خاكی ارزشمندتر از طلا
در دنياي امروز فناوريهاي پيشرفته بشدت نيازمند ذخاير استراتژيك مانند عناصر نادر خاكي هستند؛ عناصري كه ميتوان رد پاي آن را در صنايع مهمي همچون هوا و فضا، خودرو، الكترونيك، مخابرات، كامپيوتر، آهنرباهاي دائمي و باتريهاي قابل شارژ و... ديد.
از سوي ديگر، افزايش قيمت اين فناوريها آغاز چالشي است كه كشورها را به مبارزه طلبيده است. در اين ميان، كشوري صاحب قدرت است كه داراي اين عناصر باشد.
رصد اين تحولات جديد در ايران و گوشه و كنار جهان بهانهاي شد كه گفتوگويي با دكتر منصور قرباني، دكتري زمينشناسي، عضو هيات علمي دانشگاه شهيد بهشتي و مدير مركز پژوهشي زمينشناسي آريان زمين داشته باشيم تا بيشتر درباره اين موضوع به بحث بپردازيم.
در حال حاضر چند عنصر كمياب خاكي در جهان يافت شده است؟ علت نامگذاري اين عناصر به عنوان عناصر نادر خاكي چيست؟
در حال حاضر يك گروه 15 عنصري از عناصر جدول مندليف به نام لانتانيدها كه از عدد اتمي 57 تا 71 را شامل ميشود به خاطر شرايط ساختاري خود عناصر و مسائل خاص زمينشناسيشان، در طبيعت كم يافت ميشوند به همين دليل اين عناصر را كمياب يا نادر مينامند.
اين عناصر به دو گروه سبك ياگروه سريم (شامل 7 عنصر از عدد اتمي 57 تا 63) و سنگين يا گروه ايتريم (شامل 8 عنصر از عدد اتمي 64 تا 71 به اضافه ايتريم) تقسيم ميشوند؛ به طور معمول دو عضو ايتريم با عدد اتمي 39 و اسكانديم با عدد اتمي 21 نيز به دليل همساني شيميايي در اين گروهها جاي دارند. ايتريم با اينكه سبكترين عنصر خاكي است، از نظر خواص شيميايي و فيزيكي در گروه سنگين جاي ميگيرد.
در ضمن اين عناصر ليتوفيل (يعني سنگدوست) نام دارند، به همين دليل بيشتر در پوسته قارهاي يافت ميشوند.
از ميان اين عناصر كدام يك در پوسته زمين فراوانتر و كدام كميابتر است؟
بيشتر عناصر خاكي نادر، برخلاف نامشان چندان هم كمياب نيستند. مثلا ميتوان به عنصر سريم بهعنوان فراوانترين عنصر نادر خاكي اشاره كرد كه فراواني آن در پوسته زمين حدود 60 گرم در هر تن است كه اين ميزان از محتواي سرب و مس پوسته بيشتر است و به دليل اينكه كاني خاصي تشكيل نميدهد، تمركز به صورت مواد معدني ندارد. درميان اين عناصر، تنها عنصر پرومتيم در طبيعت يافت نشده است كه به طور مصنوعي ساخته ميشود.
اين عناصر نادر خاكي از چه ويژگيهاي شيميايي و فيزيكي برخوردارهستند؟
عناصر نادر خاكي به دليل داشتن يونهاي پايدار سه ظرفيتي با اندازههاي مشابه، خواص فيزيكي و شيميايي مشابهي دارند. اصولا عناصر نادر خاكي كمتر از بقيه عناصر، قابليت حل شدن دارند و طي تاثير فرآيندهاي دگرگوني درجه پايين، فرسايش، دگرساني و گرمابي، جابهجا نميشوند. حلاليت شيميايي اين عناصر نيز شبيه هم است و فقط كمي در سري لانتانيدها تغيير ميكند و به خاطر اين تشابه، مشكل ميتوان اين عناصر را از هم جدا كرد؛ اگرچه اين عناصر را به صورت اكسيدي براحتي ميتوان از نظر شيميايي جدا كرد.
همچنين همه اين عناصر به صورت تركيبات سه ظرفيتي زماني كه گرم ميشوند، با عناصر غيرفلزي بسيار قوي واكنش و تركيبات محكمي را تشكيل ميدهند. از ديگر خاصيتهاي آنها اين است كه هرگز به صورت يك فلز آزاد در خاك يافت نميشوند و تغييرات شعاع يوني در اين عناصر، ناچيز است.
