今年是元素週期表發表第150週年,年初歐洲化學學會畫了一張歪七扭八的元素週期表,這圖對化學人來說看起來超詭異,原來是他們想藉這個機會,提醒大眾很多元素都已經瀕臨耗盡邊緣。我不禁好奇究竟有哪些元素越來越少?而這些元素又在生活中如何影響我們?一查之下,才發現要過著方便、現代的生活必須仰賴不少稀缺元素,少了它們還真的過不起來。※本文刊登於《科學月刊》2019年6月號〈拉開元素週期帷幕〉
科學月刊特別企劃了這次元素週期表專輯,介紹與週期表和元素有關的各種故事,更多相關主題的文章可以參考科學月刊網站。
今(2019)年《蘋果日報》的調查報導指出,大量的資源回收物被當一般垃圾掩埋在偏鄉或郊區,引起輿論大力譴責無良回收商。從該事件可以看出大眾對資源回收重視的程度,不過,比起多數人關心塑膠垃圾是否回收減量,其實,提煉自礦物的元素資源是否能永續利用,可能才是更迫切需要大眾關注的議題。這些元素並非取之不盡、用之不竭,如果處理不當,只會更加稀少,甚至有用完的一天。
歐洲化學學會(European Chemical Society)在今年初製作了一張扭曲週期表(下圖)昭告大眾,其實有很多的元素都已經瀕臨耗盡邊緣,如果不節約或回收,未來要取得這些元素所需要的成本就會提高,更糟的是,當有一天地球上再也找不到這些元素,那問題可就麻煩了。
扭曲週期表和即將耗盡的元素
也許讀者會好奇,這些元素消失,對人類生活的影響有多嚴重?看看桌上的手機、平板和電腦,這些生活中離不開的電子產品,晶片裡的半導體元件就是由多種稀缺元素製作而成。也就是說,失去了稀缺元素,3C 產品可 能完全做不出來。你能想像一個沒有手機、平板和電腦的世界嗎?
為了說明到底哪些元素很稀有,扭曲週期表利用各元素所佔有的面積大小呈現元素的稀缺程度,面積越大塊就代表含量越豐富,而顏色越偏紅,就代表在元素缺乏的危機越大。另外,稀缺元素大多數集中在右下角區域,包含許多過度元素及 13~16 族(又稱 3A、4A、5A、6A 族)第四到六週期的元素。或許讀者對這些元素不熟,甚至連聽都沒聽過,但前面提到的各種電子產品當中,就必須使用不少稀缺元素進行製造。
註:
元素週期表中所說的「族」是指同一直排的元素,13族是由左往右數第13直排的元素;而「週期」則是指同一橫列的元素,第四週期是由上往下數第四橫排的元素。可以對照下圖格子最左側和最上方的數字。
舉例來說,如果缺乏第 13 族第四週期的鎵元素(Gallium, Ga),半導體產業可能會一個頭兩個大,因為砷化鎵(GaAs)是製造半導體的重要原料,包括手機、電腦裡面的積體電路與紅光 LED,還有以半導體製成的雷射,也都使用包含鎵的化合物。如果缺乏鎵,相關產品的價格勢必會提高,現今已貴到嚇死人的 iPhone 不知道又要漲多少錢。但棘手的是,想要獲取鎵,並沒有「鎵礦」可以開採,只能從煉鋁、煉鋅工業的製程副產物中進一步提煉出來,也因此限制其產量。
手機除了晶片之外,觸控面板也是很重要的一個部分,與鎵同一族的銦(Indium, In),就是製造觸控面板的重要元素。除此之外,銦也大量用於 LCD 液晶螢幕中。其來源與鎵類似,主要從煉鋅工業殘渣中提煉而來。如果銦用罄,不只是觸控螢幕、LCD 液晶螢幕會做不 出來,就連部分的半導體、太陽能電池及太陽能板的生產也都會出問題。想像一下在缺乏銦的世界,那大概會是個觸控手機超級貴的時代,或許 Nokia 3310 的輝煌時代又要回來了。
漏氣漏到太空去
還有一種稀缺元素面臨更棘手的問題,那就是大家所熟知的氦氣。氦元素存量有限,但卻不斷有人施放氦氣球,大量氣球緩緩飄上天空的景象固然浪漫,但這些氦原子最終會脫離地 球,從此無法被利用,氣球破掉以後,氦氣 會持續不斷地往上飄到大氣層上層,最終逸散到 外太空,一去不復返。
不過,氦元素的其他應用基本上並不容易導致氦原子流失,許多高科技儀器中使用的氦原子,回收比例其實相 當高,例如用來分析化學分子結構的核磁共振光譜儀(nuclear magnetic resonance, NMR)和應用於醫學診 斷的核磁共振造影技術(nuclear magnetic resonance imaging, NMRI),都是使用液態氦幫助超導體降溫, 儀器管理單位也都有相應的氦氣回收措施。
除了氦元素有限的問題,這項資源還面臨生產分布不均的狀況。氦氣的開採與生產,主要是隨著天然氣的開採過程一併獲得,目前全球生產量有 50% 以上多來自美國, 另外約 33% 來自卡達,然而近幾十年的消耗速度,加上 2017 年卡達遭波斯灣國家封鎖與斷交的危機,讓氦氣出口受阻,使得全球氦氣供給出了不小的問題。而以核融合方式生產的氦原子,更是短期內因成本過高而不可行,所以肆無忌憚地施放氦氣球看似浪漫,但其實可以說是 損失慘重啊!
