【背景及概況】^[1][2][3]

稀土元素（rare earth elements，REE）是指稀土鑭系元素（15 種）和與鑭系元素性質(zhì)相似的鈧、釔共 17 種元素的總稱。有關(guān)稀土元素的生物化學(xué)、毒理學(xué)、藥理學(xué)、人體組織學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、稀土環(huán)境科學(xué)以及材料科學(xué)等方面的研究也正在廣泛地開展中，并且取得了不少研究成果。對稀土農(nóng)用的研究，我國始自20世紀(jì)70年代，稀土微肥已在全國有一定的推廣面積，因?yàn)橄⊥猎刂懈髟氐男再|(zhì)存在一定的差異，他們的生物學(xué)效應(yīng)也不盡相同，甚至相反。要明確稀土復(fù)肥中稀土的增效作用及機(jī)制，特別是理解稀土的生物學(xué)效應(yīng)及作用機(jī)制，對單一稀土元素的研究顯得尤為重要。

稀土釹（neodymium，Nd）元素屬于稀土鑭系元素，元素符號(hào)Nd。自然界釹主要以氧化物、硝酸鹽、氯化物等化合物的形式存在。20世紀(jì)60年代末，我國已能用氯化釹（NdCl₃熔鹽電解生產(chǎn)金屬Nd。70年代末，我國開始尋找新的氧化釹（Nd₂O₃）熔鹽電解生產(chǎn)釹獲得成功，并于80年代中期逐步走向工業(yè)化生產(chǎn)道路。90年代以來，因國內(nèi)市場要求釹量增加很快，故促進(jìn)了釹的產(chǎn)業(yè)化過程。目前我國釹成為世界釹的生產(chǎn)和供應(yīng)大國，生產(chǎn)能力與產(chǎn)量已居首位。我國具有豐富的釹資源。據(jù)報(bào)道測算，我國釹的工業(yè)儲(chǔ)量約510萬t（以 Nd 計(jì)），如按釹年需要量 8000t計(jì)（包括國內(nèi)外市場），可使釹利用幾百年，這為我國大力發(fā)展釹的生產(chǎn)提供了充足的原料條件，也是我國為高科技產(chǎn)業(yè)如稀土功能材料迅速發(fā)展的一個(gè)重要的優(yōu)勢。

【結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)】^[2][3]

稀土釹（neodymium，Nd）元素屬于稀土鑭系元素，元素符號(hào)Nd，原子序數(shù)為60，相對原子量為144.24，相對密度7.004（25 ℃，熔點(diǎn)和沸點(diǎn)分別是1024和3 027 ℃。釹為過渡稀土金屬，呈銀白色，單質(zhì)釹由含水氯化釹經(jīng)脫水后用金屬鈣還原，或由無水氯化釹經(jīng)熔融后電解而得到。有順磁性；化學(xué)性質(zhì)活潑，在空氣中迅速氧化；與水和酸作用放出氫氣。主要化合價(jià)為 +3 價(jià)。金屬釹應(yīng)密封于塑料袋或浸于礦物油中保存。

【分布】^[2]

稀土釹元素在土壤中廣泛存在，但其在植物體內(nèi)的含量及在同一植株的不同器官、不同生長部位的含量不盡相同。透射電鏡對經(jīng)溶液培養(yǎng)油菜苗的觀察表明，釹不能進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，而是與細(xì)胞壁結(jié)合或沉積在細(xì)胞間隙。釹從根系進(jìn)入植物后多數(shù)在根尖積累，少量經(jīng)質(zhì)外體轉(zhuǎn)運(yùn)到莖和葉，其中葉尖最少，與土培試驗(yàn)油菜各部位組織中釹含量的分析結(jié)果相吻合。釹在植物中的分布表現(xiàn)為根>莖>葉。

【生產(chǎn)工藝】^[3]

多年來，我國生產(chǎn)釹所用的原料包括：1）氯化釹（NdCl₃）：含 Nd₂O₃≥45%，Nd₂O₃/REO≥99%，稀土雜質(zhì)≤1.0%，非稀土雜質(zhì)≤0.9%；2）氧化釹(Nd₂O₃)：含 Nd₂O₃≥99%，REO≥99%，稀土雜質(zhì)≤1.0%，非稀土雜質(zhì)≤0.2%；3）氟化釹(NdF3)：含 REO≥81%，Nd₂O₃≥99%，F(xiàn)~27%，稀土雜質(zhì)≤0.5%，非稀土雜質(zhì)≤0.09%。上述三種原料均可工業(yè)化生產(chǎn)，工藝技術(shù)及設(shè)備成熟可行，可供大量的原料，以滿足生產(chǎn)的要求。在生產(chǎn)中曾用兩類工藝技術(shù)：即氯化釹的鈣還原法和熔鹽電解法，包括用 Nd Cl₃或 Nd₂O₃為原料的熔鹽電解法。

