稀土在生产生活中的环保应用

稀土在生产生活中的环保应用1

孔令冬李华*

（山西大学环境与资源学院，030006，山西，太原）

E-mail：lihua@

摘要：稀土元素具有特殊的电子结构和独特的物理—化学特性，已获得广泛的应用。面临日趋严峻的环境问题，稀土在环境保护中所起的作用越来越明显。近年来的研究显示，稀土特异的催化性能不仅在工业、农业等方面具有独特而显著的功效，而且在大气、水、固废等污染治理中发挥着不可替代的作用。本文对稀土产品在生产、生活中的应用现状及存在问题进行了阐述，并对稀土在环境保护中的未来发展状况进行了分析。

关键词：稀土应用；环境保护；工业生产；废物处理

1. 前言

随着现代工业的发展，环境污染已成为困扰世界各国、尤其是发展中国家经济可持续发展难以逾越的障碍。光化学烟雾、酸沉降，紫外辐射、重金属、有机污染物等一系列的环境问题已引起人们广泛的关注。

我国稀土储量大、类型多、品种全、开发成本低，据1993年美国矿物局出版的资料表明[1]：中国稀土储量占世界储量的43%，矿产储量遥居世界第一。我国已探明稀土储量达4300万吨[2]，占全球41.4%，每年稀土矿产品产量和供应量为世界总量的70%以上，已成为世界最大的稀土出口国。稀土元素由于其内层4f电子被外层的5s及5p电子所屏蔽，所以4f 电子定域化和末成对电子多，原子磁矩高，电子能级极其丰富，从而使得稀土元素有其特有的性质，如独特的催化性质，优良的磁性等。利用稀土元素的性质，将其制成各种工程材料，可以广泛的应用于各个领域，比如石油裂化，汽车尾气净化，工业及人居环境净化，电厂、炼油厂的催化燃烧，燃料电池中的固体氧化物电极、电解质，工业污水处理等能源环境领域。在这些领域中稀土元素是不可替代的，起着至关重要的作用。

2.稀土在工业中的环保应用

2.1 稀土在工业生产中的环保应用

2.1.1稀土在玻璃生产中的应用[3]

1本课题得到山西大学引进人才启动基金资助

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在玻璃的熔制过程中，需要添加澄清剂白砒（As 2O 3）和三氧化二锑用以排除玻璃液中残留的微小气泡。其作用是在玻璃熔化澄清阶段分解放出氧气，将玻璃液中的小气泡扩大，逸出液面。玻璃配合料中澄清剂白砒(一般为0.3%～0.5%)在熔制过程中几乎有50%从玻璃中挥发，扩散到熔化车间和大气中，造成严重污染。与传统的澄清剂相比，Ce 2O 3有其特殊的功效。氧化铈为变价氧化物，在玻璃熔化过程中发生反应，生成二氧化铈，具体反应如下：

212002324CeO O O 2Ce ⎯⎯→⎯+℃

[O] O Ce 2CeO 3214002+⎯⎯→⎯℃↑

二氧化铈高温分解放出氧，具有澄清作用。同时反应中放出新生态的氧还可将低价的铁(Fe 2+)氧化成三氧化二铁，减少玻璃的着色，所以氧化铈又是玻璃的化学脱色剂。

目前砷、锑作为玻璃澄清剂已基本停止使用，因此，以氧化铈代替白砒(或三氧化二锑)作玻璃澄清剂势在必行。它不仅消除了玻璃工业对大气的污染，同时，在工艺上还解决了难熔玻璃澄清问题，改进了仪器玻璃灯工加工发黑的质量问题。

2.1.2 稀土在无机颜料中的应用

塑料制品和涂料生产消耗大量颜料，其中主要是含酸溶性铅、镉、六价铬和汞等有毒重金属离子，对人类健康和环境有很大的危害，但无机颜料所具有的高耐热性、耐候性，优良的耐腐蚀性是有机颜料所不可替代的。因此，研制开发新型的无毒无机颜料已成为倍受重视的热点课题。

1993年法国的罗地亚公司（原名罗纳普朗克公司）首先取得突破，研制出了以γ-Ce 2S 3为基本组分的新型橙色和红色颜料。这种稀土颜料具有良好的遮盖力、耐热性、耐光性、耐候性、弥散性、以及良好的惰性，在性能上可完全代替含锡、铅等金属颜料。虽然其价格较高，没有广泛使用，相信随着公众环保意识的提高、国家法规日益严格，不久的将来应用领域会逐渐扩大[4]。

