Σπάνια μέταλλα στην καθημερινή ζωή: Κοινές χρήσεις και γιατί έχουν σημασία

Τα σπάνια μέταλλα είναι οι ήσυχοι εργάτες της σύγχρονης καθημερινότητας. Κάθονται μέσα στο τηλέφωνο σε ένα χέρι, ο ηλεκτροκινητήρας σε ένα παράθυρο αυτοκινήτου, το τρυπάνι σε μια εργαλειοθήκη και το εμφύτευμα σε έναν θάλαμο νοσοκομείου, ωστόσο τα περισσότερα από αυτά δεν φαίνονται ποτέ καθόλου ως μέταλλα. Η κατανόηση του ποια από αυτά τα στοιχεία είναι πραγματικά σπάνια και πού εμφανίζονται στην πραγματικότητα, βοηθά τους μηχανικούς και τους αγοραστές να κρίνουν τον κίνδυνο προσφοράς αντί να αντιδράσουν σε αυτόν.

Τι κάνει ένα μέταλλο σπάνιο

Ένα μέταλλο ονομάζεται συνήθως σπάνιο όταν είναι σπάνιο στη φύση, ευρέως διασκορπισμένο ή δύσκολο να εξαχθεί από την πρώτη του ύλη. Σημασία έχει η διασπορά όσο και η αφθονία. Το ζιρκόνιο, το βανάδιο, το λίθιο και το βηρύλλιο είναι όλα πιο άφθονα στον φλοιό της γης από τον μόλυβδο, τον ψευδάργυρο, τον υδράργυρο ή τον κασσίτερο, ωστόσο ταξινομούνται ως σπάνια επειδή σπάνια σχηματίζουν συμπυκνωμένα, οικονομικά εφαρμόσιμα μεταλλεύματα και συχνά ανακτώνται ως υποπροϊόντα άλλων ορυχείων. Καθώς η τεχνολογία εξόρυξης βελτιώνεται, το πρακτικό όριο μεταξύ σπάνιων και κοινών μετάλλων συνεχίζει να κινείται και αρκετά στοιχεία που κάποτε θεωρούνταν αξιοπερίεργα παράγονται τώρα σε βιομηχανική κλίμακα.

Οι πέντε εργαζόμενες οικογένειες σπάνιων μετάλλων

Για λόγους ευκολίας, τα σπάνια μέταλλα ομαδοποιούνται με βάση την κοινή φυσική και χημική συμπεριφορά, από τον τρόπο εμφάνισης τους στις πρώτες ύλες και από τις οδούς επεξεργασίας που χρησιμοποιούνται για την απόκτησή τους. Οι συνήθεις πέντε οικογένειες είναι:

Σπάνια ελαφρά μέταλλα, όπως το λίθιο, το ρουβίδιο, το καίσιο και το βηρύλλιο, αποτιμώνται για πολύ χαμηλή πυκνότητα.

Σπάνια πυρίμαχα μέταλλα, όπως τιτάνιο, ζιρκόνιο, άφνιο, βανάδιο, νιόβιο, ταντάλιο, μολυβδαίνιο, βολφράμιο και ρήνιο, αποτιμώνται για πολύ υψηλά σημεία τήξης.

Σπάνια διεσπαρμένα μέταλλα, όπως το γάλλιο, το ίνδιο, το γερμάνιο και το θάλλιο, τα οποία σπάνια σχηματίζουν τις δικές τους αποθέσεις και ανακτώνται από υπολείμματα διεργασίας.

Μέταλλα σπανίων γαιών, συμπεριλαμβανομένου του σκανδίου, του υττρίου, του λανθανίου, του δημητρίου, του πρασεοδύμιου, του νεοδύμιου και του προμεθίου, των οποίων η χημεία κυριαρχείται από παρόμοια ιοντική συμπεριφορά.

Σπάνια ραδιενεργά μέταλλα, όπως το ράδιο, το ακτίνιο, το θόριο και το ουράνιο, τα οποία χειρίζονται υπό αποκλειστικούς ελέγχους ακτινοβολίας.

