余炳盛
長期從事地球資源的探勘調查、開發與應用的相關研究。

稀土礦雖然數量不算稀有，但提煉、分離與純化等技術都不易執行，因此難以像其他金屬一樣大量產出。

稀土通常從地表的硬岩源與風化源進行開採，常見的方法包括露天開採、原地浸出、濕式疏浚及乾式採礦，開採後則需去除礦物雜質，再進行選礦與冶煉等程序。

稀土從開採到冶煉都將帶來多重汙染，包括露天開採可能破壞地表，冶煉過程產生的廢棄物、放射性殘留物及重金屬可能汙染土壤與水體。

稀土元素（rare earth elements, REEs）被人們稱為新材料的「寶庫」或「維他命」，是提供我們現代化生活的許多高科技產品的關鍵原料。雖然名字有個「稀」，但實際上稀土元素在地殼中的含量並不稀少，例如鈰組元素平均含量為0.01592％，釔組元素平均含量為0.0077％，比一些常見的元素銅（0.01％）、鋅（0.005％）、錫（0.004％）、鉛（0.0016％）、鎳（0.008％）、鈷（0.003％）等都要多。但稀土存在的地質條件特殊，使得開採與提煉比一般常見的金屬礦床更為困難。

稀土的分布與指標：礦床與礦床品位

稀土礦床其實在世界分布頗為廣泛，所謂的「礦床」是地殼中的某些有用元素或礦物因特殊地質作用集中（也稱為富集）在一起，而且規模達到具有經濟價值並可開採的地質集合體或岩體。目前已知的稀土礦床和礦化產地廣泛分布於南極洲外的世界各大洲，稀土資源和稀土儲量則相對集中於中國、俄羅斯、越南、印度、巴西、澳洲和美國七個國家。稀土原生礦床主要產於鹼性岩－碳酸岩雜岩體中，這類岩石集中分布在中國的白雲鄂博、美國的芒廷帕斯（Mountain Pass)及澳洲的韋爾德山（Weld Mountain）幾個礦床之內，根據1990年儲量統計，這三個礦山占世界稀土總儲量的90%以上。另外稀土也存在一些海濱砂礦中，例如沿非洲東海岸、印度東西海岸、中國東南沿海、馬來亞半島、印尼、澳洲東西海岸及巴西海岸帶，都有稀土分布。

然而，所謂的稀土礦床並非整個岩體都是稀土元素，通常含稀土元素的比例並沒有想像中來得高。在地質學上，通常以礦床品位（也稱礦石品位）作為衡量礦床經濟價值的主要指標。礦床品位指單位體積或單位重量礦石之中，有用組分或有用礦物的含量，一般以重量百分比（%）表示（例如鐵、銅、鉛、鋅等），有的用克／噸表示（例如金、銀等），有的用克／立方米表示（例如砂金礦等），有的用克／升表示（例如碘、溴等）。

工業上，世界各地對於稀土礦床品位要求沒有統一的指標。但一般來說，文獻報導中已開採或準備開採的獨立稀土礦床，稀土品位通常較高。例如芒廷帕斯氟碳鈰礦（bastnasite）礦石的稀土氧化物（RE2O3）品位為7.68%，韋爾德山氟碳鈰礦礦石的稀土氧化物品位則為16.2%。

不過稀土礦物經常是作為開採其他礦產時的伴生成分，因此在這種情況下，就比較沒有固定的品位要求。例如加拿大伊利奧特湖（Elliot Lake）的含鈾礫岩礦床，在開採鈾礦時順便回收稀土，礦石稀土氧化物品位僅為0.057%；科拉半島（Kola Peninsula）磷灰石礦床是前蘇聯稀土的重要來源之一，磷灰石的稀土含量0.85%。中國最主要的稀土礦白雲鄂博的平均品位為6%，但大部分稀土礦床的工業指標依照礦種的不同而有差異，有些品位僅為1%，甚至更低。

