稀土開採可能是我們再生能源未來的關鍵。但代價是什麼？

1949 年春天，三名手持蓋革計數器的探礦者出發在內華達州南部和加州東南部的乾旱山區尋找寶藏。

上個世紀，這些山出產金、銀、銅和鈷。但這些人正在尋找另一個寶藏：鈾。世界正從第二次世界大戰走出來，逐漸進入冷戰。美國需要鈾來建造其核武庫。開採本土資源成為國家安全問題。

經過幾週的尋找，三人找到了他們認為有價值的東西。他們的儀器在加州克拉克山脈內裸露的岩石露頭中檢測到棕紅色礦石脈中存在強烈的放射性。但這些棕紅色物質並不是鈾，而是氟碳鈰礦，一種含有氟、碳和 17 種奇怪元素（統稱為稀土）的礦物。礦石中也含有微量的放射性釷，導致蓋革計數器發出響聲。

儘管這一定令人失望，但氟碳鈰礦仍然具有價值，探礦者將其所有權出售給了美國鉬業公司（後來稱為 Molycorp）。該公司對開採稀土感興趣。 20 世紀中葉，稀土元素以多種方式變得有用：鈰例如，是玻璃拋光粉的基礎，銪為最近發明的彩色電視螢幕和螢光燈提供了發光。

在接下來的幾十年裡，這個後來被稱為帕斯山礦的地點是世界上最大的稀土元素來源，直到兩個壓力變得太大。到 1980 年代末，中國開始集中開採自己的稀土，並以較低的價格出售。 2002 年，帕斯山發生的一系列有毒廢物洩漏事件導致這座陷入困境的礦場停產。

但故事還沒結束。 21 世紀的綠色科技革命為帕斯山帶來了新的關注，該礦後來重新開放，並且仍然是美國唯一的稀土礦。

稀土現已成為許多碳中和技術製造中不可或缺的一部分，以及推動現代世界發展的一整套工具。這些元件是小型超高效永久磁鐵的組成部分，可讓智慧型手機保持嗡嗡聲、風力渦輪機旋轉、電動車加速行駛等。

開採美國稀土元素來源，喬·拜登總統的政府於 2021 年 2 月表示，事關國家安全。

稀土在地球上實際上並不稀有，但它們往往以低濃度分散在整個地殼中。特拉華大學紐瓦克分校的地理學家朱莉·克林格(Julie Klinger) 表示，如果沒有將礦石轉化為可用形式的複雜且通常對環境有害的加工，那麼僅礦石的價值就相對較小。因此，稀土採礦業正在努力解決遺留的環境問題。

稀土是透過在地下挖掘巨大的露天礦坑來開採的，這可能會污染環境並破壞生態系統。如果監管不善，採礦會產生充滿酸、重金屬和放射性物質的廢水池，這些物質可能會洩漏到地下水中。將原礦石加工成可用於製造磁鐵和其他技術的形式是一項漫長的工作，需要大量的水和潛在有毒的化學物質，並產生大量廢物。

華盛頓特區自然資源保護委員會的可持續發展研究員米歇爾·布斯塔曼特(Michele Bustamante) 表示：「我們需要稀土元素…來幫助我們向氣候安全的未來過渡。」然而，「我們在採礦時所做的一切都是對環境有影響，」布斯塔曼特說。

但愛荷華州艾姆斯國家實驗室冶金學家兼該實驗室主任 Thomas Lograsso 表示，有一些方法可以減少採礦足跡。關鍵材料研究所，能源部研究中心。研究人員正在研究各種問題，從減少礦石加工過程中產生的廢物量到提高稀土元素分離的效率（這也可以減少有毒廢物的量）。科學家也正在測試採礦的替代方案，例如從舊電子產品中回收稀土或從煤廢料中回收稀土。

