稀土矿物

稀土矿物（rare minerals）又称“万能之土”，是指稀土和其他元素以离子化合物形式存在于矿物晶格中的矿物，广义上还包括含稀土矿物和吸附稀土离子的矿物。在稀土矿物中，氟碳铈矿是最有工业价值的一种、独居石和磷钇矿。

稀土矿物属于氟化物、复氧化物、碳酸盐、磷酸盐和硅酸盐等。稀土矿物的颜色因成分不同而不同，不含铁的稀土矿物呈黄色、黄褐色、橙黄色和红褐色，含铁稀土矿物为黑色。稀土矿物的摩擦硬度为4~6，折射率为1.6~1.9，氧化物的折射率达到2.0以上。

稀土矿产是重要的战略矿产资源，矿产中所含的稀土材料可应用于冶金、机械、玻璃、陶瓷、石油、化工、电子、光学、磁学、医学、生物、航空航天、原子能工业和其他领域。

稀土发现

人类发现稀土的历史始于1794年钇土首次从硅铍钇矿中分离出来，最后一种稀土元素钷终于在1947年被发现，跨越了150年，耗费了几十个化学家的大量精力。1787年，瑞典人阿伦尼乌斯在斯德哥尔摩附近的伊特比村发现了一块黑色的石头（硅铍钇矿）1794年，芬兰人加多林从中分离出一种土壤氧化物，命名为钇土。1803年，德国人克莱普勒斯瑞典人贝特利乌斯和西辛格分别从铈矿提取和处理铈矿。铈和钇不是单一金属元素的氧化物，而是多种氧化物的混合物1907年，从中分离出16种稀土元素。第17种稀土元素钷是一种放射性元素1947年，MaryskyGlendenning等人在铀裂变产物中发现了147Pm，至此所有稀土元素都已被发现。1972年，在第一批天然铀提取物中发现了147Pm。

矿物发现

巴西是世界上第一个生产和销售稀土矿物的国家巴西出口独居石的历史可以追溯到1884年，其独居石资源主要位于巴西东部沿海。印度特拉凡科独居石矿床位于印度西南海岸的恰瓦拉和马纳凡拉库里克它于1911年被发现在1911年，-1945年独居石供应量占全球一半；1958年，印度在比哈尔邦牧场高原发现独居石矿，至今尚未开发。1949年，美国两名矿工在将样品交给美国地质调查局检测时意外发现了稀土成分，随后美国进行了大规模勘探，从而发现了山口稀土矿；同年，美国的贝诺杰稀土矿被发现，并于1953年上报。1976年，海伍德资源公司在加拿大西北领地麦肯锡矿区进行铀矿勘探时发现了托尔胡稀土矿；1999年，加拿大霍伊达斯湖的稀土矿被发现。澳大利亚维尔德山的稀土矿是1966年进行航磁测量时发现的。

1934年，中国科学家何发现白云鄂博铁矿中含有稀土矿物元素此后，中国陆续发现了一批重要的稀土矿。内蒙古白云鄂博铁铌稀土矿床发现于20世纪50年代；江西是60年代中期发现的、广东等地的风化残积稀土矿床；山东巍山中型稀土矿床发现于20世纪70年代；四川凉山是20世纪发现的“牦牛坪式”大型稀土矿。

成因和矿床类型

稀土矿床是由各种地质作用形成的，不同的地质作用形成不同类型的矿床。地质矿化，根据其性质和能量来源，可分为：岩浆成矿作用、沉积—风化矿化和变质矿化。这三种矿化作用分别形成相应的稀土矿床：岩浆型稀土矿床、沉积—风化沉积物和变质沉积物。

岩浆型矿床

岩浆矿床的形成主要与岩浆活动有关，岩浆活动是在地球不同深度的温度和压力作用下完成的。根据物理、根据化学条件和岩浆热液类型的不同，岩浆稀土矿床可分为以下类型：1.花岗岩、碱性花岗岩、花岗闪长岩和钠长石花岗岩的稀土矿床；2.碱性岩型稀土矿床；3.火成碳酸盐稀土矿床；4.伟晶岩型稀土矿床；5.热液脉状稀土矿床。

