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元素战略 - 介绍

保护资源一直是人类社会的一个主要活动,随着技术的发展,对资源的需求也随之变化。随着工业革命的出现,除了农业商品(如木材,羊毛和棉花)之外,矿产资源和化石燃料的需求急剧增加,当然这些也有很大的政治和环境影响的原因。20世纪工业的进步导致了更大的需求和消费。在21世纪初,资源的需求依然贪婪,事实上已发展到对包括很多稀缺的或者难以取得的元素的需求渴望,当这些资源被使用后,给环境留下一个很大的影响。这些元素中有许多元素没有足够的存储量作为主要开采目标,实际上这些元素是在精制其它矿物时提取的副产物。这些稀缺元素通常在普通矿石中以原子的形式存在,并不是以一个单独的矿物存在,一般是作为杂质存在。举两个例子,一个是碲,是精炼铜的副产品,另一个是铟,与锌和铅矿石同在。一种稀缺元素的可用性,可直接关系到一种日用品的需求。

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图1:一个智能手机中存在的元素

 

但是也有一些经常被描述为非常重要的其他几种元素。例如,由于其极高的活性和化学选择性,贵金属如钯,铑,锇,铂和铱经常用于医药品和大宗化学品的制造,以及作为制作家庭消费品的催化剂。用在混合动力汽车和现代电动发电机中的电动马达的高功率密度磁体需要稀土金属如钕,铽,镝和钷,以便在高温下可操作。并且汽车催化转换器仍然占据很大一部分铂和铑的需求。此外,现代的电子设备,如计算机和智能手机包含一个复杂的元素混合物体系,如铟和其他许多稀缺的,并且很难被回收的元素。

认清稀缺元素和重要元素的区别是很重要的。稀缺元素是在地球上以低丰度存在的元素,例如铂或碲。一种稀缺元素如果需求低,那就是非重要元素。而另一方面重要元素可能实际上并不罕见,但需求很高,供应可能会受到限制或由于技术,政治或社会因素存在风险,或取得该元素可能造成很大的环境负担。确定哪些元素是重要元素超出了本报告的范围,元素的重要性和稀缺性的详细讨论可以在其他报告中阅读2

资源枯竭的迫在眉睫的危机不仅限于贵金属。虽然锂的蕴藏量非常丰富是众所周知的,特别是在阿根廷和玻利维亚等地区,但是考虑到锂电池需求的大幅增加,除了延长开发电池的使用寿命外,应认真考虑电池的回收策略。以目前的技术,储备充足的锂可以为120亿辆汽车提供电池,因为它并不是一个真正的燃料,也不是被消耗掉,可以当电池出现故障时,被回收利用。尽管如此,由于需求量大,锂的使用也应在经济效益,环境相容性和稳定性的供应方面多加考虑。

1重要元素的例子

元素

使用

储备情况

制造精细化工和商品化工,医药,尾气催化剂

可消费160年

制造精细化工和商品化工,医药,尾气催化剂

可消费160年

电子,触摸屏,LED灯

可消费24年

太阳能电池

不清楚,与铜矿一起存在

高性能磁体,激光器

截至2010年,可消费420年。需求正在迅速增加

高性能磁铁

可消费209年,但需求正在迅速增加

 

*Halada, Katagiri. Proc. Of EcoBalance 2010, pp 609

 

表2:能源和元素

技术

应用

重要元素

电池

运输,电子,发电系统

光伏器件

太阳能发电

铟,镓,锗,碲,钌

磁铁

发电机(风力发电机组),电动机

钕,镝,铽

超导体

化学和医学成像,运输,计算机和电力传输

氦气,镧系元素

热电

发电

碲,镱,铈

燃料电池

发电,交通运输,移动电源

钇,钪,铂

 

 

提高效率的许多新技术需要大量资源的支持,以及正在开发的可以减少对一种或多种资源压力的技术,也在很大程度上依赖于那些缺乏的和/或很难获得的元素。例如,现代的液晶电视比旧的阴极射线管装置更节能,但是,它们需要大量的稀缺元素。因此,既在整体水平,又在特定应用水平上重视元素利用的有效性是绝对必要的,以便找到平衡的解决方案。

除了解决技术难题,同样重要的是要考虑社会,政治和经济的挑战。虽然自由的市场经济机制和社会传统可以有效地应对不断变化的世界,但是资源枯竭已达到了非常严重的程度,因此,政府的监管和立法,以及政府,企业,大学和其他社会机构之间的直接合作是至关重要的。

不采取行动的结果可能很严重。我们对最新的现代技术的依赖已经变得非常大,尤其是对电脑特别依赖,一些重要元素的缺乏不仅可能阻止新设备的生产,而且当这些设备已超过其使用寿命时,重要元素的缺乏也会阻止设备替代品的生产。这不是一个假设性的问题,很多元素对现在的技术具有重要作用,这些元素探明的储量将在几十年内消耗殆尽,这并不是耸人听闻。根据目前的消费趋势和探明的储量,银,铅和锡预计在短期内可供给30年3。当然,这并不是说新的储量不会被发现,而是新的储量可能非常难开采,在经济上是不可行的。更令人不安的是磷可能出现耗竭的情况。全球的磷需求量为每年约20万吨,并以每年2.5%的需求速度增长。目前,并不能清楚地探测到磷的储备,因为开采者们报告的磷储备数据并没有被正式确认。磷元素是特别值得关注的元素,因为目前全球三分之二的粮食生产依赖于磷肥,没有它,全球三分之二的人口或超过40亿人会挨饿。虽然可开采的磷矿突然消失的情况不太可能发生,但是易获得的磷矿石的消耗已经到了一个严重的地步,可用的磷矿石含量显著降低。因此要求必须解决目前的消费问题和农业实践问题,以及人口问题,以避免严重的粮食短缺。必须强调的是磷是生命所必需的,也是绝对不能替代的。

图2:磷峰值曲线

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