分布不均的稀土金屬
另外,有一類元素因為供應量被壟斷,備受產業界人士關注,這類元素叫做稀土元素(Rare earth elements)。 稀土元素包括了過渡元素中的鈧、 釔和鑭系元素,也因為全部都屬於金屬,所以也稱作「稀土金屬」。稀土金屬在地殼中含量都還算豐富,不過因為這些元素的物理、 化學性質都很接近,開採出來的礦源常是兩兩形成合金, 因此要將稀土金屬分離出來,需要費不少功夫。
稀土金屬在許多產業中,扮演相當重要的角色。比方說鑭(Lanthanum, La)常用於鎳氫電池當中,知名的例子是豐田(Toyota) 旗下油電混
合車的電池,就使用這種含有鑭的電池;而以歐洲(Europe)為詞源命名的銪(Europium, Eu),過去常用來製作映像管電視螢幕上的紅色螢光粉,現在比較常見的用途是在一些雷射的部件,或是一些螢光燈泡中;而常見的強力磁鐵— — 釹鐵硼磁鐵,其中的釹(Neodymium, Nd)元素也是屬於稀土金屬,釹、鐵和硼磁鐵因為磁力很強,在風力發電風機當中,扮演很重要的角色。
然而,稀土金屬之所以令產業界如此焦慮的一個重要因素是,稀土金屬在世界上的分布區域極度不平均,少數國家掌握極大比例的稀土金屬礦藏,光是中國的礦藏就有近全世界的 1∕3,其他也蘊藏稀土元素的國家還包括:獨立國協國家(主要由前蘇聯分裂出來的國家所組成)、美國、澳洲、巴西、印度和越南,而歐盟和日本基本上 沒有稀土資源。
渾身解術確保礦源,但供應仍不穩定
中國自從 1990 年代初期的稀土金屬生產量超過美國後,基本上壟斷稀土金屬的市場,根據去(2018)年的數據, 中國稀土金屬生產量佔全球生產量大約 90%。也因為中國獨佔這個市場,美國、歐盟與日本等對於稀土金屬需 求量極大的先進工業經濟體,對此一直頗有微詞。
2009 年中國以遏止資源過度開發及生態保護為理由,減產稀土金屬,引發美歐日的不滿,但中國進而指責美國 為了戰略儲備,和保護珍貴資源目的,長期廉價購買中國的稀土金屬。2012 年美歐日一狀告上世界貿易組織 (World Trade Organization, WTO),迫使中國恢復生產和出口量,中國政府雖然一度恢復出口量,但目前仍然把生產出口量控制得很緊,因此近年稀土金屬的價格節節攀升。
為了要破除中國壟斷市場的狀況,各國也在尋求可能的解法。去年,日本在位於太平洋的一個領土南鳥島(Marcus Island)近海發現大量稀土金屬的礦藏,礦藏量估計可以提供全球數百年的消費量,但是目前從海洋地層中開採、提煉出稀有金屬的成本仍然太高,也因此短期內不太可能商業化量產。
除此之外,一間來自澳洲的跨國公司萊納斯(Lynas), 2010 年起開採澳洲的礦藏,2012 年在馬來西亞開設分廠,負責將澳洲礦區的濃縮礦提煉成可以商業化出售的稀土金屬,目前萊納斯的稀土金屬產量位居全球第二, 佔全球生產量近 10%。然而馬來西亞政府在去年 5 月要求萊納斯妥善處理提煉廢土,甚至協商失敗後要求萊納斯須將廢土運回澳洲,否則將不更新其運轉執照。萊納斯與馬國政府的僵局導致停工持續至今,也讓各國對於稀土金屬的供應越來越擔憂。
不只開源也要節流:資源回收很重要!
各種稀缺元素巨大的消耗量與供應量不穩定,可能會使電子產品的生產成本提高,甚至導致無法生產。而稀缺元素也因為價值高昂,成為各國重要的戰略物資。面臨資源有限又分布不均,最有效的方法或許還是妥善回收 各種含有稀缺元素的廢棄的電子產品,重新提煉與再利用,才能有效地解決資源稀少的問題。
日常生活中,其實有很多管道可以回收廢棄電子用品, 很容易就可以做到回收再利用。例如便利商店就能回收廢棄電子用品,例如 7–11 和全家便利商店都提供相關回收的服務,還能兌換折扣點數或食物。以臺灣超商的高密度來說,完全不用煩惱找不到資源回收據點。
而住在比較郊區的讀者,各縣市的清潔隊也提供無償的回收服務可以利用。其他像是華碩文教基金會、宏碁、 燦坤、科技濃湯或綠色奇蹟等組織也都有提供這些回收服務,他們的網站中也有詳細的回收資訊。至於氦元素這種可能無法回收再利用的元素,還是建議大家盡量不 要再使用氦氣球,否則氦原子就會像變了心的女朋友, 回不來啦!
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延伸閱讀1. T.E. Graedel et al., Criticality of metals and metalloids, PNAS, 2015.2. Yao-Hua Law, Radioactive waste standoff could slash high tech’s supply of rare earth elements, Science, 2019.參考資料1. Element Scarcity – EuChemS Periodic Table2. Europe's 'New' Periodic Table Predicts Which Elements Will Disappear in the Next 100 Years, LiveScience3. T.E. Graedel et al., Criticality of metals and metalloids, PNAS, 2015.4. Yao-Hua Law, Radioactive waste standoff could slash high tech’s supply of rare earth elements, Science, 2019.5.Takaya, Y., Yasukawa, K., Kawasaki, T., Fujinaga, K., Ohta, J., Usui, Y., ... & Dodbiba, G. (2018). The tremendous potential of deep-sea mud as a source of rare-earth elements. Scientific reports, 8(1), 5763.5.Takaya, Y., Yasukawa, K., Kawasaki, T., Fujinaga, K., Ohta, J., Usui, Y., ... & Dodbiba, G. (2018). The tremendous potential of deep-sea mud as a source of rare-earth elements. Scientific reports, 8(1), 5763.