又例如用來開採稀土的礦物之一獨居石（Monazite），是海濱砂礦地區主要的礦床組成之一，但砂礦中的獨居石平均含量其實不到1%。然而也有例外，例如印度鈦鐵礦砂礦中的特拉凡科爾（Travancore）礦床，獨居石含量為1～2%，以及澳洲西海岸部分地區，砂礦中的獨居石含量可達10%。

稀土礦的開採

稀土元素通常從上述稀土礦床的硬岩源和風化源開採。硬岩源包括碳酸鹽岩和鹼性火成岩，而風化源包括礦砂和離子吸附黏土。除了獨居石，目前開採的含稀土元素礦物還包括磷釔礦（xenotime）及氟碳酸鹽等。一般的採礦方法包含：

露天開採

指直接從地表開採我們所需要的礦產資源。露天開採時，通常要先剝離覆蓋在礦床上面的岩石或土壤，才能開採到被岩土覆蓋的礦石，與露天開採相對的是地下開採。露天開採是開採硬岩稀土元素的常用方法，類似其他露天採礦作業，過程包括爆破、裝載，和運輸礦石到選礦廠。露天開採後，經常會在地表形成一個非常巨大的坑洞（圖一）。

原地浸出

又稱地下浸出法，包括「地下就地破碎浸出」和「地下原地鑽孔浸出」。原地浸出的程序包括利用爆破法就地將礦體中的礦石破碎至適當粒度，使礦石就地產生微細裂隙發育、塊度均勻、級配〔註1〕合理、滲透性能良好的礦堆，接著再從礦堆上部撒播溶浸液〔註2〕，選擇性地將礦石中的有價稀土金屬溶解出來。浸出的溶液收集後再傳輸到地面加工，並回收其中的金屬。浸後的礦石則稱為尾礦，尾礦中的稀土元素含量已大幅降低，會留在採礦場就地封存處置。簡而言之，原地浸出就是將化學物質注入礦石以溶解稀土元素，再進行回收。

註1：指不同粒徑的礦石在空間中的分布情形。通常級配優良指大、中、小顆粒皆有，級配不良則指顆粒僅集中於某一粒徑。
註2：含有化學試劑的液體，用來選擇性溶解目標金屬元素。

濕式疏浚和乾式採礦

通常用於礦砂的稀土礦床，其中稀土元素通常存在於獨居石中。濕式疏浚透過機械設備將海邊的礦砂等沉積物進行挖掘，並透過水流輸送到後面的相關分選設備。乾式採礦則通常直接挖取含水量較低的礦砂，並運往後續的分選設備，分選出所需的含稀土礦物砂。

稀土礦石的選礦與冶煉

礦床開採出來的礦石並不只包含具有經濟價值的礦物，還經常會伴生許多不需要的礦物，因此要再進行選礦程序，才能進一步提煉成工業所需的原料。選礦程序的內容是將低品位的礦石進行加工、純化，主要目的是去除我們不需要的礦物雜質，提高具經濟價值的礦物品位。

由於稀土礦石中的稀土元素含量通常不高，這些礦石如果沒有經過選礦程序，直接進入後續的冶煉過程，將會需要龐大的操作容器及空間，浪費大量的藥劑、時間、能源。因此必須進行選礦以提升礦石含稀土元素的比例，使後續冶金程序達到節省空間、藥品、能源、操作時間等成效。

稀土礦物的選礦過程涉及物理分離，目的是去除不需要的雜質，或提高所需產品的濃度。選礦過程的主要操作包括分級單元（即破碎和研磨）以及透過泡沫浮選（即混合器、泡沫浮選槽、濃縮器）、磁選和重力分離，將稀土礦物與其他礦物分離，再對礦物質進行脫水（即濃縮和乾燥）。