洛格拉索說，大部分研究都是與採礦業合作進行的，採礦業的支持是關鍵。礦業公司必須願意投資進行改變。 「我們希望確保我們所做的科學和創新是由行業需求驅動的，這樣我們就不會開發出沒人真正想要的解決方案，」他說。

克林格表示，如果此類解決方案被廣泛採用，她對稀土採礦業的污染程度可以減少且更永續持謹慎樂觀的態度。 「很多收益都來自於唾手可得的成果，」她說。即使是為了提高隔熱性能而進行的基本硬體升級也可以減少達到某些加工所需的高溫所需的燃料。 “你做你能做的事。”

稀土開採對環境的影響

在加州克拉克山脈的鋸齒狀山峰和內華達州邊界之間，坐落著一個寬闊、平坦、波光粼粼的山谷，被稱為伊凡帕乾湖。大約八千年前，山谷常年有水。如今，就像莫哈韋沙漠中的許多這樣的普拉亞一樣，這個湖的生命週期很短暫，只有在一場大雨和山洪爆發之後才會出現。這是一個美麗而荒涼的地方，是瀕臨滅絕的沙漠龜和莫哈韋馬利筋等稀有沙漠植物的家園。

大約從 1984 年到 1998 年，艾萬帕乾湖也是從帕斯山管線輸送的廢水的暫存區。這些廢水是化學加工的副產品，旨在濃縮開採岩石中的稀土元素，使其更適合那些可以提取這些元素來製造特定產品的公司。該礦井透過埋地管道將廢水輸送至約 23 公里外乾涸湖床及其周圍的蒸發池。

多年來，該管道多次破裂。至少 60 起單獨的洩漏事件將約 2,000 噸含有放射性釷的廢水傾倒入山谷中。聯邦官員擔心當地居民和附近莫哈韋國家保護區的遊客可能有接觸釷的風險，這可能導致肺癌、胰臟癌和其他癌症的風險增加。

優尼科公司 (Unocal Corporation) 於 1977 年收購了 Molycorp，並於 1997 年被勒令清理洩漏事故，該公司支付了超過 140 萬美元的罰款和和解金。原礦石的化學加工已停止。採礦作業不久後就停止了。

在半個地球之外，另一場環境災難正在上演。自 1990 年代以來，市場上絕大多數（80% 至 90%）的稀土元素都來自中國。光是內蒙古白雲鄂博礦一處就佔 2019 年稀土產量的 45%。

白雲鄂博佔地約 4,800 公頃，約為佛羅裡達州華特迪士尼世界度假村面積的一半。它也是地球上污染最嚴重的地方之一。清理土地以挖掘礦石意味著清除已經容易沙漠化的地區的植被，從而使戈壁沙漠向南蔓延。

2010年，附近城市包頭的官員指出，放射性、含砷和氟的礦場廢棄物或尾礦被傾倒在農田、當地供水系統以及附近的黃河中。空氣被煙霧和有毒粉塵污染，降低了能見度。居民抱怨噁心、頭​​暈、偏頭痛和關節炎。有些人有皮膚損傷和牙齒變色，這是長期接觸砷的跡象；克林格說，其他人則表現出骨骼脆弱的跡象，即氟骨症的跡象。

中國國務院2010年寫道，中國的稀土工業“對生態環境造成嚴重破壞”。該委員會寫道，「過度稀土開採」導致山體滑坡和河流堵塞。

面對這些日益嚴重的環境災難，以及對稀土資源消耗過快的擔憂，中國在 2010 年將稀土出口量削減了 40%。新的限制導致價格飆升，並引發全球擔憂中國對這些必需品的控制過於嚴格。這反過來又引發了對其他地方稀土開採的投資。

2010年，幾乎沒有其他地方開採稀土，只有印度、巴西和馬來西亞的產量極少。西澳大利亞偏遠地區的一座新礦已上線2011年，歸礦業公司萊納斯所有。該公司挖掘了一座名為韋爾德山（Mount Weld）的古老火山內保存的熔岩化石。