1.氯化釹熔鹽電解制備金屬釹

以 NdCl₃作原料，配有氯化鉀構(gòu)成兩元電解質(zhì)（NdCl₃-KCl）體系。將電解質(zhì)放于石墨坩堝電解槽熔化后，當(dāng)溫度達(dá)到要求時(shí)，通入直流電進(jìn)行電解反應(yīng)。在石墨陽極上析出氯氣，在鉬陰極上析出釹產(chǎn)品。其主要工藝過程為：

工藝特點(diǎn)：過程簡單，易于作業(yè)；原料易吸潮不利電解進(jìn)行，電解質(zhì)揮發(fā)損失較大；釹易熔于電解質(zhì)，約32.9%，致使釹收率及電流效率較低；電解中析出 Cl₂易污染環(huán)境，必須進(jìn)行治理。

2.氯化釹的鈣還原制造金屬釹

用 Nd Cl3為原料，以金屬鈣(Ca)作還原劑。配料壓塊后放入還原爐內(nèi)進(jìn)行還原反應(yīng)。還原結(jié)束除去雜質(zhì)廢渣(Ca Cl2)后，再將釹熔化鑄錠而制得金屬釹產(chǎn)品。其主要工藝過程是：

工藝特點(diǎn)：過程簡單，作業(yè)容易；產(chǎn)品釹的純度及收率低些；受設(shè)備的限制而產(chǎn)出釹量較小，在工業(yè)上未能利用推廣。

3.氧化釹熔鹽電解生產(chǎn)金屬釹

用 Nd₂O₃為原料，以 NdF₃和 LiF 配混料后，構(gòu)成三元電解質(zhì)（Nd₂O₃-NdF₃-LiF）體系。將電解質(zhì)置于電解槽內(nèi)熔化且達(dá)到電解溫度后，通入直流電進(jìn)行正常電解（電解中不斷加入 Nd₂O₃）而生產(chǎn)釹產(chǎn)品。其主要工藝過程為：

工藝特點(diǎn)：過程穩(wěn)定可靠，可連續(xù)作業(yè)；電解槽結(jié)構(gòu)合理，易于實(shí)現(xiàn)；釹純度和回收率均較高；電流效率較高；電耗和 Nd₂O₃耗較低，產(chǎn)品成本低；電解中勞動(dòng)條件好，無有害氣體污染環(huán)境。

【生物學(xué)效應(yīng)】^[2][4][5]

1. 釹對植物種子萌發(fā)和生長發(fā)育的影響：研究表明，適當(dāng)濃度的釹促進(jìn)植物種子的萌發(fā)和根的生長。Nd³⁺對小麥種子萌發(fā)的影響的結(jié)果表明，Nd³⁺在低濃度時(shí)對小麥種子的萌發(fā)和幼苗的生長具有明顯的促進(jìn)作用，過氧化物酶活性降低, 酯酶活性升高。其機(jī)制可能是通過影響膜通透性和提高赤霉素淀粉酶活力的誘導(dǎo)效率，促進(jìn)小麥種子萌發(fā)和幼苗的生長。也有研究表明稀土元素可以提高根系活力，促進(jìn)側(cè)根生長。噴施稀土能提高黃瓜幼苗根系活力，促進(jìn)礦質(zhì)元素吸收， 促進(jìn)生長。適當(dāng)濃度的稀土能提高種子活力，促進(jìn)萌發(fā)，促進(jìn)幼苗和根系生長。

2. 釹對植物礦質(zhì)營養(yǎng)代謝的影響：施用適當(dāng)濃度稀土釹元素能夠促進(jìn)植物對養(yǎng)分的吸收、轉(zhuǎn)化和利用。釹等稀土元素對小麥、棉花生長和營養(yǎng)代謝效應(yīng)的研究表明，釹等稀土元素能提高生物氮含量，所以都有不同程度提高生物產(chǎn)量的作用。