Στη μεταλλουργία, αυτές οι οικογένειες κάνουν τη βαριά ανύψωση που δεν μπορεί να κάνει ο συνηθισμένος χάλυβας: κατασκευάζουν ειδικούς χάλυβες, εξαιρετικά-σκληρά κράματα και κράματα ανθεκτικά στη θερμότητα-, καθαρίζουν το οξυγόνο και το θείο από τα τήγματα, βελτιώνουν τη δομή των κόκκων και παρέχουν τις μαγνητικές, οπτικές και ηλεκτρονικές λειτουργίες που κανένα συμβατικό μέταλλο δεν μπορεί να προσφέρει.

Σπάνια μέταλλα στο σπίτι και στα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης

Κοιτάξτε μέσα σε ένα τυπικό νοικοκυριό και η λίστα με τα σπάνια μέταλλα είναι εκπληκτικά μεγάλη. Λιθίου τροφοδοτεί επαναφορτιζόμενες μπαταρίες σε τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές, ηλεκτρικά εργαλεία και ασύρματες σκούπες. Το ταντάλιο, με τη μορφή πυροσυσσωματωμένης σκόνης, βρίσκεται στους μικρούς συμπαγείς πυκνωτές που βρίσκονται σχεδόν σε κάθε πλακέτα κυκλώματος. Το γάλλιο εμφανίζεται στις δίοδοι εκπομπής φωτός-, στα τσιπ υψηλής-συχνότητας και στις ενώσεις που χρησιμοποιούνται για γρήγορους φορτιστές. Το ίνδιο εναποτίθεται ως οξείδιο κασσιτέρου ινδίου για να δημιουργήσει το διαφανές αγώγιμο στρώμα οθονών αφής και επίπεδων οθονών. Το νεοδύμιο και το πρασεοδύμιο μπαίνουν στους μικρούς αλλά ισχυρούς μόνιμους μαγνήτες που οδηγούν τα ηχεία, τα ακουστικά, τις μονάδες σκληρού δίσκου, τους κινητήρες αυτόματης εστίασης της κάμερας και τους κινητήρες των πλυντηρίων ρούχων. Το ύττριο και το δημήτριο χρησιμεύουν ως φώσφοροι σε λαμπτήρες και οθόνες, και το οξείδιο του δημητρίου παραμένει μια από τις πιο αποτελεσματικές ενώσεις στίλβωσης γυαλιού.

Σε μια κουζίνα ή εργαστήριο το ίδιο μοτίβο επαναλαμβάνεται. Το βολφράμιο κατασκευάζει τα νήματα παλαιότερων λαμπτήρων πυρακτώσεως και, πολύ πιο χρήσιμο σήμερα, το καρβίδιο του βολφραμίου που σχηματίζει τα άκρα κοπής των τρυπανιών, των λεπίδων πριονιού και των μύτων δρομολογητή. Το μολυβδαίνιο βελτιώνει την σκληρότητα και την αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες των χαλύβων εργαλείων και εμφανίζεται σε στερεά λιπαντικά για αρθρώσεις ακραίας-πίεσης. Το βανάδιο ενισχύει τους χάλυβες εργαλείων και τα δομικά κράματα υψηλής- αντοχής. Το τιτάνιο, αν και τεχνικά είναι ένα πυρίμαχο και δομικό μέταλλο πρώτα, εμφανίζεται σε σκελετούς γυαλιών, θήκες ρολογιών, μαγειρικά σκεύη κατασκήνωσης και αθλητικό εξοπλισμό επειδή είναι ελαφρύ, ισχυρό και ανθεκτικό στη διάβρωση. Τα κράματα πυριτόλιθου που φέρουν δημήτριο-πυρίζουν ακόμα στη φωτιά-εργαλεία εκκίνησης και τα κράματα με βάση το λανθάνιο-χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρόδια μπαταριών νικελίου{11}}μετάλλου-υδριδίου και σε εργασίες αποθήκευσης υδρογόνου.