با وجود شباهتهاي اين عناصر از لحاظ خواص شيميايي، باعواملي همچون شرايط اكسيداسيون، احيا و تغييرات كوچك مانند تغيير در ظرفيت يوني عناصر، اختلاف در شعاع و پتانسيل يوني (عامل مهم در مراحل مختلف كانيزايي) و تفاوت در كمپلكسهاي حاصل، وجود بخشهاي آلي در برخي سنگها مانند شيل (كه باعث تمركز برخي از اين عناصرمي شود) قابل تفكيك خواهند بود.
كانيها و فرآوردههاي عناصر خاكي نادر، در كنار محصولات جانبي و مواد باقيمانده حاصل از فرآوري آنها به دليل همراهي آنها با بعضي عناصر راديواكتيو مانند توريم و اورانيوم، ممكن است به طور طبيعي قبل از فراوري در برخي از ذخاير خاصيت راديو اكتيوي داشته باشند.
البته براساس استانداردهاي بينالمللي ميزان سمي بودن و خطرناكي آنها در حد بالايي نيست و در زمان حمل و نقل، بارگيري، انبار و عرضه آنها، مراقبتهاي نهچندان شديدي مورد نياز است.
آيا تاكنون ميزان سمي بودن عناصر نادر خاكي روي انسان گزارش شده است؟
هنوز ميزان سمي بودن عناصر نادر خاكي روي انسان گزارش نشده است ولي با آزمايشهايي كه روي حيوانها انجام گرفته، نتيجهگيري شده كه چگونگي تماس يا ورود اين مواد به درون بدن اين جانداران تاثير بسياري بر ميزان اثرگذاري آنها دارد.
به اين ترتيب كه خوردن اين مواد، اثرهاي سمي كمي از خود به جاي ميگذارد؛ در حالي كه بر اثر تنفس بخار آنها، ميزان سمي بودن افزايش مييابد.
در اين حالت نيز اين مواد در ريهها تجمع مييابند، سپس بتدريج جذب ميشوند. در صورت تزريق زيرپوستي نيز اكثر مواد تزريقي در جاي خود باقي ميماند و ميزاني كه جذب ميشود، تمايل به تجمع در كبد، طحال و كليه دارند.
در حال حاضر مصارف عمده عناصر خاكي نادر چيست و بيشتر در چه صنايعي كاربرد دارد؟
مقدار بكارگيري اين عناصر از دهه 90 تاكنون رو به افزايش است؛ به طوري كه مصرف سالانه آنها بيش از صد هزار تن است.
اخيرا نيز در صنايع جديد اين عناصر كاربرد وسيعي يافتهاند و از اهميت زيادي برخوردار هستند كه تحت عنوان عناصر استراتژيك شناخته ميشوند. با وجود تنوع موارد مصرف اين عناصر، بيشترين جنبههاي كاربردي آنها را ميتوان به چهار گروه اصلي، كاربردهاي اكترونيكي، مغناطيسي، كاربردهاي شيشه و سراميك، كاربردهاي فلزكاري و كاربردهاي كاتاليستي و شيميايي اشاره كرد.
به عنوان مثال عنصر سريم براي مبدل كاتاليزوري اگزوز خودروها، استفاده در صنعت شيمي نفت، تهيه بلورهاي توليدكننده اشعه ماورا بنفش و ساخت شيشههاي رنگي استفاده ميشود.
همچنين از عنصر نئوديميم به عنوان آهنرباي دايمي، كاربرد در موتور جت، ژنراتوربادي و سانتريفيوژ غنيسازي از اورانيوم و از عنصر اربيم براي تقويت فيبر نوري استفاده ميشود. از عنصر گادولينيم نيز در صنايع الكترونيك، توليد آلياژهاي ويژه، توليد مواد مغناطيسي خاص، ذخيره اطلاعات، مصارف هستهاي، جذب حرارتي نوترون استفاده ميشود.