3. 釹對植物抗逆性的影響：稀土釹元素的使用，可以提高作物對不良環(huán)境條件的抵抗能力。釹具有穩(wěn)定滲透脅迫下膜的功能、提高植物抗水分虧缺的效應(yīng)。明顯表現(xiàn)缺鈣癥狀的油菜，葉綠體片層結(jié)構(gòu)不清楚，細(xì)胞壁變薄，質(zhì)壁分離嚴(yán)重，經(jīng)3 µmol硝酸釹處理后，頂葉葉尖細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)因釹的存在得到了修復(fù)，葉綠體的片層結(jié)構(gòu)可辨，質(zhì)壁分離不明顯；當(dāng)釹的濃度增加到6µmol時(shí)，對葉細(xì)胞和葉綠體片層結(jié)構(gòu)修復(fù)更明顯。釹可通過提高植物體的抗氧化酶活性，加強(qiáng)植物清除體內(nèi)自由基的能力，減緩葉綠素和可溶性蛋白的降解，使 MDA 的水平維持在較低水平，從而減輕鎘對植物的毒害作用。

4. 釹對植物光合作用的影響：稀土釹能明顯促進(jìn)螺旋藻與光系統(tǒng)II活性有關(guān)的光合放氧和放氫作用，其可影響藻體光系統(tǒng)II的活性，對螺旋藻生長有促進(jìn)作用。

【應(yīng)用】^[2][3]

目前釹的主要應(yīng)用有下列的領(lǐng)域，且其用量在不斷發(fā)展。

在 NdFeB 永磁中的應(yīng)用（包括燒結(jié)與粘結(jié)的NdFeB）在 Nd FeB 中一般添加釹約30%，且可制成多品種的NdFeB 磁材，其磁性能較高，如磁能積(BH)m=(45~55) GOe。目前燒結(jié) NdFeB用途較廣，我國多用于音響、磁選機(jī)、工業(yè)電機(jī)、電表、磁化器和永磁吊車等。今后可能在計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，核磁共振成像儀及汽車小型馬達(dá)等應(yīng)用更快更多。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國 1999 年生產(chǎn)5200t，用釹量約 1820t。2000 年的產(chǎn)量達(dá)到 6500t，用釹量約 2300t，比 1999 年增長 26.4%。此外，2000年我國粘結(jié) NdFeB 量 250t，用釹量約 75t。

在高級(jí)合金中的應(yīng)用。主要用于Mg-Nd，Cu-Nd，Mg-Y-Nd 和 Mg-Y-Zr-Nd等合金作添加劑用，它們的釹用量不斷增加。在 Mg-Nd 合金中加入 Nd≤20%，可制成耐熱合金（如 122 號(hào)板材），在 300℃下的高溫性能比國外同類產(chǎn)品高，曾用于導(dǎo)彈及衛(wèi)星的某種材料，也用于飛機(jī)的零件材料，并可得到較好的鑄造性能和高溫機(jī)械性能，且可制得鑄件輕、質(zhì)量好、工藝簡便及產(chǎn)率高的零件。加入釹的Cu-Nd 合金，可凈化銅中的雜質(zhì)，改變夾雜物的形態(tài)和細(xì)化晶粒，提高合金的機(jī)械性能和可塑性，改善合金的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性。在鑄造 Mg-Nd 合金中加入 2%Nd~2.8% Nd 后，在室溫和高溫下可獲得較高的機(jī)械強(qiáng)度，也改善了合金的鑄造性、焊接性及耐蝕性。在 Mg-Y-Zr-Nd 合金中加入 4%Nd 后，可得到的耐熱強(qiáng)度，并已在飛機(jī)上及賽車中應(yīng)用，且合金材料的性能良好。有的 Mg-Nd 合金已在醫(yī)學(xué)工程上應(yīng)用，如這種合金作為人工骨接材料代替金屬夾具后，可簡化手術(shù)，加速手術(shù)進(jìn)行。

在其它技術(shù)部門中的應(yīng)用。釹可用于鋼鐵及有色金屬的添加劑，以細(xì)化金屬晶粒，改變夾雜物形態(tài)，提高加工性能。釹用于耐熱及耐蝕合金作添加劑也可改進(jìn)使用性能。釹可與過渡金 屬Co、Fe等制成Nd DyCoFe 非晶薄膜材料，可用作磁光盤的材料。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 林河成. 金屬釹材料的生產(chǎn)及應(yīng)用[J]. 稀土, 2002, 23(2): 73-77.

[2] 曹劍鋒, 張鵬英, 陳靠山. 稀土釹元素的生物學(xué)效應(yīng)及機(jī)制研究進(jìn)展[J]. 植物生理學(xué)通訊, 2010 (4): 325-328.

[3] 柯成 主編.金屬功能材料詞典.北京：冶金工業(yè)出版社.1999.第189頁.

[4] 方能虎, 何友昭. 稀土元素的植物生理作用研究進(jìn)展[J]. 稀土, 1998, 19(5): 66-70.

[5] 廖鐵軍, 蘇彬彥. 稀土對作物的生物效應(yīng)研究[D]. , 1994.