稀土礦石通常與重晶石、螢石、方解石、矽酸鹽和鐵礦物混合在一起，因此分離稀土礦物具有很大的挑戰性，後續處理的目的是希望每個過程都能持續提升稀土元素的濃度。

通常，稀土礦物可以透過顎式破碎機和球磨機來減少礦石的尺寸。破碎機用於將礦石破碎至細粒度（即直徑<1公分），再使用帶有鋼球的球磨機將礦石研磨至更細的粒徑（40～100微米）。據報導，大多數行業都使用破碎機和研磨機來獲得所需的礦石粒度。最後透過泡沫浮選、磁選、靜電分離、重力濃縮或所有方法的組合，將礦石漿液泵入下一個選礦階段。例如中國白雲鄂博是以應用重力分離和泡沫浮選來提高效率，從含鐵和矽酸鹽脈石的材料中分離出獨居石和氟碳鈰礦。

選礦後得到的稀土含量較高的精礦，才會進入後續的冶煉過程。稀土冶煉方法大致分為兩種，即濕法冶金和火法冶金。稀土的濕法冶金是屬於化工冶金方式，全流程大多處於溶液、溶劑之中，例如稀土精礦的分解，以及稀土氧化物、稀土化合物、單一稀土金屬的分離和提煉過程，就是採用沉澱、結晶、氧化還原、溶劑萃取、離子交換等化學分離技術。目前應用較普遍的是有機溶劑萃取法，它是工業分離高純單一稀土元素的通用技術。濕法冶金流程複雜，但是產品純度高，該法生產成品應用面非常廣闊。

火法冶金技術則過程簡單，生產率較高。稀土火法冶煉主要包括矽熱還原法、熔鹽電解法、金屬熱還原法等，以製取稀土金屬或合金。火法冶金的共同特點是在高溫條件下生產。

稀土開發的汙染與挑戰

從上述可以發現稀土元素的開採和提煉過程都可能會造成環境汙染，這包括了破壞土地和植被、產生放射性廢棄物和重金屬汙染。開採與提煉對環境影響大致如下：

破壞土地和植被

如果使用露天開採方法，稀土礦開採後將會在地表留下一個大坑洞，因此開採過程可能會破壞土地，導致水土流失和土壤肥力下降，並可能影響附近的植被與生態。

廢棄物產生

開採或冶煉過程可能會產生大量廢棄物，包括選礦後產生的尾礦、廢水和放射性殘留物。稀土礦中常含有鈾和釷，這些放射性元素的廢棄物往往需要進一步進行安全處理和處置。例如全世界最大的白雲鄂博稀土礦區富含釷，還含有少量鈾，鈾及它的衰變產物也是放射性物質，在開採和冶煉過程中都會釋放到環境中。礦區的廢渣場便是這些放射性物質的主要來源，其中的釷和鈾會透過風吹、水流等方式進入環境，汙染土壤和水源。

重金屬汙染

稀土提煉過程中，有時會使用含重金屬的藥品，例如鉛、鎘等，也會產生酸性廢水和含有重金屬的廢水。如果處理不當，會導致土壤和水體汙染，影響水生生物及人類飲用水安全。

稀土開採與利用的未來展望

雖然目前已有採礦、選礦或冶煉等技術，但科學家仍在努力發展較為環保的技術，包含生物技術與低汙染分離法等，只是以上方法目前仍難以大規模取代傳統的開採方式。

從稀土礦床在地殼內的孕育，到被人類探勘、開採、選礦及提煉及應用的過程中，探勘和開採技術相對較成熟、容易，但是稀土礦物種類複雜，加上17種稀土元素的性質極為相似，因此目前真正的挑戰在於這些礦物的有效分選，以及各元素的提煉、分離與純化。只是因為目前僅有極少數國家掌握這些技術，所以雖然稀土在地殼中的總含量其實不稀，卻仍無法像一般金屬一樣被多數國家大量生產。

由此可見，稀土元素雖然並非稀有金屬，卻需要經過一連串艱辛不易的探勘、開採、選礦及提煉程序，才能轉化成有用物資與關鍵材料，提升我們生活的便利性。因此我們更應該好好珍惜這些得來不易的自然礦產資源，審慎思考如何永續利用，以減緩稀土帶來的種種風險。 閱讀完整內容