«Критические металлы» (Critical metals) имеют жизненно важное значение для внедрения новых цифровых и низкоуглеродных технологий, включая смартфоны, фотогальванику (солнечные батареи) и электромобили. Редкие и редкоземельные металлы (РМ и РЗМ) обладают рядом уникальных свойств, обеспечивающих их широкое применение в различных областях промышленности. Спрос на РЗМ в условиях развития высокотехнологических отраслей неуклонно растет, и обеспечение надежных и устойчивых поставок стало большой проблемой. Неопределенности сосредоточены на будущих поставках РЗМ, которые имеют решающее значение для производства, но уязвимы из-за возможных перебоев с поставками.
Понятия «критические металлы» (Critical metals), за последние десятилетия широко используются экономистами и политиками промышленно-развитых и бурно развивающихся странах. Они стали обычными в зарубежной научно-технической литературе, обозначая практически незаменимый для новейших промышленных технологий материал, но в тоже время крайне дефицитный. Уровень потребления “критического сырья” стал индикатором развития в стране высокотехнологичных производств и современных технологий.
В нашей литературе больше используются понятия «дефицитный» и «стратегический», которые имеют сходное значение с понятием «критический» в отношении к сырью. Термин «стратегический» чаще используется в политике, а «дефицитный» — в экономике.
Наиболее важные металлы:
- Бериллий: сплавы, особенно с медью и алюминием; ядерное оружие (отражатель нейтронов).
- Ванадий: легирующий компонент (хром-ванадиевая сталь) для жаропрочных сталей, катализатор синтеза серной кислоты (оксид ванадия (V).
- Висмут: сплавы.
- Вольфрам: лампы накаливания, специальные стали, шариковая ручка (шарики).
- Галлий: термодатчики.
- Индий: жидкие кристаллы, полупроводники, припои.
- Иридий: электроды, свечи зажигания.
- Кадмий: компонент аккумуляторов.
- Калий: легированный натрием в качестве теплоносителя в ядерных реакторах.
- Кобальт: магниты.
- Магний: для особо легких сплавов; одноразовые лампочки-вспышки, сигнальные огни и фейерверки.
- Марганец: легированная сталь (марганцевая сталь).
- Молибден: легированная сталь (молибденовая сталь) для повышения термостойкости.
- Натрий: сплавы с калием в качестве теплоносителя в ядерных реакторах.
- Осмий: износостойкие сплавы, нити накаливания.
- Палладий: катализаторы, электроника, хранение водорода, ювелирные изделия.
- Платина: ювелирные изделия, катализаторы, электроды.
- Ртуть: термометры, люминесцентные лампы.
- Родий: катализаторы, электроника.
- Рутений: катализаторы, упрочняющие сплавы с платиной и палладием.
- Тантал: конденсаторы.
- Титан: легкие и прочные конструкции, украшения.
- Уран: атомная энергетика.
- Хром: легированная сталь (хром-ванадиевая сталь, хромоникелевая сталь, хром-молибденовая сталь), гальванические покрытия.
- Цирконий: оболочка топливных стержней на АЭС.
Почему «критический»
Термин «Critical metals» стал неотрывно связан с концепцией устойчивого развития. Какая может быть «устойчивость» когда есть риск стабильности поставок сырья? С другой стороны, что останется будущим поколениям, если ресурсы будут выработаны?
Методика идентификации критического минерального сырья (critical minerals) из общей массы полезных ископаемых и продуктов их первичной переработки, разработанная в США (National Research Council, 2008), основана на оценке значимости (востребованности) его использования в производстве (important in use) и степени (вероятности) потенциального риска в ограничении его поставок (доступности) потребителю (likelihood of a supply restriction).
Критериями «критичности» явились:
- возможность (или невозможность) замещения другим видом сырья;
- функциональная незаменимость;
- потенциальные риски поставок.
На фоне такой озабоченности правительства развитых стран, особенно в США и ЕС, стали больше внимания уделять подобным вопросам. Встал вопрос не только о рациональных путях добычи сырья, но и о путях его восстановления и «круговорота» в народном хозяйстве.
Зеленая экономика уязвима из-за нехватки редкоземельных минералов?
Дров в эту нервотрепку добавляет теория о том, что «зеленая» экономика требует много редкоземельных металлов. Действительно, более высокотехнологичное изделие, как правило, состоит из большего количества элементов. Однако история научно-технического прогресса полна примеров, когда дефицит какого-либо сырья восполнялся новыми материалами. Так было с бутадиеновым синтетическим каучуком, синтетическим индиго, искусственными и синтетическими волокнами. Даже ароматы парфюмерной продукции во много состоят из синтетических материалов. Значит дефицитное сырье всё-таки возможно заменить в принципе.
Тем не менее, «теория критических металлов» может дать толчок к изменению мировоззрения о техническом прогрессе. Высокие технологии по-сути должны быть не столько материалоёмкими, сколько интеллектуальными.
«Критические металлы» из мусора
Поиск источников металлов, которые могут быть «добываемы» из отходов, может уменьшить нашу потребность в первичных ресурсах, уменьшить нашу потребность в импорте некоторых металлов, компенсировать затраты на утилизацию отходов и сэкономить место на свалках, уменьшить попадание потенциально вредных металлов в окружающую среду и внести свой вклад в устойчивое развитие.
Одним таким источником могут стать осадки сточных вод. Исследования показали, что канализация может стать источником ценных металлов.
Исследователи все еще пытаются определить конечные источники многих из этих металлов в твердых биологических веществах. Например, золото может поступать из пищевых продуктов (как съеденных, так и выброшенных в канализацию), которые включают его в качестве добавки, стоматологических приспособлений или, возможно, медицинских учреждений. (Золото используется для лечения артрита и рака, а также в некоторых хирургических и диагностических процедурах.) Серебро может поступать из тех же источников. Кроме того, микроскопические частицы серебра используются в различных потребительских товарах из-за их антибактериальных свойств, поэтому они могут попасть в канализацию вместе с водой для стирки.
Переработка старых отвалов пустой породы горнодобывающей промышленности также может служить источником ценных металлов.
Рядом с местами добычи часто оставляли груды пустой породы. Эта пустая порода могла содержать металлы с концентрациями, которые были слишком низкими, чтобы их можно было извлекать с экономической точки зрения в то время, или металлы, которые тогда не представляли интереса, но теперь имеют новые высокотехнологичные применения. На многих старых бездействующих участках добычи отвалы пустой породы и туннели, проложенные в холмах, могут быть источниками шахтных дренажных вод, которые могут содержать высокие уровни вредных для окружающей среды, но потенциально полезных металлов.
Любые работы на этих старых горнодобывающих объектах связаны с потенциальными проблемами охраны окружающей среды и техники безопасности, а также затратами, о чем свидетельствует недавний разлив рудника Gold King в реку Анимас в Колорадо. Извлечение металлов из сточных и дренажных вод на некоторых из этих заброшенных участках добычи твердых пород может помочь компенсировать затраты на очистку.
Пока экономическая целесообразность добычи металлов из подобных отходов стоит под вопросом. Исследователи продолжают искать дешевые способы извлечения металлов.