Геологические причины концентрации редких металлов
Редкие металлы распределены по земной коре крайне неравномерно из-за особенностей их происхождения. Для формирования промышленного месторождения требуются редкие геологические процессы, которые происходили сотни миллионов лет назад при застывании специфических магматических расплавов или выветривании древних горных пород. Большинство таких элементов называют рассеянными, потому что они почти не образуют собственных богатых жил, концентрируясь лишь в виде микроскопических примесей в других рудах.
Литий накапливается в двух совершенно разных средах. Первая среда представляет собой пегматитовые жилы, то есть твердые кристаллические породы древних континентальных щитов. Вторая среда возникла в бессточных высокогорных котловинах, где испарение древних соленых озер миллионы лет концентрировало соли лития в подземных рассолах.
Кобальт геологически тесно связан с медью и никелем. Его атомы замещают железо и никель в кристаллической решетке сульфидных и силикатных минералов. Крупнейшие запасы кобальта образовались в осадочных бассейнах Центральной Африки благодаря сложному осаждению металлов в мелких древних морях неопротерозойской эры.
Главные центры мировой добычи
Редкоземельные элементы и доминирование Китая
Группа редкоземельных металлов включает семнадцать элементов таблицы Менделеева, среди которых скандий, иттрий и пятнадцать лантаноидов вроде неодима, празеодима и диспрозия. Главным центром их извлечения уже несколько десятилетий остается Китай. Месторождение Баян-Обо во Внутренней Монголии дает львиную долю так называемых легких редкоземельных элементов. Здесь металлы извлекают попутно с разработкой огромных запасов железной руды.
Тяжелую группу редкоземельных металлов, которая особенно ценится в производстве сверхмощных постоянных магнитов, добывают на юге Китая в провинциях Цзянси и Гуандун. Там они залегают в коре выветривания гранитов, известной как ионно-адсорбционные глины. Из таких глин металлы вымывают химическими растворами без необходимости дробить твердую скальную породу.
За пределами Китая крупная добыча ведется в Австралии на руднике Маунт-Велд и в США на месторождении Маунтин-Пасс в Калифорнии. В России базовым источником редкоземельных металлов служит Ловозерское месторождение лопаритовых руд на Кольском полуострове, а перспективным сырьевым резервом считается массив Томтор на северо-западе Якутии.
Литиевый треугольник и сподуменовые пегматиты
В географии лития четко выделяются два технологических полюса. Первый полюс находится в Южной Америке и охватывает высокогорные солончаки на границах трех государств, Чили, Боливии и Аргентины. Это пространство называют литиевым треугольником. На чилийском солончаке Атакама подземный рассол выкачивают в гигантские мелкие бассейны, где под действием палящего солнца и сухого горного ветра вода испаряется в течение года, оставляя концентрированный раствор солей.
Второй полюс опирается на традиционную открытую разработку твердых руд. Крупнейшим мировым поставщиком сподуменового концентрата является Австралия, где работает гигантский карьер Гринбушес. Добытый в Австралии минеральный концентрат затем морем отправляют на химические заводы Китая для глубокой переработки в гидроксид и карбонат лития аккумулятора качества.
Медный пояс Центральной Африки и монополия Конго
Более семидесяти процентов глобального объема кобальта поступает из Демократической Республики Конго. Рудные тела сосредоточены в провинциях Верхняя Катанга и Луалаба вдоль границы с Замбией. Кобальт здесь извлекают как попутный продукт переработки богатых осадочных медных руд.
Второй по величине производитель кобальта в мире сильно отстает от лидера. Индонезия активно наращивает поставки кобальта, попутно извлекая его из латеритных никелевых руд на острове Сулавеси с помощью автоклавного кислотного выщелачивания. В России кобальт традиционно получают на предприятиях Норильского промышленного района попутно с никелем, медью и платиноидами.
Экологические последствия и геополитическая зависимость
Производство редких металлов сопряжено с серьезной нагрузкой на природу. Переработка редкоземельного сырья часто сопровождается утилизацией слаборадиоактивных отходов, так как минералы монацит и бастнезит содержат примеси тория и урана. Из-за жестких природоохранных стандартов многие страны запада в конце двадцатого века закрыли собственные предприятия, уступив перерабатывающие мощности Китаю.
Сейчас ведущие промышленные державы стремятся диверсифицировать цепочки поставок. Разрабатываются проекты по вторичной переработке отработанных литий-ионных аккумуляторов, строятся заводы гидрометаллургии в Европе и Северной Америке, исследуются перспективы сбора глубоководных железомарганцевых конкреций со дна Тихого океана в зоне Кларион-Клиппертон.
Частые вопросы
Почему Китай держит мировое первенство по редкоземельным металлам?
Китай обладает богатейшим сырьевым запасом месторождения Баян-Обо и уникальными глинами юга страны. Главным преимуществом остается созданная за сорок лет полная цепочка химического разделения оксидов и производства готовых неодимовых магнитов, которую другим странам дорого и технически сложно воспроизвести быстро.
Есть ли в России промышленные залежи лития?
В России литий содержится в сподуменовых пегматитах Колмозерского и Полмостундровского месторождений в Мурманской области, а также в техногенных рассолах нефтегазовых месторождений Восточной Сибири. Освоение этих запасов началось недавно в рамках программ импортозамещения сырья.
Для чего именно применяют кобальт в технике?
Кобальт предотвращает перегрев и возгорание катодов в литий-ионных аккумуляторах смартфонов и электромобилей, продлевая срок их службы. Его добавляют в жаропрочные суперсплавы для лопаток авиационных турбин и ракетных двигателей.
Можно ли заменить редкие металлы другими элементами?
В некоторых сферах это удается. В тяговых батареях внедряют литий-железо-фосфатные катоды без кобальта, разрабатываются натрий-ионные элементы. В ветрогенераторах и электромоторах неодимовые магниты частично пробуют менять на электромагниты, хотя это увеличивает вес и габариты техники.