沉积—风化型矿床

沉积—风化的稀土矿床是由于水、空气与生物相互作用和沉淀形成的稀土矿床，包括：1.沉积岩型稀土矿床；2.砂岩型稀土矿床；3.花岗岩风化壳型稀土矿床。

变质型矿床

变质稀土矿床包括变质稀土矿床和沉积变质碳酸盐稀土矿床。变质稀土矿床是由变质作用引起的稀土富集而形成的，其中独居石是广泛分布的矿物；沉积变质碳酸盐稀土矿床规模一般较小，矿体附近有火成岩侵入体和透辉石、石榴石、水镁石等矿物质的形成。

矿物组成

许多稀土矿物成分复杂，含有钍、铀、锯、钮、许多有价值的成分，如钛，来自矿物的化学形式，含有磷酸盐、氟碳酸盐、硅酸盐、硅钛酸盐、铌钽酸盐和钛钽酸盐由于等价和异质的类质同象置换现象，成分是可变的，稀土元素的类质同象决定了它们共同参与某些矿物的形成一种普通矿物中有四种、五种稀土元素，偶尔数量可以达到15种。

物理特性

稀土矿物的颜色因成分不同而不同，不含铁的稀土矿物呈黄色、黄褐色、橙黄色和红褐色，含铁稀土矿物为黑色。稀土矿物的摩擦硬度为4~6，折射率为1.6~1.9，氧化物的折射率达到2.0以上。在一些类质同象矿物中，折射率会随着TR含量的增加而增加。稀土矿物磁性弱，含铁氧化物和硅酸盐是顺磁性的，导电性差，几乎都是电介质。大多数稀土矿物都是高放射性的，它们的熔点一般在1500到2000°C之间，只有含碱金属的稀土硅酸盐除外。下图是常见工业稀土矿物的物理化学性质。

结构特征

表生稀土矿物具有胶体和胶体结构，部分矿物为变质非晶，变质非晶转化在不同矿床中发育程度不同。大多数稀土矿物具有等轴晶系、三方晶系和正交晶系等，晶体形态罕见且完整，通常只有十分之几厘米。

氟碳铈矿是一种三方晶体，根据键能分为离子晶格结构氟碳铈矿是由铈和铈组成的典型晶体、F和CO2-岛状结构，其中有Ce-O、Ce-F和C-o键，前两者是离子型的，在外力作用下容易断裂它们的晶体结构见下图：镁橄榄石的结构类似于氟碳铈矿。独石是单斜晶体在这种结构中，【PO4】它是一个孤立的四面体，阳离子Ce位于四面体的中间，有6【PO4】连接成一个孤立的四面体。外观为菱面体晶体，为面上有条纹的板状或柱状晶体。也是单斜晶系的稀土矿物也是SiBeY矿物。

磷钇矿是四方晶系，结构类似锆石它是一种复合双锥晶体，有一个延长C轴的短柱。易溶石是正交晶系，晶体结构中有Ti、Nb构成一个扭曲的八面体，每两个八面体通过边成对连接，每对八面体通过角顶连接形成一个平行于C轴的锯齿形链，链之间交错排列，通过角顶连接形成一个框架。阳离子Ce位于骨架间隙中，配位数为8。晶体形态为菱形双锥和粒状、板状、针状晶体。弗格森石是四方晶系，加热时可转变为单斜晶体，晶体为四方柱状、方形双锥或桶形。但常呈粒状产出。 

世界稀土资源主要集中在中国、巴西、越南、俄罗斯、美国、印度、澳大利亚、格陵兰岛、加拿大、南非等国家和地区。根据美国地质调查局的数据（United States Geological Survey）统计，世界与2017年美国稀土储量（按氧化物计）总量12亿吨，其中中国和巴西4400万吨、越南2200万吨，俄罗斯1800万吨。

我国稀土资源分布广泛，22个省市自治区都有稀土矿床，品种齐全。主要稀土矿有：内蒙古白云鄂博稀土矿四川冕宁稀土矿山东巍山稀土矿南方七省离子吸附稀土矿漫长海岸线上的滨海砂矿等。白云鄂博的稀土矿物与铁共生，主要稀土矿物为氟碳铈矿和独居石，故称混合矿物；巍山稀土矿和冕宁稀土矿以氟碳铈矿为主，伴有重晶石等是一种成分相对简单易于分离的稀土矿；江西风化壳残积稀土矿是一种新型稀土矿，选冶相对简单，中重稀土含量高，是一种很有潜力的稀土矿。

印度的稀土主要是砂矿，独居石的开采历史始于 19113356年，最大的矿床位于拉拉邦、马德拉斯和奥里萨拉州。马来西亚稀土矿物的主要来源是锡矿尾矿，从中可以回收独居石、磷钇矿铌酸钇等稀土矿，马来西亚是世界重稀土和钇的主要来源。