در حال حاضر كدام كشورها توليدكنندههاي اصلي اين عناصر محسوب ميشوند؟
اين عناصر همان طور كه از نامشان پيداست، عناصر كميابي هستند كه به دليل شرايط خاص زمينشناسيشان در همه كشورها يافت نميشود اما به طور كلي ميتوان گفت كشورهاي روسيه، چين و آمريكا، 90 درصد توليد جهاني عناصر نادر خاكي را به خود اختصاص دادهاند كه كشور چين با در اختيار داشتن بزرگترين ذخاير جهاني اين عناصر از نظر كميت و كيفيت، فرآوري و پالايش در رتبه نخست جهاني قرار گرفته است؛ كشور چين با داشتن 43 ميليون تن عنصر، 43 درصد از توليد جهاني را به خود اختصاص داده است. در ادامه به ترتيب ميتوان كشورهاي مشتركالمنافع، آمريكا، افغانستان، استراليا، هند، كانادا و آفريقاي جنوبي را نام برد.
وضعيت عناصر نادر خاكي در ايران به چه صورت است،آيا تا به حال منطقه غني از اين عناصر در ايران شناسايي شده است؟
متاسفانه در ايران هيچ گونه كار اصولي روي اين ذخاير انجام نشده است و تاكنون درباره نياز و ميزان مصرف يا وارداتي از كانيهاي اين عناصر در ايران اطلاعات چنداني در دسترس نيست اما با توجه به ويژگيهاي زمينشناسي و خاستگاه اين عناصر يعني همراهي با سنگهاي كربناتيت و كانسرهاي آپاتيت با منشا آذرين، مگنتيتهاي آپاتيتدار و سنگهاي قليايي قوي وجود منابعي از اين گونه عناصر در ايران محتمل است.
كانسنگهاي بزرگ آهن ناحيه بافق يزد، چغارت و چادرملو از جمله آنهاست. به عنوان مثال در ناحيه بافق يك سري كانسرهاي متشكل از آهن و فسفات وجود دارد كه به آنها كانسرآپاتيت مگنتيت ميگويند كه اسفوردي نمونه بارز آن است و به دليل اينكه بافق آپاتيت فراواني دارد،مي توان گفت منبع اصلي عناصر نادر كمياب را ميتوان در اين ناحيه يافت. البته استخراج اين عناصر به تنهايي انجام نميشود يعني بايد اين عناصر را به عنوان محصول جنبي استخراج و توليد كنيم. مثلا زماني كه سنگ آهن استخراج ميشود، كاني آپاتيت به عنوان محصول جنبي اين سنگ آهن فرآوري ميشود. پس از آن ميتوانيم به اين عناصر خاكي به عنوان محصول جنبي آپاتيت دست يابيم. همچنين در معادن چادرملو و چغارت هم سالانه حدود 15 ميليون تن سنگ آهن استخراج ميشود.
همچنين در مناطق ديگري از كشورمان مانند ناحيه مروست، وجود اين عناصر گزارش شده است اما استخراج آن اقتصادي نيست. در ضمن طبق مطالعاتي كه به انجام رسيده، بيشتر عناصر خاكي ايران از عناصر خاكي سبك تشكل يافتهاند.
با توجه به اينكه ايران نيز داراي اين عناصر استراتژيك است، آيا به نظر شما نياز به توليد و استخراج اين عناصر در كشور احساس نميشود؟
با وجود اينكه تنها 50 سال از عمر فلزات خاكي نادر ميگذرد اما مصارف آنها با رشد فزاينده صنايع خودرو، الكترونيك، مخابرات، كامپيوتر و تجهيزات قابل حمل و كاربرد اين عناصر بويژه در زمينههاي ساخت كاتاليستهاي آلايندگي اتومبيل ها، آهنرباهاي دائمي و باتريهاي قابل شارژ و همچنين سوددهي كلان اين صنعت، چنين تصور ميشود كه كشورهاي نوپاي صنعتي ناگزير به استفاده هرچه بيشتر اين عناصر خواهند بود. به طوري كه ميزان مصرف اين عناصر را ميتوان به عنوان شاخص رشد صنعتي كشورها در نظر داشت. بنابراين با توجه به اين مسائل پيشنهاد ميشود كه يك پي جويي و بررسي دقيق اكتشافي براي اين عناصر در كشور ما نيز به طور سيستماتيك آغاز شود. به نظر ميرسد طبق شواهد و مطالعاتي كه در اين زمينه انجام شده، مبني بر وجود ذخايراين عناصر خاكي در ناحيه بافق، بتوانيم نياز داخلي كشور را برآورده و حتي اقدام به صادرات اين عناصر كنيم.
منبع: جام جم