特拉華大學環境規劃師薩利姆·阿里 (Saleem Ali) 表示，韋爾德山沒有產生與中國相同的環境影響：它的位置太偏遠，而且該礦的規模只是白雲鄂博的一小部分。 。同時，美國渴望再次擁有自己的稀土來源，而帕斯山仍然是最好的前景。

帕斯山礦井得到恢復

在伊万帕乾湖事件之後，帕斯山礦山再次易主。雪佛龍於 2005 年收購了它，但沒有恢復營運。隨後，2008 年，一家新成立的 Molycorp Minerals 公司購買了該礦，並雄心勃勃地計劃在美國建立完整的稀土供應鏈。

目標不僅是開採和加工礦石，還要分離出所需的元素，甚至將它們製造成磁鐵。目前，分離和磁鐵製造均在海外完成，大部分在中國進行。該公司還提出了一項計劃，以避免廢水洩漏到附近脆弱的棲息地。 Molycorp 恢復採礦，並引入了「幹尾礦」流程——一種從礦山廢料中擠出 85% 的水，形成濃稠糊狀物的方法。然後，該公司將把固定的糊狀殘留物儲存在自己土地上的有襯裡的坑中，並將水回收回設施中。

不幸的是，從商業角度來看，Molycorp“是一場史詩般的失敗”，Molycorp 負責溝通和政策的高級副總裁 Matt Sloustcher 表示。MP材質，帕斯山礦的現任所有者。管理不善最終導致 Molycorp 在 2015 年根據美國破產法第 11 章申請破產。到 2022 年，帕斯山礦場的稀土產量將佔全球的 15%。

MP Materials 也有一個雄心勃勃的議程，計劃創建一個完整的供應鏈。而公司決心不再重蹈前輩的覆轍。 「我們擁有世界一流的…令人難以置信的礦藏，還有尚未開發的潛力，」MP Materials 首席營運長 Michael Rosenthal 說道。 “我們希望支持強大且多元化的美國供應鏈，成為美國磁性產業的冠軍”

分離稀土的挑戰

8 月一個炎熱的早晨，Sloustcher 站在 Mountain Pass 礦井的邊緣，這是地面上的一個巨大洞，直徑 800 米，深 183 米，大到從太空都可以看到。這是一個令人印象深刻的景象，也是描述未來願景的一個很好的有利位置。他指出了各種建築物：礦石被壓碎和研磨的地方，地面岩石經過化學處理以盡可能多地脫落非稀土材料的地方，以及從廢物中擠出水並將廢物放入水中的地方。成排的池塘。

最終結果是一種高濃度的稀土氧化物礦石—仍遠未達到磁鐵製造階段。但羅森塔爾表示，該公司有一個三階段計劃，“恢復對美國的全部稀土供應”，從“礦山到磁鐵”。第一階段於 2017 年開始，旨在重新開始採礦、破碎和選礦。第二階段的最終階段是稀土元素的化學分離。他說，第三階段將是磁鐵生產。

自 2017 年上線以來，MP Materials 已將其精礦運往中國進行後續步驟，包括將元素相互分離的艱鉅而危險的過程。但去年 11 月，該公司向投資者宣布，它已開始第二階段的初步步驟，這是一個“重大里程碑”正在實現從礦山到磁鐵的雄心壯志。

擁有美國國防部的投資，該公司正在建造兩個分離設施。一座工廠將提取較輕的稀土元素，即原子序數較小的稀土元素，包括釹和镨，這兩種元素都是為電動車和許多消費性電子產品提供動力的永久磁鐵的關鍵成分。國會議員 Materials 獲得了國防部的額外撥款，用於設計和建造第二個加工廠，以分離較重的稀土元素，例如鏑（也是磁鐵的成分）和釔（用於製造超導體和雷射）。