整个美国都蕴藏着稀土资源。美国的稀土资源主要有氟碳铈矿、独居石和黑色稀有金矿石是在分选其他矿物时作为副产品回收的、绿柱石和磷钇矿。加利福尼亚州圣贝都诺县的帕斯山矿是世界上最大的单一氟碳铈矿。佛罗里达州的格林科夫泉矿富含独居石。此外，北卡罗来纳州、南卡罗来纳州、佐治亚州、爱达荷州和蒙大纳州也有大量的砂矿。加拿大稀土矿物的主要来源是安大略省的铀副产品、魁北克省、纽芬兰和拉布拉多都有分布。巴西的独居石资源集中在从里约热内卢到北部福塔莱萨的东部沿海地区。

重要的战略矿产资源

稀土是重要的战略矿产资源。稀土矿产具有必要的战略资源重要性、稀缺性和独特性在国防和经济中起着不可或缺和不可替代的作用。稀土在原子能、冶金、石油、航天、航空、电子产业、光学影像、化工、纺织、服装、医药生产、农业生产离不开稀土元素，稀土元素广泛应用于高端科技产品和军事精密武器，对国家安全意义重大。

稀土可用于制造武器制造领域的雷达、夜视镜和什么 叫做“灵巧炸弹”精确制导武器和其他武器装备，如：钐钴磁铁被用于“艾布拉姆斯”坦克携带的导航系统和驱逐舰配备的间谍-1雷达。

传统领域

冶金/机械

混合稀土金属、稀土硅化物和稀土有色金属中间化合物可用于精炼优质钢、有色金属及合金材料，在铝合金或镁合金中加入稀土后，可用于制造船舶发动机上的叶轮、对于飞机汽车发动机导弹等部件，在铝锆合金中加入适量的稀土，可以在不降低电缆导电性能的前提下，提高电缆的抗拉强度。

石油/化工

稀土在石油/主要用于化学工业中的裂化催化领域，可以提高催化剂的活性和稳定性，提高原料油的裂化转化率，增加汽油和柴油的收率，减少石油催化裂化过程中二氧化硫的排放，降低燃料油中的硫含量。

玻璃

稀土玻璃主要是指含有稀土氧化物的硼酸盐和硅酸盐体系的光学玻璃。除了稀土光学玻璃，稀土是着色感光玻璃、光敏微晶玻璃、旋光玻璃、光致变色玻璃、红外玻璃、有色玻璃、防辐射和抗辐射玻璃在许多新型光学功能玻璃中有着非常重要的应用。

农业/轻工/纺织

稀土在农业上的应用包括农产品、饲料等其在轻工业和纺织中的应用包括合成树脂、橡胶催化剂、纤维助染剂、塑料热稳定剂、加工改性剂、成核剂、转光剂等。

新材料领域

稀土永磁材料

稀土永磁材料具有很高的磁性、耐高温、稳定性好等特点，在风力发电中、交通运输工具、国防军工、微波通信技术等领域得到了应用。比如在风力发电中，使用烧结钕铁硼永磁体后，发电机的耗电量增加了20%，使用寿命提高一倍。在国防和军事工业方面，“爱国者”导弹制导系统中使用了约4公斤的钐钴磁体和钕铁硼永磁体；F-22战斗机发动机使用稀土永磁材料；神舟九号、嫦娥一号、嫦娥二号、天宫一号的运载系统及其他、对接机构、扫描成像系统中大量使用高性能钐钴永磁材料。

稀土储氢材料

稀土储氢材料可用于航空航天、军事、能源、化工、在电子等许多领域，稀土储氢材料被广泛应用于计算机，因为当用作阴极材料时，它们可以使镍氢电池的能量密度增加一倍、笔记本电脑、数码相机、用于数字通信设备等的电池的研究和开发。

稀土发光材料

稀土发光材料具有很强的光吸收能力、转化效率高、色纯度高、色彩鲜艳、物理和化学性质稳定、它能承受高能辐射，可应用于固态光源、发光二极管、平板图像显示、彩色电视、X射线成像、闪烁体、荧光灯、激光材料和其他领域的研究。

稀土催化材料

稀土催化剂主要用于机动车尾气的净化、天然气催化燃烧、橡胶催化合成等领域。比如2009年，我国成功研发出完全自主设计的汽车尾气净化器，使汽车排放水平超过国IV排放标准，提高了净化器的使用寿命。2015年，我国研发的新型高效稀土催化体系实现万吨稀土异戊橡胶工业装置应用，使每吨异戊橡胶产品主催化剂成本降至300元以下，产品质量达到国内外同类产品最高水平。