Σπάνια μέταλλα στις μεταφορές, την ενέργεια και την ιατρική περίθαλψη

Η ηλεκτροδότηση έχει μετακινήσει σπάνια μέταλλα από το εργαστήριο στο δρόμο. Οι κινητήρες έλξης και οι γεννήτριες ανεμογεννητριών χρησιμοποιούν μαγνήτες νεοδυμίου-σιδήρου-βορίου, ενώ οι κάθοδοι των μπαταριών εξαρτώνται από το λίθιο μαζί με το νικέλιο και το κοβάλτιο και οι άνοδοι μπαταρίας μπορούν να χρησιμοποιούν γραφίτη με προσθήκες πυριτίου. Οι καταλυτικοί μετατροπείς χρησιμοποιούν μέταλλα-ομάδας πλατίνας με οξείδιο του δημητρίου για αποθήκευση και απελευθέρωση οξυγόνου. Τα ελαφριά δομικά μέρη χρησιμοποιούν όλο και περισσότερο κράματα τιτανίου όπου η αναλογία αντοχής-προς-βάρους καθορίζει την απόδοση.

Η ιατρική τεχνολογία εξαρτάται από αυτές με τρόπους που είναι δύσκολο να αντικατασταθούν. Το τιτάνιο και τα κράματά του, σε εμπορικά καθαρές ποιότητες και σε Ti-6Al-4V ELI, αποτελούν τη βάση των οστικών πλακών, βιδών, οδοντικών εμφυτευμάτων και αντικαταστάσεων αρθρώσεων, επειδή αντιστέκονται στην προσβολή σωματικών υγρών και ενσωματώνονται με τα οστά. Τα κεραμικά οξειδίου του ζιρκονίου παρέχουν τις επιφάνειες φθοράς ορισμένων εμφυτευμάτων ισχίου και μια μικρή ποσότητα κράματος ζιρκονίου χρησιμοποιείται για επένδυση σε συγκροτήματα πυρηνικών καυσίμων όπου η διαφάνεια νετρονίων έχει σημασία. Οι ενώσεις του γαδολινίου χρησιμεύουν ως παράγοντες αντίθεσης στην απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού και οι κρύσταλλοι με βάση το λουτέτιο βρίσκονται σε σαρωτές PET. Οι κρύσταλλοι γρανάτη αλουμινίου υττρίου είναι το μέσο κέρδους πολλών ιατρικών και βιομηχανικών λέιζερ.

Πίνακας Αναφοράς Καθημερινών Χρήσεων Σπάνιων Μετάλλων

Προμήθεια, Αντικατάσταση και Υπεύθυνη Χρήση

Επειδή τόσα πολλά σπάνια μέταλλα ανακτώνται ως παρα-προϊόντα, η προσφορά τους συνδέεται με την οικονομία του πρωτογενούς μετάλλου που συνοδεύουν και η έλλειψη ενός στοιχείου δεν μπορεί πάντα να λυθεί απλώς με την εξόρυξη περισσότερων από αυτό. Αυτή η πραγματικότητα οδηγεί τρεις πρακτικές απαντήσεις. Οι σχεδιαστές μειώνουν την ποσότητα που απαιτείται ανά μονάδα, όπως συνέβη με τα σκευάσματα μαγνητών και πυκνωτών. Οι κατασκευαστές αναπτύσσουν υποκατάστατα που δέχονται ελαφρώς χαμηλότερη απόδοση, όπως εναλλακτικές χημικές χημικές ουσίες μόνιμου μαγνήτη και χαμηλότερης ποιότητας-παλλάδιου σε κράματα ανθεκτικά στη διάβρωση-. Οι ανακυκλωτές ανακτούν τα μέταλλα που συγκεντρώνονται καλά στον εξοπλισμό του τέλους ζωής, συμπεριλαμβανομένων των μετάλλων της μπαταρίας, του καρβιδίου του βολφραμίου και των μαγνητών για σπάνιες γαίες.

