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2010年7月，中国减少了稀土元素出口配额，让整个高科技行业都感受到一阵“寒意”。稀土元素是17种金属元素的统称，是制造显示屏、节能灯、高功率激光器和一系列高新产品的关键原料。

2010年，中国的稀土产量占到了当年全球总产量的97%。因此，尽管中国政府称，稀土出口减少只是为了整顿本国采矿业中污染特别严重的行业，但这一举措仍让稀土元素价格飞涨。不过，事情随后又有了一些转机：有几家西方矿业公司也开始生产稀土元素，同时，作为对世界贸易组织的回应，中国已于今年1月取消了稀土出口配额管理。尽管如此，但这次事件却促使美国和欧洲开始进行大规模研究，以便确保拥有更丰富的稀土来源。目前，这些研究已经初见成效。

对化学家来说，分离稀土元素是一个很大的挑战。稀土元素的化学性质几乎完全相同，通常共生于矿床中，极难分离——标准的分离方法大约包括300个步骤，期间还会大量用到一些危险的化学品。中国的稀土行业已经形成了一条龙式的产业链，所以可以把价格压得比世界上任何竞争对手的都低。但是如果化学家能够找到更简单、快捷、环保，以及最重要的，更廉价的提取方法，那么只要在经济上具有可行性，其他国家也会开始开采本国的稀土矿藏，或从本国的电子废弃物中回收稀土元素。

杰克·利夫顿（Jack Lifton）是美国稀土开采业的一位咨询师，他说，“对于西方企业来说，要想提高竞争力，就必须找到成本更低的生产单一稀土元素的方法”。

传统的分离方法

不过，把不同的稀土元素分开实在太难了，化学家花了100多年才分辨出所有的稀土元素，并给它们一一命名：1794年人们就发现了首个稀土元素钇，而直到1907年才把最后两个稀土元素镥和镱分离开。早期的制造商甚至根本不对稀土元素进行提纯。人类首次使用稀土元素是在20世纪早期，在制作打火机的火石以及曳光弹时用到了铈镧稀土合金（mischmetal）。

直到第二次世界大战后，人们才开始使用经过提纯的稀土元素。那时，稀土元素的分离问题引起了化学家弗兰克·斯佩丁（Frank Spedding）的注意，他当时供职于美国艾奥瓦州立大学，曾领导过曼哈顿项目中铀纯化工作。斯佩丁完善了一种称为离子交换色谱的方法，含多种稀土元素的溶液首先要通过一根垂直的玻璃柱，柱中填充有聚合物小球，溶液通过时其中的稀土元素会吸附在聚合物小球上，之后再用稀柠檬酸将稀土元素洗脱下来。

通过调整柠檬酸pH值，斯佩丁使每种稀土元素从聚合物小球脱附的速度都略有不同；因此不同元素的离子通过玻璃柱的速度不同，从而柱底部流出液的组分与顶部流入液组分也略有不同。只要重复上述过程足够多次，研究人员就能分离得到高纯度的单一稀土元素，进行特性研究。

随之而来的便是稀土应用的井喷式增长，这波浪潮始于20世纪60年代早期，那时科学家发现少量氧化铕与其他材料混合后，制造出的电视屏幕可以发出明亮的红光。到1965年，需求飙升使采矿企业扩大了铕的产量，并建起首批分离工厂。由于离子交换法不适合大规模生产，因此工厂使用的是溶剂萃取法：将含多种稀土元素的混合物溶解在水中，然后与含萃取剂的有机溶剂混合并摇动——某些稀土元素在萃取剂中的溶解度比其他稀土元素更大；待稀土元素进入溶剂后，停止摇动使溶液静置分层；用化学方法将稀土元素从萃取剂中分离，将得到的稀土元素重新溶解在水里。该过程要重复数百次，才能得到单一的稀土元素。

在接下来的几十年里，中国的化工工程师改进了溶剂萃取技术，并将之运用于自己建造的生产设备中，很快中国企业出售的单一稀土元素，不仅纯度高，而且价格也比西方企业要低。到1999年，中国几乎已经完全控制了全球的稀土供应。

更好的矿石提纯方法

目前只有少数几个溶剂萃取厂不在中国境内，所以要想改变中国在稀土生产上“一家独大”的局面，只有大幅增加这几个工厂的产量，同时想办法降低溶剂萃取法的成本，提高萃取的效率。重要材料研究所（Critical Materials Institute，美国能源署2013年投资1.2亿美元设立，旨在解决稀土等材料的供应问题）主任亚历克斯·金（Alex King）说，“在分离所需的化学试剂上动脑筋，比改变基础设施要容易得多”。

