Metais

REE - Elementos de terras raras e seus usos



A demanda por elementos de terras raras cresceu rapidamente, mas sua ocorrência em depósitos mináveis ​​é limitada.


Produção de elementos de terras raras: Este gráfico mostra um histórico da produção de elementos de terras raras, em toneladas métricas de equivalente de óxido de terras raras, entre 1950 e 2017. Mostra claramente a entrada dos Estados Unidos no mercado em meados da década de 1960, quando a televisão em cores explodiu a demanda. Quando a China começou a vender terras raras a preços muito baixos no final dos anos 80 e no início dos anos 90, as minas nos Estados Unidos foram forçadas a fechar porque não conseguiam mais lucrar. Quando a China cortou as exportações em 2010, os preços das terras raras dispararam. Isso motivou a nova produção nos Estados Unidos, Austrália, Rússia, Tailândia, Malásia e outros países. Em 2016, a produção de terras raras nos Estados Unidos parou, pois a única mina restante foi colocada em cuidados e manutenção.

Tabela periódica de REE: Os elementos terras raras são os 15 elementos da série lantanídeos, além de ítrio. O escândio é encontrado na maioria dos depósitos de elementos de terras raras e às vezes é classificado como um elemento de terras raras. Imagem por.

O que são elementos de terras raras (REEs)?

Elementos de terras raras são um grupo de dezessete elementos químicos que ocorrem juntos na tabela periódica (veja a imagem). O grupo é constituído por ítrio e pelos 15 elementos lantanídeos (lantânio, cério, praseodímio, neodímio, promécio, samário, európio, gadolínio, térbio, disprósio, hólmio, érbio, túlio, itérbio e lutécio). O escândio é encontrado na maioria dos depósitos de elementos de terras raras e às vezes é classificado como um elemento de terras raras. A União Internacional de Química Pura e Aplicada inclui escândio em sua definição de elemento de terras raras.

Os elementos de terras raras são todos metais, e o grupo é freqüentemente chamado de "metais de terras raras". Esses metais têm muitas propriedades semelhantes, e isso geralmente os faz serem encontrados juntos em depósitos geológicos. Eles também são chamados de "óxidos de terras raras" porque muitos deles são tipicamente vendidos como compostos de óxidos.

Usos de elementos de terras raras: Este gráfico mostra o uso de elementos de terras raras nos Estados Unidos durante 2017. Muitos veículos usam catalisadores de terras raras em seus sistemas de escape para controle da poluição do ar. Um grande número de ligas se torna mais durável com a adição de metais de terras raras. Vidro, granito, mármore e pedras preciosas são frequentemente polidos com óxido de cério em pó. Muitos motores e geradores contêm ímãs feitos com elementos de terras raras. Os fósforos usados ​​em monitores digitais, monitores e televisões são criados com óxidos de terras raras. A maioria das baterias de computadores, telefones celulares e veículos elétricos são fabricadas com metais de terras raras.

Usos de elementos de terras raras

Metais de terras raras e ligas que os contêm são usados ​​em muitos dispositivos que as pessoas usam todos os dias, como memória de computador, DVDs, baterias recarregáveis, telefones celulares, conversores catalíticos, ímãs, iluminação fluorescente e muito mais.

Nos últimos vinte anos, houve uma explosão na demanda por muitos itens que requerem metais de terras raras. Vinte anos atrás, havia muito poucos telefones celulares em uso, mas o número aumentou para mais de 7 bilhões em uso hoje. O uso de elementos de terras raras em computadores cresceu quase tão rápido quanto os telefones celulares.

Muitas baterias recarregáveis ​​são feitas com compostos de terras raras. A demanda pelas baterias está sendo impulsionada pela demanda por dispositivos eletrônicos portáteis, como telefones celulares, leitores, computadores portáteis e câmeras.

Uso de elementos de terras raras nos Estados Unidos

Catalisadores Químicos55%
Cerâmica e fabricação de vidro15%
Metalurgia e Ligas10%
Polimento de vidro5%
De outros15%
(Dados de 2017 do USGS)

Vários quilos de compostos de terras raras estão em baterias que alimentam todos os veículos elétricos e híbridos-elétricos. Como as preocupações com a independência energética, as mudanças climáticas e outras questões impulsionam a venda de veículos elétricos e híbridos, a demanda por baterias feitas com compostos de terras raras aumentará ainda mais rapidamente.

Terras raras são usadas como catalisadores, fósforos e compostos de polimento. Eles são usados ​​para controle de poluição do ar, telas iluminadas em dispositivos eletrônicos e polimento de vidro de qualidade óptica. Espera-se que todos esses produtos experimentem uma demanda crescente.

Outras substâncias podem ser substituídas por elementos de terras raras em seus usos mais importantes; no entanto, esses substitutos geralmente são menos eficazes e dispendiosos.