Για τους βιομηχανικούς αγοραστές το μάθημα είναι απλό. Αντιμετωπίστε το περιεχόμενο σπάνιου μετάλλου ως κίνδυνο προμήθειας, όχι απλώς ως μια γραμμή στον λογαριασμό των υλικών. Γνωρίστε ποια στοιχεία είναι κρίσιμα για τη λειτουργία, προσδιορίστε εκ των προτέρων μια εγκεκριμένη εναλλακτική κατηγορία, διατηρήστε τις ανοχές προδιαγραφών ρεαλιστικές ώστε να μην σπαταλάται σπάνιο υλικό και σχεδιάστε για αποσυναρμολόγηση έτσι ώστε η ανάκτηση να παραμένει εφικτή όταν ο εξοπλισμός φτάσει στο τέλος της ζωής του.

Συχνές Ερωτήσεις

Ε: Είναι πράγματι σπάνια μέταλλα στον φλοιό της γης;
Όχι πάντα. Αρκετά, όπως το ζιρκόνιο, το βανάδιο, το λίθιο και το βηρύλλιο, είναι πιο άφθονα από τον μόλυβδο, τον ψευδάργυρο, τον υδράργυρο ή τον κασσίτερο. Ονομάζονται σπάνια επειδή είναι διασκορπισμένα και δύσκολο να εξαχθούν οικονομικά παρά επειδή η συνολική ποσότητα είναι μικρή.

Ε: Πώς ταξινομούνται τα σπάνια μέταλλα;
Η κοινή ταξινόμηση εργασίας διαχωρίζει τα σπάνια ελαφρά μέταλλα, τα σπάνια πυρίμαχα μέταλλα, τα σπάνια διάσπαρτα μέταλλα, τα μέταλλα σπανίων γαιών και τα σπάνια ραδιενεργά μέταλλα, ομαδοποιώντας στοιχεία που έχουν κοινή φυσική συμπεριφορά, εμφάνιση σε πρώτες ύλες ή οδούς εξαγωγής.

Ε: Ποια σπάνια μέταλλα περιέχει ένα smartphone;
Ένα τυπικό ακουστικό χρησιμοποιεί λίθιο στην μπαταρία, ταντάλιο στους συμπαγείς πυκνωτές, ίνδιο στην επίστρωση της οθόνης αφής, γάλλιο στα εξαρτήματα ραδιο{0}}συχνότητας και οθόνης, νεοδύμιο στο ηχείο και μαγνήτες δόνησης και μικρές ποσότητες φωσφόρων σπάνιων γαιών στην οθόνη.

Ε: Γιατί το τιτάνιο ομαδοποιείται με σπάνια μέταλλα όταν χρησιμοποιείται ευρέως;
Το τιτάνιο ταξινομείται ως πυρίμαχο σπάνιο μέταλλο επειδή η εξόρυξή του είναι δύσκολη και ενεργοβόρα, παρόλο που η βιομηχανική χρήση του έχει αυξηθεί πάρα πολύ σε αεροδιαστημικά, χημικά, ιατρικά και καταναλωτικά προϊόντα.

Ε: Μπορούν τα σπάνια μέταλλα να αντικατασταθούν ή να ανακυκλωθούν;
Και οι δύο διαδρομές είναι ενεργές. Οι συνθέσεις με μαγνήτες και πυκνωτές χαμηλότερου περιεχομένου-μειώνουν τη ζήτηση, οι εναλλακτικές χημικές ουσίες αντικαθιστούν ορισμένα κρίσιμα στοιχεία και η ανακύκλωση ανακτά μέταλλα μπαταριών, εργαλεία καρβιδίου βολφραμίου και μαγνήτες σπάνιων γαιών όπου υπάρχουν συστήματα συλλογής.

Ε: Τι πρέπει να κάνει ένας αγοραστής για τον κίνδυνο προμήθειας σπάνιων μετάλλων;
Προσδιορίστε ποια στοιχεία είναι λειτουργικά κρίσιμα, πληροί τις προϋποθέσεις για εναλλακτικό βαθμό πριν εμφανιστεί έλλειψη, διατηρήστε τις προδιαγραφές ρεαλιστικές για να αποφύγετε τη σπατάλη και επιλέξτε σχέδια που επιτρέπουν τον διαχωρισμό και την ανάκτηση εξαρτημάτων στο τέλος της ζωής τους.