如何稀有金属短缺正在影响绿色技术的未来

随着全球努力减少温室气体排放，讽刺的是，一些节能或资源节约技术没有得到充分利用，仅仅是因为我们没有足够的原材料来制造它们。当他们在2009年试图实现这一转变时通用电气他们将无法获得足够的稀土来制造新灯泡。

对新的和更好的技术在移动 - 从智能手机到电动汽车- 用于特殊金属是稀缺由于双方地质学和政治的需求不断增长。超薄，廉价的太阳能电池板需要碲，它构成了地壳的很少0.0000001％，成为三次罕见超过黄金。高性能电池需要锂，其仅容易地从在安第斯山海水池萃取。铂金，需要作为在把氢转化为能量的燃料电池的催化剂，来自几乎全部来自南非。

2011年，当“稀土”——包括用于荧光灯泡的铽和铕，以及钕的平均价格时，研究人员和工业工人都对这些不可靠的供应链造成的问题感到震惊，用于驱动风力涡轮机和电力发动机的强力磁铁，一年内增长了750%。问题在于，控制了全球稀土产量97%的中国，已经开始限制稀土贸易。通过斡旋达成了解决方案，价格震荡逐渐消退，但未来稀土和其他所谓“关键元素”供应问题的威胁依然隐约可见。

希望的解决方案

这就是美国能源部艾姆斯实验室(Ames Laboratory)关键材料研究所(Critical Materials Institute)成立的原因。学院于6月开业，正式的剪彩仪式是在9月。它的使命是预测哪些材料将成为下一个问题，努力改善供应链，并尝试发明一种不需要那么多关键元素的替代材料。该研究所是世界上为数不多的试图解决关键元素问题的组织之一，像美国物理学会这样的组织一直在呼吁关注多年。那正在加速欧洲的举措屈指可数的一个 - “这是欧洲的一个热门话题，现在，”奥利弗·维达尔，一个叫ERA-MIN欧盟委员会项目的协调员。

“这是真的急了，”研究所所长亚历克斯国王说。“我们今天面临的真正挑战 - 我们需要的解决方案的明天，而不是之后的那一天。”

尽管成本高和金属，能源技术至关重要的高要求，很少的这金属可回收利用：在2009年，据估计，稀土金属的不到1％被回收。Ruediger Kuehr，在波恩举行的解决电子废弃物问题（STEP）计划的负责人说，4900万吨的电子废弃物每年生产，从手机到冰箱。这，或许是10％被回收。这是荒谬的，以简单地抛出这么多有价值的材料了，迪让峰Apelian，马萨诸塞州的伍斯特金属加工研究所的创始所长说，“有一些像32吨黄金在世界上所有的手机，” Apelian说。“目前在我们的城市垃圾填埋场一个巨大的金矿。”

把金属从现代技术中提取出来是一件痛苦的事情，因为它们被以很小的数量整合到越来越复杂的设备中。一部大约2000年左右的手机使用了20多个元件;一个现代智能手机使用超过60。“我们正在让事情变得更困难，”金说。他说，尽管稀土在技术上的浓度相对较高，但从化学上讲，从简单的岩石中分离稀土比从复杂的手机中分离稀土更容易。

Umicore负责回收费用

但这是可能的。总部位于布鲁塞尔的公司优美科在回收利用技术的关键金属的前列，国王说。在其位于Hoboken的，比利时站点，公司每年回收大约35万吨的电子废物，包括光伏电池和计算机电路板，以回收金属，包括碲。2011年，优美科创业从可充电镍氢电池回收稀土（有关于稀土的一节AAA电池克）在其网站安特卫普，在与法国Solvay公司的合作伙伴关系。同样地，日本的汽车制造公司本田宣布今年三月该公司已经开发了自己的金属氢化物电池内部回收计划——该公司计划用2011年日本地震和海啸中受损的汽车进行测试。关键材料研究所（Critical Materials Institute）正在开发一种方法，将旧磁铁熔化在液态镁中，以梳理出稀土元素。”“说到回收利用，一切皆有可能，”库尔说这是一个是否经济的问题。”