Desde os anos 50 até o início dos anos 2000, o óxido de cério era um polonês lapidário muito popular. Era barato e muito eficaz. Os recentes aumentos de preços quase eliminaram o uso de óxido de cério na queda de rochas e nas artes lapidárias. Outros tipos de polimento, como alumínio e óxido de titânio, agora são usados ​​em seu lugar.

Usos de defesa de elementos de terras raras

Lantânioóculos de visão noturna
Neodímiotelêmetros a laser, sistemas de orientação, comunicações
Europiumfluorescentes e fósforos em lâmpadas e monitores
Erbiumamplificadores na transmissão de dados por fibra óptica
Samárioímãs permanentes que são estáveis ​​a altas temperaturas
Samárioarmas guiadas com precisão
Samárioprodução de "ruído branco" em tecnologia furtiva

Usos críticos de defesa

Elementos de terras raras desempenham um papel essencial em nossa defesa nacional. Os militares usam óculos de visão noturna, armas guiadas com precisão, equipamentos de comunicação, equipamentos de GPS, baterias e outros aparelhos eletrônicos de defesa. Isso dá aos militares dos Estados Unidos uma enorme vantagem. Os metais de terras raras são os principais ingredientes para a fabricação de ligas muito duras usadas em veículos blindados e projéteis que se quebram com o impacto.

Substitutos podem ser usados ​​para elementos de terras raras em algumas aplicações de defesa; no entanto, esses substitutos geralmente não são tão eficazes e diminuem a superioridade militar. Vários usos de elementos de terras raras estão resumidos na tabela a seguir 5.

Você sabia? A maior parte do escândio usado nos Estados Unidos vai para tacos de beisebol de liga de alumínio e outros equipamentos esportivos 3. O escândio também é usado em semicondutores e iluminação especial.

Esses elementos são realmente "raros"?

Elementos de terras raras não são tão "raros" quanto o próprio nome indica. Túlio e lutécio são os dois elementos de terras raras menos abundantes - mas cada um possui uma abundância crusta média de aproximadamente 200 vezes maior que a abundância crusta de ouro 1. No entanto, esses metais são muito difíceis de extrair porque é incomum encontrá-los em concentrações altas o suficiente para extração econômica.

Os elementos de terras raras mais abundantes são cério, ítrio, lantânio e neodímio 2. Eles possuem abundâncias crustais médias semelhantes aos metais industriais comumente usados, como cromo, níquel, zinco, molibdênio, estanho, tungstênio e chumbo 1. Novamente, eles são raramente encontrados em concentrações extraíveis.

Você sabia? Os ímãs de terras raras são usados ​​em turbinas eólicas. Algumas turbinas grandes requerem duas toneladas de ímãs de terras raras. Esses ímãs são muito fortes e tornam as turbinas altamente eficientes. Os ímãs de terras raras são usados ​​em turbinas e geradores em muitas aplicações de energia alternativa.

Você sabia? Os preços e a demanda por materiais de terras raras aumentaram dramaticamente na última década. A China produz cerca de 90% da oferta. Os depósitos na Austrália e nos Estados Unidos estão voltando a funcionar e a exploração em muitas novas áreas está progredindo.

Elementos pesados ​​e leves de terras raras: Os elementos de terras raras são frequentemente subdivididos em "Terras raras pesadas" e "Terras raras leves". Lantânio, cério, praseodímio, neodímio, promécio e samário são as "terras raras leves". Ítrio, európio, gadolínio, térbio, disprósio, hólmio, érbio, túlio, itérbio e lutécio são as "terras raras pesadas". Embora o ítrio seja mais leve que os elementos leves de terras raras, ele é incluído no grupo de terras raras pesadas por causa de suas associações químicas e físicas com terras raras pesadas em depósitos naturais.

Você sabia? Todo veículo elétrico-híbrido e elétrico possui uma bateria grande. Cada bateria é fabricada com vários quilos de compostos de terras raras. Espera-se que o uso de veículos elétricos aumente rapidamente, impulsionado pela independência energética, mudanças climáticas e outras preocupações. Isso aumentará a demanda por materiais de terras raras.

Você sabia? Pequenas quantidades de metais de terras raras são usadas na maioria dos pequenos dispositivos eletrônicos. Esses dispositivos têm uma vida útil curta e a reciclagem do REE é raramente realizada. Bilhões são jogados fora todos os anos.