2.1.3 稀土在纺织中的应用[5]

稀土应用于染色可以有效地起到增深、匀染作用，节约染料和助剂，提高产品质量，减少污染，改善环境，降低印染污水色度、BOD 。采用稀土助染，可以使上染率提高，助剂用量减少，水的用量也减少，降低和减少了污水排放量和处理费用。

兰溪市皮革厂用稀土初鞣、复鞣、染色的黄牛皮软面革三种残液，经浙江农业大学环保系对铬含量、COD 、色度进行测定。结果发现：稀土新工艺中铬的利用率高达90%以上，而纯铬鞣工艺为60%左右，铬离子被吸收的绝对值，两种工艺几乎相等，但稀土新工艺的收缩温度高于纯铬鞣工艺。这一方面说明三价稀土离子具有一定的鞣性；另一方面又证明稀土和铬形成的配合离子，与胶原双点配位后提高了铬的吸收率，减少了红矾用量，降低了残 - 2 -

液中的铬，提高了环保效益。

2.1.4 稀土在油漆中的应用[6,7]

传统油漆催干剂是钴、锰、铅、锌、钙的金属的饱和环烷酸盐。其中，使用最多的是锰、铅盐的金属皂，而铅盐金属皂的使用量约占催干剂总量的l/3，造成了铅对人体及环境的毒害和污染。同时锰盐色深，浅色漆中不适用。

为减少铅污染，提高产品质量，稀土催干剂就成为当前众多催干剂中综合性能较好的产品。最近研究表明：稀土催干剂可取代铅、锰、锌、钙等传统催干剂，且可减少钴催干剂用量，生产工艺简单，降低油漆成本，提高漆膜质量，应用前景十分广阔。

2.1.5 稀土在塑料中的应用[8]

聚氯乙烯（PVC）是五大通用塑料之一，加工时必须添加热稳定剂以抑制其热降解。传统的PVC热稳定剂主要有无机铅盐、金属皂和有机锡三大类。但是，其中的性能较高的品种不是有毒(无机铅盐、钡-镉皂)，就是价格昂贵(有机锡)，这些缺陷限制了PVC制品的应用范围。因此，低毒、性能稳定、价格便宜、平衡性好是当前PVC热稳定剂研究的主攻方向，稀土热稳定剂是新近出现的无毒且性能－价格比较好的新型PVC热稳定剂。

国内有关稀土热稳定剂的研究起步稍晚，但也已取得不少进展。根据已发表的研究结果，可作为PVC热稳定剂应用的稀土化合物包括氢氧化物、有机单酸盐、有机二酸单酯盐等类型，但其中以硬脂酸稀土研究得最透彻，且已达到实用化水平。吴茂英对硬脂酸稀土与传统金属皂热稳定剂进行了较系统的比较研究发现：在热稳定性方面，硬脂酸稀土类似于硬脂酸钙、钡，具有长期热稳定剂的特征；在透明性方面，硬脂酸稀土则明显优于硬脂酸钙、钡而接近于硫醇有机锡的水平。

2.1.6 稀土在金属表面镀覆中的应用[9]

在金属表面镀覆中耗用大量的铬酐，铬酐有毒，5g可致人死命。铬雾易使操作人员中毒，镀铬废液严重污染环境。采用稀土添加剂镀铬工艺，可以降低镀液中铬的浓度和降低镀液温度，减少铬雾蒸发，改善环境，铬酐的耗量明显下降，从而降低生产成本。同时，加入稀土可以提高电流效率，提高镀液的均镀能力和深镀能力，改善镀层的质量。

2.1.7 稀土用做汽油抗爆剂[10,11]

汽油抗爆剂由于其用量少、操作简单灵活、效果明显，是提高汽油辛烷值最经济、有效的一种方法。作为汽油抗爆剂的Pb(C2H5)4曾对世界石油工业和交通运输业发展做出了巨大贡献，但由于其本身毒性和对环境的污染逐渐被各国禁用。现在普遍采用MTBE(甲基特丁基醚)代替Pb。然而，MTBE污染地下水及对人体可能存在潜在的致癌威胁，所以开发既不使净化汽车尾气的三元催化剂中毒，燃烧后的化合物又对环境无害的新型抗爆剂，就显得尤为重要。

以稀土化合物作为汽油抗爆剂的研究正符合了人们对汽油添加剂的这种要求。国外已有

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