《稀土元素研究進(jìn)展》課件

稀土元素研究進(jìn)展稀土元素是現(xiàn)代工業(yè)和高科技不可或缺的關(guān)鍵材料目錄基礎(chǔ)概念稀土元素概述物理化學(xué)性質(zhì)全球資源分布應(yīng)用與技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域提取分離技術(shù)新興研究進(jìn)展行業(yè)與展望產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀可持續(xù)利用1.稀土元素概述定義與分類包括鑭系15個元素及鈧、釔共17種元素按相對含量分為輕稀土和重稀土歷史背景1787年嘉道理·阿列尼烏斯發(fā)現(xiàn)第一種稀土礦物稀土元素的發(fā)現(xiàn)歷程11787年嘉道理發(fā)現(xiàn)"伊特比礦"21839年莫桑德分離出鑭31879年尼爾森發(fā)現(xiàn)鈧41907年稀土元素在元素周期表中的位置周期表位置位于元素周期表第三副族鑭系元素原子序數(shù)57-71，從鑭到镥鈧和釔2.稀土元素的物理化學(xué)性質(zhì)電子構(gòu)型4f軌道電子逐漸填充具有獨特的電子能級結(jié)構(gòu)氧化態(tài)主要氧化態(tài)為+3部分元素存在+2或+4氧化態(tài)化學(xué)性質(zhì)相互之間性質(zhì)極為相似形成強氧化物和氯化物稀土元素的磁性特征高磁矩?fù)碛形闯蓪?f電子磁性隨溫度變化居里溫度因元素而異磁各向異性可用于制造強力永磁材料自旋-軌道耦合產(chǎn)生獨特磁性能稀土元素的光學(xué)特性窄帶發(fā)射譜產(chǎn)生特定波長光熒光特性可轉(zhuǎn)換光譜波長激光材料能級躍遷穩(wěn)定稀土元素的催化性能高催化活性4f電子提供多樣催化位點表面具有可變價態(tài)選擇性催化催化裂化反應(yīng)氫化/脫氫反應(yīng)熱穩(wěn)定性高溫條件下保持活性延長催化劑壽命3.全球稀土資源分布44%中國世界最大稀土儲量國18%越南儲量位居世界第二15%巴西大量未開發(fā)儲量23%其他國家俄羅斯、印度、澳大利亞等全球稀土儲量分布圖中國越南巴西俄羅斯印度澳大利亞其他中國稀土資源分布特點4.稀土元素的應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)應(yīng)用冶金、陶瓷、玻璃、石油催化高科技領(lǐng)域永磁、激光、儲氫、超導(dǎo)新能源風(fēng)力發(fā)電、電動汽車、節(jié)能燈醫(yī)療磁共振成像、癌癥治療稀土在永磁材料中的應(yīng)用主要稀土永磁材料釹鐵硼、釤鈷是最主要兩種材料特性高矯頑力、高剩磁感應(yīng)強度應(yīng)用領(lǐng)域硬盤驅(qū)動器、風(fēng)力發(fā)電機、電動機研發(fā)方向降低重稀土用量、提高溫度穩(wěn)定性稀土在催化劑中的應(yīng)用石油煉制提高石油裂化效率汽車尾氣凈化鈰基三元催化轉(zhuǎn)化有害氣體工業(yè)催化用于聚合物合成和精細(xì)化工稀土在發(fā)光材料中的應(yīng)用銪（紅色熒光粉）用于LED、顯示器、安全標(biāo)記鋱（綠色熒光粉）應(yīng)用于熒光燈、投影儀鈰（藍(lán)色熒光粉）用于節(jié)能燈、X射線增強屏稀土在玻璃陶瓷中的應(yīng)用光學(xué)玻璃鑭和釔提高折射率特種玻璃鈰增強抗紫外線能力玻璃拋光氧化鈰是重要拋光材料高級陶瓷提高強度和熱震穩(wěn)定性稀土在冶金工業(yè)中的應(yīng)用鋼鐵冶金脫氧、脫硫、細(xì)化晶粒鋁合金提高強度和耐熱性鎂合金改善鑄造性能超合金提高高溫抗氧化性能稀土在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用氫能技術(shù)稀土鑭鎳合金是理想儲氫材料用于鎳氫電池負(fù)極太陽能提高光電轉(zhuǎn)換效率稀土摻雜可調(diào)光譜響應(yīng)風(fēng)能稀土永磁發(fā)電機大幅減輕重量提高發(fā)電效率15-20%稀土在軍事國防中的應(yīng)用先進(jìn)武器系統(tǒng)制導(dǎo)系統(tǒng)、激光裝置夜視設(shè)備、制導(dǎo)武器航空航天特種合金材料雷達(dá)和通信系統(tǒng)核能應(yīng)用核反應(yīng)堆控制材料中子吸收劑5.