوص در گوشی‌های هوشمند و باتری‌های خودروهای برقی و توربین‌های بادی، کاربرد دارند. بااین‌حال، منابع این عناصر در سطح جهانی محدود هستند که برای دولت‌ها و شرکت‌ها نگرانی‌هایی ایجاد کرده‌است، زیرا برای تولید انواع محصولات پیشرفته به آن‌ها نیاز دارند. اما چرا این عناصر به اندازه‌ی این کمیابی وجود دارند؟
واقعیت این است که این عناصر اصلاً به اندازه‌ی کمیاب نیستند. بر اساس تحقیقات زمین‌شناسی ایالات متحده در مورد فراوانی کریستالی عناصر مختلف یا به‌بیان بهتر مقدار دسترسی آن‌ها در پوسته‌ی زمین، اغلب این عناصر در زمین به اندازه‌ی فلزهای رایجی مانند مس و روی یافت می‌شوند. در واقع، این عناصر حتی به اندازه‌ی فلزهای نقره، طلا و پلاتین نیز کمیاب نیستند.
نئودیمیوم، یکی از عنصرهای کمیاب روی زمین
به‌رغم رایج بودن عناصر مذکور، استخراج آن‌ها از منابع طبیعی بسیار پیچیده است و زمین‌های دشوار می‌توانند بهترین نام برای این عناصر باشند. مشکل در اینجاست که این عناصر در محدوده‌های خاصی متمرکز نشده‌اند. به‌عنوان مثال، حدود ۳۰۰ میلی‌گرم از هر کیلوگرم عنصر کمیاب زمین در سراسر شیل‌های ایالات‌متحده منتشر شده‌اند.
عموماً، فلزات به‌دلیل فرآیندهای مختلف زمین‌شناسی مانند جریان‌های گدازه‌ای، فعالیت‌های گرمابی، و شکل‌گیری کوه‌ها در پوسته‌ی زمین، در یک نقطه مشخص متمرکز می‌شوند. بااین‌حال، عناصر شیمیایی کمیاب در این شرایط در یک نقطه فشرده نمی‌شوند. این پراکندگی از استخراج عناصر کمیاب زمین یک فرآیند نامناسب می‌کند.
گاهاً، شرایط اسیدی زیرزمینی می‌توانند مقادیر کمیاب زمین را در برخی مناطق افزایش دهند؛ اما شناسایی این مناطق غنی نیز چالش مهمی را ایجاد می‌کند. فلزات به‌صورت ترکیب‌هایی به نام کانه در طبیعت یافت می‌شوند که حاوی ذرات فلزی به‌هم پیوند خورده با مواد غیرفلزی دیگر (یون‌های مخالف) هستند و با پیوندهای یونی قوی به یکدیگر مرتبط می‌شوند.
تمام فلزها از کانه‌ها استخراج می‌شوند. برای مثال، مس و آهن همگی ممکن است از کانه‌های خود به‌دست آید. به‌عنوان مثال، کانه مس به‌صورت سولفید شکل می‌گیرد. با داغ‌کردن آن تا جایی که سولفیدها به گاز تبدیل شوند، مس خالص حاصل می‌شود؛ این فرآیند استخراج نسبتاً ساده‌ای است. اما دیگر کانه‌ها مانند اکسید آهن نیاز به افزودنی برای آزاد کردن فلز دارند. بااین‌حال، استخراج عناصر کمیاب زمین یک فرآیند پیچیده‌تر است.
فلزات کمیاب زمین معمولاً دارای سه بار مثبت هستند و پیوندهای یونی بسیار قوی را با یون‌های مخالف فسفات برقرار می‌کنند که هرکدام حاوی سه یون منفی هستند. بنابراین، فرایند استخراج باید پیوند قوی بین فلز مثبت و فسفات منفی را غلبه کند که کاری آسان نیست.
استخراج فلزات کمیاب نیازمند زنجیره‌ی تأمینی پیچیده و بلند مدت است. سنگ‌های کمیاب زمین از نظر شیمیایی ماده‌های معدنی بسیار پایداری دارند؛ بنابراین، تجزیه‌و‌تحلیل آن‌ها نیاز به انرژی شیمیایی فراوان دارد. اغلب اوقات در این فرایند از pH بسیار کم و شرایط تهاجمی و دماهای بسیار زیاد استفاده می‌شود؛ زیرا پیوندهای کانه‌ای بسیار قوی هستند.
دلیل انتخاب نام “فلزات کمیاب زمین” به دلیل پیچیدگی در فرآیند استخراج است. برخی پژوهشگران در حال تلاش برای روش‌های جدیدی برای بازیافت و استخراج این فلزات ارزشمند از مواد الکترونیکی قدیمی و ضایعات صنعتی هستند تا فشار روی تأمین‌کنندگان را کاهش دهند. برخی دیگر در حال کار بر روی بازتولید ویژگی‌های الکترونیکی و مغناطیسی خاص در ترکیب‌های جدید هستند تا جایگزینی برای این فلزات فراری پیدا کنند که در دسترس‌تر و شبیه‌تر به فلزات کمیاب زمینی باشند. تا به امروز، هیچ جایگزینی برای این فلزات پیچیده و دشوار نیست.
نظرات کاربران