Produção e reservas mundiais de minas(Estimativas de 2017)

PaísProdução
(Toneladas métricas)
Reservas
(Toneladas métricas)
Estados Unidos--1,400,000
Austrália20,0003,400,000
Brasil2,00022,000,000
Canadá--830,000
China105,00044,000,000
Gronelândia--1,500,000
Índia1,5006,900,000
Malawi--140,000
Malásia30030,000
Rússia3,00018,000,000
África do Sul--860,000
Tailândia1,600não disponível
Vietnã10022,000,000
Total mundial (arredondado)130,000120,000,000

História da produção e comércio de terras raras

Antes de 1965

Antes de 1965, havia relativamente pouca demanda por elementos de terras raras. Naquela época, a maior parte do suprimento mundial era produzida a partir de depósitos de placer na Índia e no Brasil. Na década de 1950, a África do Sul se tornou o principal produtor de terras raras com depósitos de monazita. Naquela época, a mina de Mountain Pass, na Califórnia, produzia pequenas quantidades de óxidos de terras raras a partir de um carbonatito pré-cambriano.

Televisão em cores acende a demanda

A demanda por elementos de terras raras viu sua primeira explosão em meados da década de 1960, quando os primeiros aparelhos de televisão em cores estavam entrando no mercado. O európio era o material essencial para produzir as imagens coloridas. A mina de Mountain Pass começou a produzir európio a partir de bastnasita, que continha cerca de 0,1% de európio. Esse esforço fez da mina de Mountain Pass o maior produtor de terras raras do mundo e colocou os Estados Unidos como o principal produtor.

China entra no mercado

A China começou a produzir quantidades notáveis ​​de óxidos de terras raras no início dos anos 80 e se tornou o principal produtor mundial no início dos anos 90. Nos anos 90 e início dos anos 2000, a China fortaleceu constantemente o mercado de óxidos de terras raras do mundo. Eles vendiam terras raras a preços tão baixos que a Mina de Mountain Pass e muitos outros no mundo inteiro não conseguiram competir e interromperam a operação.

Demanda de Defesa e Eletrônicos de Consumo

Ao mesmo tempo, a demanda mundial disparou à medida que os metais de terras raras foram projetados para uma ampla variedade de produtos de defesa, aviação, industrial e de eletrônicos de consumo. A China capitalizou sua posição dominante e começou a restringir as exportações e permitir que os preços do óxido de terras raras subissem a níveis históricos.

China como o maior consumidor de terras raras

Além de ser o maior produtor mundial de materiais de terras raras, a China também é o consumidor dominante. Eles usam terras raras principalmente na fabricação de produtos eletrônicos para os mercados doméstico e de exportação. O Japão e os Estados Unidos são o segundo e o terceiro maiores consumidores de materiais de terras raras. É possível que a relutância da China em vender terras raras seja uma defesa de seu setor manufatureiro de valor agregado.

O ápice da China no domínio da produção?

O domínio chinês pode ter atingido o pico em 2010, quando controlou cerca de 95% da produção mundial de terras raras, e os preços de muitos óxidos de terras raras aumentaram mais de 500% em apenas alguns anos. Isso foi um despertar para os consumidores de terras raras e mineradoras em todo o mundo. As empresas de mineração nos Estados Unidos, Austrália, Canadá e outros países começaram a reavaliar as antigas perspectivas de terras raras e a explorar novas.

Os altos preços também fizeram os fabricantes fazerem três coisas: 1) buscar formas de reduzir a quantidade de elementos de terras raras necessários para produzir cada um de seus produtos; 2) buscar materiais alternativos para usar no lugar de elementos de terras raras; e 3) desenvolver produtos alternativos que não exijam elementos de terras raras.

Esse esforço resultou em um declínio nas quantidades de materiais de terras raras usadas em alguns tipos de ímãs e na mudança de produtos de iluminação para terras raras para a tecnologia de diodos emissores de luz. Nos Estados Unidos, o consumo médio de terras raras por unidade de produto fabricado diminuiu, mas a demanda por mais produtos fabricados com elementos de terras raras aumentou. O resultado tem sido maior consumo.

China Compra de recursos fora da China

As empresas chinesas compram recursos de terras raras em outros países. Em 2009, a China Non-Ferrosos Metal Mining Company comprou uma participação majoritária na Lynas Corporation, uma empresa australiana que possui uma das maiores produções de elementos de terras raras fora da China. Eles também compraram a mina de Baluba na Zâmbia.

Produção de terras raras fora da China

As minas na Austrália começaram a produzir óxidos de terras raras em 2011. Em 2012 e 2013 estavam fornecendo cerca de 2% a 3% da produção mundial. Em 2012, a Mountain Pass Mine voltou à produção e os Estados Unidos produziram cerca de 4% dos elementos de terras raras do mundo em 2013. A produção no Brasil, Malásia, Rússia, Tailândia e Vietnã continuou ou aumentou.

Novas avaliações de recursos minerais realizadas pelo Serviço Geológico dos Estados Unidos identificaram recursos significativos fora da China. Embora a China seja a líder mundial na produção de terras raras, elas controlam apenas 36% das reservas mundiais. Isso oferece uma oportunidade para outros países se tornarem produtores importantes agora que a China não está vendendo materiais de terras raras abaixo do custo de produção.

