Na świecie jest ich 17. Czy pierwiastki ziem rzadkich występują w Polsce?

Zanim zaczniemy rozważania na temat rzeczywistej rzadkości tytułowych pierwiastków, przypomnijmy sobie, czym w zasadzie one są.

Metale ziem rzadkich to grupa 17 pierwiastków, do których należą skand i itr z grupy skandowców (III grupa układu okresowego) oraz wszystkie 15 pierwiastków z grupy lantanowców (wydzielonej z układu okresowego) - lantan, cer, prazeodym, neodym, promet, samar, europ, gadolin, terb, dysproz, holm, erb, tul, iterb i lutet.

Ich cechy są bardzo poszukiwane przez przemysł energetyczny i technologiczny. Poszczególne pierwiastki używane są m.in. w przemyśle kosmicznym, w bateriach, kliszach rentgenowskich, prętach sterujących reaktorów, a także do produkcji laserów, silnych magnesów czy światłowodów.

Pierwiastki ziem rzadkich stosowane są w produkcji m.in. laptopów, komputerów, telefonów, turbin wiatrowych, samochodów elektrycznych, a nawet do znakowania pieniędzy. Największym producentem związków pierwiastków ziem rzadkich, a zarazem miejscem, gdzie są one wydobywane, są Chiny, Stany Zjednoczone i Brazylia.

---

Metale ziem rzadkich to całkiem pokaźna grupa pierwiastków. Oczywiście wśród nich są rzeczywiście rzadkie, takie jak promet. To pierwiastek promieniotwórczy, który w przyrodzie nie występuje ze względu na brak izotopów trwałych, jak zaznacza prof. Andrzej Jarosiński z Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN w jednej ze swoich publikacji (patrz bibliografia na końcu artykułu). Inne publikacje mówią, że jeden z jego izotopów ¹⁴⁷Pm, z okresem półtrwania 2,62 lat, jest obecny w skorupie ziemskiej w ilości zaledwie 600 gramów. Ale najnowsze badania ujawniają, że nie są one wcale takie rzadkie.

Badanie US Geological Survey dotyczące "obfitości kryształów" różnych pierwiastków - czyli tego, ile jest dostępne, jeśli uśrednić skorupę ziemską - wykazało, że większość pierwiastków ziem rzadkich "ma ten sam rząd wielkości co zwykłe metale, takie jak miedź i cynk". Okazuje się, że wcale nie są takie rzadkie. W tym przypadku problem leży gdzie indziej - bardzo trudno je wydobyć z naturalnych źródeł.

"Kłopotliwe ziemie" byłyby lepszą nazwą. Problem w tym, że nie są one po prostu skoncentrowane w jednym miejscu. W całych złożach łupków w Stanach Zjednoczonych występuje około 300 miligramów na kilogram pierwiastków ziem rzadkich. Mniej więcej tyle byś dostał, gdybyś wykopał dziurę na swoim podwórku.

---

Zazwyczaj złoża metali są stosunkowo łatwo dostępne, ponieważ gromadzą się one w wyniku różnych procesów geologicznych. Właściwości chemiczne metali ziem rzadkich sprawiają, że pierwiastki te nie gromadzą się, a rozprzestrzeniają po całej planecie. To właśnie sprawia, że ich wydobycie jest w wielu przypadkach skrajnie nieefektywne i nieopłacalne.

W naturze metale występują w postaci związków zwanych rudami. Zawierają one cząstki metalu połączone z innymi pierwiastkami niemetalicznymi. Aby pozyskać metal, wiązania chemiczne w rudzie należy robić i usunąć niemetale. Tu pojawia się kolejny problem.

- Ruda miedzi zwykle występuje w postaci siarczku. Rudę podgrzewa się do punktu, w którym usuwa siarczki w postaci gazu, a czysta miedź spada na dno naczynia reakcyjnego. To całkiem łatwa ekstrakcja - wyjaśnił Ziemkiewicz. - Inne, jak tlenki żelaza, wymagają dodatku, aby uwolnić metal. Jednak oddzielenie pierwiastków ziem rzadkich jest znacznie trudniejsze.

Metale ziem rzadkich tworzą niezwykle silne wiązania jonowe. Aby rozbić rudy, potrzeba dostarczyć dużo energii. Często w procesie tym stosuje się bardzo niskie pH, bardzo agresywne warunki i bardzo wysokie temperatury. Właśnie ta trudność wydobycia czystego pierwiastka dała nazwę metalom ziem rzadkich.

Część naukowców prowadzi badania nad odzyskiwaniem cennych elementów z elektrośmieci i odpadów przemysłowych, inni próbują uzyskać podobne właściwości w nowych związkach. Niestety jest to konieczne, ponieważ rozwój technologii sprawia, że bez tych cennych pierwiastków nie będziemy mogli utrzymać życia na obecnym poziomie.

Według analizy przeprowadzonej przez US Geological Survey Chiny dysponują około 44 milionami ton tlenkami pierwiastków ziem rzadkich (REO). Drugie co do wielkości zapasy znajdują się w Wietnamie, a według szacunków geologów są tylko o połowę mniejsze niż w Chinach i wynoszą 22 miliony ton REO. Podobnie uważa się, że pod ziemią rosyjską i brazylijską kryje się ponad 20 milionów ton.

W Europie największe złoża odkryte zostały w Szwecji. Uważa się, że zawierają ponad milion ton REO. To jedyne miejsce w Europie, gdzie będzie mogła odbywać się eksploatacja metali ziem rzadkich. W 2021 roku 98 proc. tych metali wykorzystywanych w UE było importowanych z Chin.

W Polsce występują minerały pierwiastków ziem rzadkich, ale zawartość ich jest niewielka i nie mają znaczenia gospodarczego. Jak informuje prof. Andrzej Jarosiński w "Zeszytach Naukowych Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią z 2016 roku (pełna bibliografia na końcu artykułu). Występują one w rejonie Szklarskiej Poręby, Bogatyni, w piaskach plaż Morza Bałtyckiego oraz rejonie Tajno w pobliżu Białegostoku.

- W Polsce potencjalnym źródłem tych metali są surowce wtórne np. fosfogipsy apatytowe, zużyty sprzęt elektryczny i elektroniczny. Perspektywicznym źródłem wtórnym pierwiastków ziem rzadkich wydają się być popioły lotne ze spalania węgla kamiennego. - pisze prof. Jarosiński w streszczeniu artykułu.

Literatura źródłowa:

1) Chakhmouradian, Anton & Wall, F.. (2012). Rare Earth Elements: Minerals, Mines, Magnets (and More). Elements. 8. 333-340. DOI:10.2113/gselements.8.5.3332) Jarosiński A., 2016, Możliwości pozyskiwania metali ziem rzadkich w Polsce, Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk, nr 92, s. 75-78