之一在电子垃圾回收最难的步骤简单地获得电池或其他关键金属富组件从较大的装置或机器的。这是一个琐碎的，但复杂的任务，往往交给低工资工人的地方，如中国和尼日利亚。在中国南方的贵屿地区，例如，超过10万人的工作拆开电子垃圾，沸腾起来的电路板，以去除塑料再浸提金属与酸，要冒很大的风险的环境和自己。不受控制的燃烧导致受污染的地下水，并一项研究发现铅含量升高居住在贵屿儿童。日本是在努力，这些过程，使他们可以通过机器的经济和安全进行自动化的前列，国王说。

Apelian说，比技术更重要的是政策和教育。在一项对美国从塑料到金属的大约20种产品的回收率的研究中，回收率最高的是主要用于汽车的铅酸电池。它们的回收率为98%，而铝罐的回收率约为50%。阿佩利安说，原因是政府担心铅污染，给汽车公司一个经济激励，让他们自己回收电池。

举证责任，Apelian说，必须被提上了生产厂家回收和再利用自己的产品，所以他们使他们更容易重新使用或在首位掰开：“我们需要生产恢复这几乎是不可存在的“。

超越回收利用

对于那些需求长期稳定的元素来说，回收也许是最好的出路。例如，随着荧光灯泡最终被更小的led取代，对铽和铕的需求可能会逐渐减弱。但对于其他元素，如钕，这并不是唯一的解决办法。”“现在我们需要微量的钕来做你的智能手机的耳塞，”金说但对于高性能的风力涡轮机，您需要大约两吨。”

对于需求预计会增加的元素，一种选择是开辟新的矿山。中国目前主导着稀土开采——2011年美国物理学会（American Physical Society）的一份报告指出，部分原因是土地复垦方面更宽松的环境标准使其成本更低。但其他地方也有资源。据金说，全世界正在研究大约450个潜在的稀土矿。有几个相当先进。加州山口矿的稀土部门在2002年被中国赶下台后，今年重新开业。

尽管生产能力一些初步的失望，王认为，合资企业将取得成​​功。同样，韦尔德山矿在澳大利亚的稀土正在加快。这些努力，除其他外，在过去两年减少中国生产的份额从97％的约90％，金说。

当处理少量使用的材料时，很难发展规模经济。例如，2009年全球对碲的需求仅为200公吨。所有这些都是铜矿或金矿开采的副产品。尽管碲的价值极高，每公斤145美元，但微量的碲在这些矿业公司的利润表上几乎一文不值。”他们必须被拖到生产现场踢和尖叫，”金说。

另一个选择是提高采矿过程的效率。金说，对于稀土，采矿公司基本上是把岩石磨碎，扔进水里，然后吹泡泡:含稀土的矿物往往会浮起来，可以从顶部撇去。但金表示，这种方法只能捕获矿石中约65%的稀土元素。他的研究所现在正在使用美国能源部的超级计算机来寻找可能与元素结合并帮助它们漂浮的分子。金说:“如果我们能发明一种撒入水中的仙尘，使水中的稀土含量从65%提高到75%，就能立即提高稀土产量，而不用开新矿。”他希望这一战略能在一两年内取得成功。

最后一个办法是找那些不需要摆在首位这么多的关键要素替代材料。这是一个艰巨的任务。“在稀土是一种魔力，”金说，在其性能方面。他们是磁铁的关键因素，例如，因为这样他们缠斗铁强，但不羁的磁特性 - 没有任何其他因素似乎能够做到的任务。企图让更强大的磁铁，没有任何稀土研究工作被认为是一个长镜头。但是，王说，“我们可能不会让他们全力以赴，但我们可以得到最昂贵和最罕见[稀土]了。”

金仍然乐观。他指出，与有限资源的斗争可以追溯到很久以前。大约2000年前的青铜时代导致铜供应枯竭。作为回应，金说，古人回收青铜，寻找新的矿山，并花了200年的时间优化更可用但不太理想的替代品——铁——来完成同样的工作。今天的解决方案是一样的，不过希望找到合适的替代品不会花那么长时间。”“我们再也不用花200年的时间了，”金说我们要打两枪。”

这个故事最初出现在耶鲁环境360博客。金块摄维塔利·科罗文通过上面。