稀土元素的提取與分離技術(shù)礦石開采主要開采包鎢礦、離子吸附型黏土物理選礦浮選、重選、磁選等方法富集化學(xué)浸取硫酸、鹽酸、堿浸取稀土分離純化萃取、離子交換等方法分離各元素離子交換法分離稀土元素原理基于稀土離子與樹脂交換平衡差異過程溶液通過樹脂柱，不同稀土元素選擇性吸附優(yōu)點高純度分離，適合小規(guī)模生產(chǎn)缺點周期長，成本高，難以工業(yè)化溶劑萃取法分離稀土元素萃取劑選擇有機磷酸酯類、胺類萃取劑萃取過程水相與有機相接觸實現(xiàn)元素轉(zhuǎn)移反萃取有機相中稀土轉(zhuǎn)移回水相工業(yè)應(yīng)用連續(xù)逆流萃取實現(xiàn)大規(guī)模分離4新型稀土分離技術(shù)：納米孔分離法納米膜技術(shù)利用離子尺寸差異實現(xiàn)分離環(huán)保優(yōu)勢減少有機溶劑使用，降低環(huán)境影響能耗降低比傳統(tǒng)方法能耗降低約30%效率提升分離速度快，可連續(xù)操作6.稀土元素的環(huán)境效應(yīng)生態(tài)影響開采造成水土流失、植被破壞水體污染酸性廢水含重金屬、放射性元素土壤污染改變土壤理化性質(zhì)，影響作物生長健康風(fēng)險長期接觸可能引起呼吸系統(tǒng)、肝臟損傷稀土開采對環(huán)境的影響傳統(tǒng)開采綠色開采稀土元素在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化大氣擴散粉塵形式傳播水體遷移溶解態(tài)和顆粒態(tài)轉(zhuǎn)運土壤富集與有機質(zhì)結(jié)合形成絡(luò)合物7.稀土產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀全球稀土產(chǎn)量與需求趨勢產(chǎn)量(千噸)需求量(千噸)中國稀土產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)政策嚴(yán)控開采配額，整合產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)創(chuàng)新提高分離純度，發(fā)展深加工技術(shù)國際合作全球資源布局，共建產(chǎn)業(yè)鏈8.稀土元素研究的最新進(jìn)展材料科學(xué)領(lǐng)域高性能磁制冷材料，稀土超導(dǎo)體環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域生物吸附分離，環(huán)境修復(fù)技術(shù)能源科學(xué)領(lǐng)域新型電池材料，燃料電池催化劑醫(yī)學(xué)領(lǐng)域靶向藥物輸送，診斷成像技術(shù)稀土基納米材料研究進(jìn)展制備方法水熱合成、溶膠-凝膠法、微乳液法可控形貌和尺寸分布特性研究量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)光學(xué)、磁學(xué)、催化性能增強應(yīng)用前景高密度存儲、生物標(biāo)記高效催化劑、光電器件稀土在電催化CO2還原中的應(yīng)用催化機理調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)，活化CO2分子產(chǎn)物選擇性定向生成CO、甲酸或甲醇能量效率降低反應(yīng)過電位，提高法拉第效率研究進(jìn)展鈰基催化劑轉(zhuǎn)化率提高30%稀土在全固態(tài)鋰電池中的研究進(jìn)展稀土摻雜電解質(zhì)改善離子導(dǎo)電性提高電化學(xué)穩(wěn)定性正極材料改性抑制界面副反應(yīng)提高循環(huán)壽命負(fù)極材料應(yīng)用防止鋰枝晶生長增強安全性能稀土元素在海洋科學(xué)中的應(yīng)用海洋沉積物研究作為古海洋環(huán)境代用指標(biāo)熱液活動研究示蹤海底熱液循環(huán)過程水體循環(huán)示蹤追蹤洋流運動和混合9.稀土元素在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展風(fēng)力發(fā)電永磁直驅(qū)發(fā)電機提高效率電動汽車驅(qū)動電機和電池技術(shù)太陽能轉(zhuǎn)換提高光電轉(zhuǎn)換效率氫能技術(shù)儲氫材料和燃料電池稀土永磁體在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用傳統(tǒng)技術(shù)使用電磁勵磁發(fā)電機，體積大稀土永磁技術(shù)使用釹鐵硼永磁體，體積減小40%技術(shù)優(yōu)勢無需勵磁，效率提高3-5個百分點發(fā)展趨勢重稀土減量化設(shè)計，抗退磁能力提升稀土材料在電動汽車中的應(yīng)用驅(qū)動電機釹鐵硼永磁體提高功率密度電池技術(shù)鑭系元素改善電池性能電子元件用于傳感器、顯示屏催化轉(zhuǎn)換器鈰基材料凈化排放10.