與第二階段一樣，第三階段也已經在進行中。 2022 年，該公司在德州沃思堡破土動工建設一家生產釹磁鐵的工廠。它還與通用汽車簽署了一項協議，為電動汽車引擎供應這些磁鐵。

但分離這些元素會帶來一系列環境問題。

這個過程很困難並且會導致大量浪費。稀土元素的化學性質極為相似，這意味著它們往往會黏在一起。迫使它們分開需要多個連續步驟和各種強溶劑才能將它們一一分開。例如，苛性氫氧化鈉會導致鈰從混合物中脫落。其他步驟涉及含有稱為配體的有機分子的溶液，這些有機分子對金屬原子有強烈的渴望。配體可以選擇性地結合特定的稀土元素並將它們從混合物中分離出來。

但田納西州橡樹嶺國家實驗室的有機化學家 Santa Jansone-Popova 表示，困擾這項提取過程的最大問題之一是效率低下。這些金屬的清除過程緩慢且不完美，公司必須經過大量的提取步驟才能獲得足夠的可銷售量的元素。 Jansone-Popova 說，使用目前的化學方法，「需要很多很多階段才能實現所需的分離」。這使得整個過程“更加複雜、更加昂貴，並且產生更多廢物。”

在美國能源部關鍵材料研究所的支持下，Jansone-Popova 和她的同事一直在尋找一種方法來提高這個過程的效率，從而消除其中的許多步驟。 2022 年，研究人員發現了一種配體，他們稱這種配體比目前在業界使用的配體更能有效地捕捉某些稀土元素。她說，產業合作夥伴今年將嘗試這項新工藝。

除了對廢物中重金屬和其他有毒物質的擔憂之外，人們還擔心放射性對人類健康的潛在影響。阿里表示，問題在於，關於稀土開採對人類和環境健康影響的流行病學證據仍然有限，而且大部分證據與砷等重金屬的毒性有關。他說，由於開採的稀土中放射性元素濃度較低，目前還不清楚對放射性廢棄物的擔憂有多少是有科學根據的。

然而，此類擔憂引起了國際關注。 2019 年，馬來西亞爆發了抗議活動，抗議活動人士稱馬來西亞關丹市附近的稀土分離設施產生了約 150 萬噸的「有毒廢物山」。該設施由萊納斯公司擁有，該公司將其稀土礦石從澳大利亞韋爾德山運送到該地點。為了溶解稀土，將礦石用硫酸煮沸，然後用水稀釋。留下的殘留物可能含有微量的放射性釷。

萊納斯沒有永久儲存廢物，而是將其堆放在關丹附近的山上。但專家表示，對這些山上潛在放射性的警報可能被誇大了。萊納斯報告稱，該現場的工人每年受到的輻射低於 1.05 毫西弗，遠低於國際原子能總署為工人設定的 20 毫西弗的輻射閾值。

「關於釷等副產品存在著許多錯誤訊息……稀土加工中產生的釷實際上是非常低水平的輻射，」阿里說。 “作為一個堅定的環保主義者，我覺得現在在這些事情上沒有太多基於科學的決策。”

考慮到對新採礦的擔憂，世界資源研究所等環境智庫一直呼籲更多地回收現有稀土材料，以減少對新採礦和加工的需求。

自然資源保護委員會的布斯塔曼特說：“通往未來的道路在於充分利用我們從地下獲取的資源。” “最終，變革的最大槓桿不在於採礦本身，而在於製造，以及我們在生命結束時如何處理這些材料。”

這意味著盡可能有效地利用開採的資源，同時也從現有材料中回收稀土。她補充說，充分利用這些材料可以減少採礦本身對環境的整體影響。

阿里說，這是一個有價值的目標，但回收並不是靈丹妙藥。一方面，目前沒有足夠的廢棄稀土電池和其他材料可供回收。 “一些採礦是必要的，[因為]現在我們沒有庫存。”他補充道，供應問題只會隨著需求的增加而加劇。