一些研究人员试图寻找分离效果更好的萃取剂。重要材料研究所的化工工程师斯科特·赫布斯特（Scott Herbst）说，这非常不容易。他正在爱达荷国家实验室里寻找这样的萃取剂。“这几乎就是不可能的事情”。赫布特斯和同事从理论和实践两方面着手，一方面尝试使用计算机模拟技术来设计更好的分子；另一方面，探索能否把其他行业的萃取剂改良后为己所用。

其他一些研究人员正在寻找更好的溶剂。例如，比利时天主教鲁汶大学（Catholic University of Leuven）的化学家科恩·宾内曼斯（Koen Binnemans）正在制备并测试各种离子液体（ionic liquid，指那些在室温下呈熔融状态的盐）。典型的离子液体由携带一个负电荷、体积较大的有机离子和一个带正电荷、体积较小的无机离子构成。宾内曼斯说，这些离子液体更安全、不易挥发，并且比那些工业中常用的有机溶剂更便于回收，尤其是它们溶解稀土离子的能力大约是常用有机溶剂的6倍。宾内曼斯正在尝试研发也可以充当萃取剂的离子溶剂。

一些公司则正在改良其他行业使用的分离方法。利夫顿说，“如果这些公司能削减成本，就会非常有竞争力”。比如，在美国阿拉斯加的一处矿区，Ucore稀有金属公司（Ucore Rare Metals，总部位于加拿大）使用分子识别技术，可从矿石中提炼出纯度达99%的单一稀土元素，在实验室中的产量可达数克。这项技术由美国IBC先进技术公司（IBC Advanced Technologies）研发，之前用于工业上去除铜中的铋杂质，以及从废催化转化器中回收铂族金属。

在Ucore公司使用的这套分离系统中，混合稀土溶液依次通过17根不同柱子，每根柱子中都装填有一种特定的化合物，可以吸附某一种特定的元素。之后，用稀酸润洗就可以获得纯度达99%的单一稀土元素。Ucore公司称，该过程只需要重复几遍就行，具体次数取决于所需的纯度，因而是一种极具潜力的既高效又环保的方法。在接下来的几个月里，Ucore公司将与IBC的科学家合作，对该方法进行中试验证。

从电子垃圾中回收

并非所有的地方都有条件开采稀土矿——尤其是在欧洲，那里不仅储量稀少，当地民众反对开采的呼声也很强烈。不过，即使不开采稀土矿，发达国家也拥有巨大的潜在稀土资源——那些废旧的电子设备中就含有稀土金属。例如，大多数荧光灯中含有钇、铕和铽，而强永磁铁通常含有钕和镝。比利时天主教鲁汶大学的化工工程师汤姆·范·杰文（Tom Van Gerven）说，“以前，这些废弃电子设备会被送到中国，在那里进行回收利用。不过，我们不想再继续这样了，我们想在欧洲回收。”回收的难点在于稀有元素含量很低：电子垃圾中稀土元素的浓度通常比矿石中的低。不过，电子元件中需要分离的稀土元素种类也可能会少一些。通常只有把磁铁溶解在强酸里才能提取出稀土元素，但范·杰文正在寻找替代方法：他试图用超声波来处理固体磁铁。在化学实验室中，超声波通常用于清洁实验设备，因为超声可以把污染物颗粒从设备表面“轰击”下来。

重要材料研究所也有一个团队专门研究稀土元素的回收。在这个项目中，研究人员将萃取剂结合在一张膜上，这样在溶液通过时就能捕获其中的稀土元素。该项目负责人、爱达荷国家实验室的埃里克·彼得森（Eric Peterson）称，该技术甚至可以从非常稀的溶液中分离出稀土元素。

上述这些研究的实际效果如何，目前还很难预测，因为中国的稀土行业也在发生变化。中国政府正着力改革，加强对稀土行业的控制——140家稀土公司合并成了6家；严厉打击非法采矿；拆除不必要的分离设备，不仅注重经济效益，也重视社会效益和环境效益。利夫顿说：“曾经，中国的稀土行业不是很规范，但现在政府正在加强管控。”

中国政府的这些举措，可能会增加中国稀土分离行业的经营成本，有利于西方企业参与竞争。但是，金说，稀土行业并不只是分离。在中国，不同的工厂之间已经形成了一个网络，可以把分离出来的稀土元素加工成显示器、磁铁、电灯泡等元件，而西方则没有这样的网络。金说，“稀土行业必须形成一条龙式的产业链才有竞争力。”除非在西方也建造这样的工厂，否则美国钼业公司（Molycorp）、莱纳斯公司（Lynas，位于澳大利亚珀斯）等稀土生产商还得把自己的产品卖到中国去。考虑到未来全球对稀土金属的需求，很可能会超出中国的产量，中国生产商已经开始寻求在海外开采稀土矿，来为自己的工厂供应原料。

所以，即使西方成功研发出了比中国更廉价的稀土元素分离技术，由于经济因素的作用，很可能会出现一个颇具讽刺意味的局面——中国反而从西方进口稀土。