稀土元素在信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展智能手機振動器、揚聲器和顯示技術(shù)計算機硬件硬盤驅(qū)動器和數(shù)據(jù)存儲網(wǎng)絡(luò)設(shè)備光纖放大器和網(wǎng)絡(luò)通信稀土元素在智能手機中的應(yīng)用顯示屏銪、鋱用于發(fā)光材料揚聲器和麥克風(fēng)釹鐵硼磁體降低體積振動器使用稀土永磁體玻璃拋光氧化鈰拋光劑稀土材料在計算機存儲技術(shù)中的應(yīng)用硬盤驅(qū)動器釹鐵硼磁體用于高密度數(shù)據(jù)存儲每平方英寸可存儲超過1TB數(shù)據(jù)磁阻隨機存取存儲器釓基材料用于MRAM快速讀寫，低功耗激光存儲鋱、鏑用于磁光存儲介質(zhì)長期數(shù)據(jù)保存，高密度11.稀土元素在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展釓造影劑在磁共振成像中的應(yīng)用成像原理釓縮短周圍質(zhì)子T1弛豫時間增強效果顯著提高病變與正常組織對比度臨床應(yīng)用腫瘤、血管、炎癥成像稀土元素在腫瘤靶向治療中的研究進(jìn)展60%腫瘤抑制率鋱基納米粒子治療效果5倍蓄積量增加與非靶向治療相比80%副作用降低與傳統(tǒng)化療相比12.稀土元素在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用水處理稀土基吸附劑去除重金屬和磷空氣凈化鈰基催化劑去除NOx和VOCs土壤修復(fù)稀土改良劑固定重金屬污染監(jiān)測稀土熒光探針檢測有機污染物稀土基材料在水污染處理中的應(yīng)用稀土催化劑在汽車尾氣凈化中的應(yīng)用主要成分以氧化鈰為載體的貴金屬催化劑儲放氧功能適應(yīng)不同空燃比條件凈化效果CO、HC、NOx轉(zhuǎn)化率>95%熱穩(wěn)定性800℃下仍保持高活性13.稀土資源的可持續(xù)利用回收技術(shù)廢舊永磁體、熒光粉回收冶煉渣中稀土回收替代研究非稀土或低稀土替代材料減少重稀土使用量綠色開采生物浸取技術(shù)原位浸取減少環(huán)境破壞稀土資源回收利用技術(shù)進(jìn)展永磁體回收廢舊電機、硬盤中回收釹、鏑熒光粉回收從廢舊燈管回收銪、鋱、鈰電池回收從鎳氫電池回收鑭、鈰4工業(yè)廢渣從冶煉渣中回收散失稀土稀土替代材料研究現(xiàn)狀磁性材料替代鐵氮合金、納米復(fù)合磁體發(fā)光材料替代錳基、銅基熒光粉催化劑替代過渡金屬催化劑，減少鈰用量14.稀土元素研究的未來展望量子技術(shù)量子計算、量子通信2能源領(lǐng)域可控核聚變、先進(jìn)核能生物醫(yī)學(xué)精準(zhǔn)醫(yī)療、神經(jīng)調(diào)控航空航天超高溫材料、推進(jìn)系統(tǒng)稀土在量子計算中的潛在應(yīng)用量子位材料稀土離子作為固態(tài)量子位長相干時間，高保真度量子存儲鉺摻雜晶體用于量子存儲可與光子量子位接口量子傳感稀土基單分子磁體超高靈敏度磁傳感器稀土在可控核聚變中的潛在應(yīng)用超導(dǎo)磁體稀土基高溫超導(dǎo)材料中子屏蔽釓、硼化合物吸收中子結(jié)構(gòu)材料耐輻照稀土合金氚增殖含稀土鋰陶瓷15.稀土產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)資源挑戰(zhàn)優(yōu)質(zhì)資源日益減少環(huán)境壓力開采分離過程污染嚴(yán)重技術(shù)瓶頸高效綠色分離技術(shù)不足市場風(fēng)險價格波動大，供需失衡稀土資源可持續(xù)開發(fā)的挑戰(zhàn)資源枯竭環(huán)境污染技術(shù)障礙能源消耗政策限制稀土產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展的路徑循環(huán)利用建立完整回收體系清潔生產(chǎn)發(fā)展綠色提取工藝高效利用減量化設(shè)計和使用3全生命周期管理從開采到回收全程控制16.國際合作與競爭資源合作聯(lián)合勘探開發(fā)，建立戰(zhàn)略儲備技術(shù)合作研發(fā)聯(lián)盟，共享先進(jìn)技術(shù)貿(mào)易互通建立公平貿(mào)易機制，穩(wěn)定供應(yīng)鏈全球稀土產(chǎn)業(yè)鏈布局區(qū)域主要優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)鏈地位中國完整產(chǎn)業(yè)鏈，技術(shù)成熟開采、分離、深加工全覆蓋美國高端應(yīng)用研發(fā)高科技