其他稀土功能材料

纳米稀土功能材料开发了纳米粘结钕铁硼永磁体、纳米稀土磁致冷材料和稀土纳米晶体、稀土功能有序介孔材料、高质量上转换发光纳米晶和纳米晶超晶格等功能材料。

采矿

有三种采矿方法第一种是露天开采，要求在开采矿体前剥离矿体上覆的岩土。其中硬岩矿产多采用台阶机械化开采，砂矿开采包括台阶机械化、水利机械化开采、采砂船采矿等。第二类是地下开采，适用于剥采比过大或地表需要保护，不适合露天开采的矿床根据采场地压管理的特点，地下采矿方法可分为空场采矿方法、充填采矿法和崩落采矿法等。第三类是特种开采，包括浸出（池浸、堆浸、原地浸矿）水溶、热熔、盐湖开采和海洋开采等。

选矿

矿物型稀土矿

原生稀土矿常用的选矿方法如下：单一浮选、浮选-重选、重选-电选-强磁-组合工艺流程，如浮选。为了获得高质量的稀土精矿，有时需要浮选稀土浮选在强酸强碱介质中会受到抑制，在弱碱或中碱性介质中浮选效果通常较好。

离子型稀土矿

离子型稀土矿物中的稀土元素主要以离子形式吸附在粘土矿物表面或层间，只能通过化学选矿回收。离子型稀土矿的化学选矿可分为浸出和萃取两个步骤先从矿体中浸出稀土，再从浸出液中提取稀土。浸矿的机理是：在离子型稀土矿物中，吸附在粘土表面的稀土阳离子遇到化学性质更活泼的阳离子（Sodium, ammonium, etc）它会被更活泼的阳离子解吸，进入溶液中，达到浸出的目的。

分类

世界上已知的稀土矿物大约有150种，含稀土元素的矿物有250多种，具有工业价值的稀土矿物只有50~60种，但实际上工业上使用的矿物只有10种左右。主要有独居石、铈硅石、氟碳铈矿、硅铍钇、磷钇矿、褐钇铌矿、褐帘石、铌钇矿、黑稀金矿、钇萤石、氟铈矿、硅钛铈矿、离子吸附型等。常见的稀土矿物根据其化学成分并参照其晶体结构和晶体化学特征可分为五类：

1）碳酸盐和碳氟化合物矿物。含三角形碳酸根阴离子基团的，如氟碳铈矿、碳锶铈矿等。

2）磷酸盐砷酸盐和钒酸盐矿物。含有孤立的四面体阴离子基团的，如独居石、磷气矿、砷钇矿、钒钇矿等。

3）氧化物可分为简单和复杂两种。简单氧化物由单个阴极组成、阳离子阴离子是氧，如铈矿；复合氧化物具有大的阳离子、中型和小型阳离子的复杂堆积，如弗格森矿、黑稀金矿、易解石、铈铌钙钛矿等。

4）硅酸盐类矿物。含有孤立的成对连接或环状硅氧四面体基团的，如绿柱石、钪钇石、铈硅矿、褐帘石、硅钛铈矿等。

5）氟化物类。由单个阴、阳离子成分，不含阴离子基团，如钇萤石、氟铈矿、氟钙钠钇石等。 

稀土矿物正在被开采、在选矿和冶炼过程中，会排放大量对环境有害的污染物。如稀土开采会造成植被破坏、采场塌陷、水土流失、河道堵塞、尾矿坝渗漏等；稀土冶炼、在提取和分离过程中使用大量的酸和碱、萃取剂和其他化工原料会产生大量废气、废水和废渣的产生，特别是放射性废渣，会严重污染河流、湖泊、地下水和农田将对当地的生活环境和生态环境构成严重威胁。稀土冶金的废气进入大气后，其中所含的放射性元素会衰变产生氧气、铀、钍衰变子体，这些子体不仅直接危害生产人员的健康，还通过通风扩散到居民区，对附近居民的健康产生影响。

稀土元素进入人体的方式不同，对人体的直接毒性也不同。一般口服摄入表现为低毒性，吸入或腹腔注射表现为中度毒性，静脉注射表现为高毒性。不同化合物的毒性也不同，毒性大小顺序如下：某些稀土硝酸盐硫酸盐配合物的氯化物氧化物。