Gráfico de produção REE: Este gráfico mostra o domínio da China na produção de elementos de terras raras entre 1994 e 2017. Os Estados Unidos foram um produtor significativo nos anos 90, mas os materiais de baixo preço sendo vendidos pela China forçaram minas nos Estados Unidos e em outros países fora de operação. Como a China limitou as exportações e os preços aumentaram rapidamente em 2009 e 2010, as minas na Austrália e nos Estados Unidos se tornaram ativas novamente. Faça um gráfico usando dados do United States Geological Survey.

Perigos de um produtor mundial dominante

A oferta e a demanda normalmente determinam o preço de mercado de uma mercadoria. À medida que os suprimentos diminuem, os preços sobem. À medida que os preços aumentam, aqueles que controlam a oferta são tentados a vender. As empresas de mineração veem os preços altos como uma oportunidade e tentam desenvolver novas fontes de suprimento.

Com elementos de terras raras, o tempo entre a decisão de uma empresa de mineração de adquirir uma propriedade e o início da produção pode levar vários anos ou mais. Não há uma maneira rápida de abrir uma nova propriedade de mineração.

Se um único país controla quase toda a produção e toma uma decisão firme de não exportar, todo o suprimento de uma mercadoria pode ser rapidamente cortado. Essa é uma situação perigosa quando novas fontes de suprimento demoram tanto para se desenvolver.

Em 2010, a China restringiu significativamente suas exportações de terras raras. Isso foi feito para garantir o fornecimento de terras raras para a fabricação doméstica e por razões ambientais. Essa mudança na China provocou compras de pânico, e alguns preços de terras raras dispararam exponencialmente. Além disso, o Japão, os Estados Unidos e a União Europeia reclamaram com a Organização Mundial do Comércio sobre as políticas restritivas de comércio de terras raras da China.

Óxidos de terras raras: Esses óxidos de terras raras são usados ​​como marcadores para determinar quais partes de uma bacia estão corroendo 4. No sentido horário, a partir do centro superior: praseodímio, cério, lantânio, neodímio, samário e gadolínio. Imagem de Peggy Greb, galeria de imagens do USDA.

Recursos Minerais da Terra Rara no Mundo

"Terras raras são relativamente abundantes na crosta terrestre, mas concentrações mineráveis ​​descobertas são menos comuns do que na maioria dos outros minérios. Os recursos dos EUA e do mundo estão contidos principalmente no bastnäsite e na monazita. Os depósitos de bastnäsite na China e nos Estados Unidos constituem a maior porcentagem da recursos econômicos de terras raras do mundo, enquanto os depósitos de monazita na Austrália, Brasil, China, Índia, Malásia, África do Sul, Sri Lanka, Tailândia e Estados Unidos constituem o segundo maior segmento.

Apatita, cheralita, eudiailita, loparita, fosforitos, argilas de terras raras (adsorção de íons), monazita secundária, soluções de urânio irradiado e xenotima compõem a maioria dos recursos restantes. Acredita-se que os recursos não descobertos sejam muito grandes em relação à demanda esperada. "Citado no Resumo de Mercadorias Minerais da Pesquisa Geológica dos Estados Unidos 2.

Referências a elementos de terras raras
1 Elementos de terras raras - recursos críticos para alta tecnologia: Pesquisa Geológica dos Estados Unidos, Ficha 087-02.
2 Terras raras: Joseph Gambogi, Pesquisa Geológica dos Estados Unidos, Resumos de Mercadorias Minerais, 2017.
3 Terras raras: Joseph Gambogi, Pesquisa Geológica dos Estados Unidos, Anuário de Minerais 2011.
4 Uma abordagem de terras raras para rastrear a erosão do solo: Departamento de Agricultura dos Estados Unidos, Serviço de Pesquisa Agrícola.
5 Ás da China no buraco: elementos de terras raras: Cindy A. Hurst, Imprensa da Universidade de Defesa Nacional.
6 A geologia dos elementos de terras raras: Republicação de "Os principais depósitos de elementos de terras raras dos Estados Unidos - Um resumo dos depósitos domésticos e uma perspectiva global."
7 Elementos de terras raras e segurança nacional: Relatório de Energia do Conselho de Relações Exteriores, 2014.

Outlook para elementos de terras raras

A demanda global por automóveis, eletrônicos de consumo, iluminação com eficiência energética e catalisadores deverá aumentar rapidamente na próxima década. A demanda por ímã de terras raras deve aumentar, assim como a demanda por baterias recarregáveis. Novos desenvolvimentos na tecnologia médica devem aumentar o uso de lasers cirúrgicos, ressonância magnética e detectores de cintilação por tomografia por emissão de pósitrons.

Os elementos de terras raras são muito usados ​​em todas essas indústrias, portanto a demanda por elas deve permanecer alta.