แรร์เอิร์ธ หรือ แร่โลหะหายาก คืออะไร?
ธาตุแรร์เอิร์ธ (Rare Earth Element) คือกลุ่มโลหะพิเศษ 17 ชนิด ได้แก่ โลหะแลนทาไนด์ 15 ตัว คือ แลนทานัม (La) ถึง ลูทีเชียม (Lu) รวมกับ อิตเทรียม ( Y ) และ สแกนเดียม (Sc) ซึ่งโลหะเหล่านี้เป็นส่วนประกอบสำคัญของอุปกรณ์อิเล็คทรอนิกส์และเทคโนโลยีสมัยใหม่ต่าง ๆ ที่พบเห็นได้ในชีวิตประจำวัน เช่น
- นีโอดิเมียม (Nd) ใช้ทำแม่เหล็กกำลังสูงในมอเตอร์รถไฟฟ้า กังหันลม หูฟัง
- ยูโรเปียม (Eu) และเทอร์เบียม (Tb) ใช้ทำสารเรืองแสงในหลอด LED
- ซีเรียม (Ce) และแลนทานัม (La) ใช้ทำตัวเร่งปฏิกิริยาในท่อไอเสียเพื่อลดมลพิษ
- เออร์เบียม (Er) เป็นส่วนประกอบของไฟเบอร์อ็อปติก
- กาโดลิเนียม (Gd) ถูกใช้เป็นสารเพิ่มความต่างสัญญาณสำหรับคนไข้ ในการตรวจด้วยเครื่อง MRI
จึงไม่น่าแปลกใจที่แร่หายากเหล่านี้เป็นที่ต้องการอย่างมากในปัจจุบัน
แร่หายาก แต่หาไม่ยาก?
แม้ว่าธาตุกลุ่มแรร์เอิร์ธจะถูกตั้งชื่อว่า “แร่โลหะหายาก” แต่ในความเป็นจริง แรร์เอิร์ธถูกพบได้ในธรรมชาติได้ทั่วไปในรูปแบบของสินแร่ต่าง ๆ ปัญหาก็คือ ในสินแร่แต่ละชนิด มีธาตุแรร์เอิร์ธหลายชนิดผสมกันอยู่ ดังนั้นหากต้องการจะนำแรร์เอิร์ธมาใช้งาน จะต้องมีการสกัดแยกให้ได้โลหะบริสุทธิ์ก่อน
ทำไมการสกัดแยกแรร์เอิร์ธถึงทำได้ยาก?
โดยปกติ โลหะอื่นที่ไม่ใช่แรร์เอิร์ธถูกสกัดแยกจากกันได้โดยสามารถใช้สมบัติทางกายภาพ เช่น ขนาดของไอออนที่ต่างกัน หรือสมบัติทางเคมี เช่น ไอออนของโลหะมีเลขออกซิเดชันที่ต่างกัน หรือโลหะต่างชนิดที่มีความไวต่อปฏิกิริยาไม่เท่ากันแต่แรร์เอิร์ธนั้น มีเอกลักษณ์พิเศษที่เรียกว่า lanthanide contraction เนื่องจากการเติมอิเล็กตรอนเข้าไปใน f orbital ที่กันแรงดึงดูดจากนิวเคลียสได้ไม่ดี ทำให้ทั้งขนาดอะตอมและไอออนเล็กลงเรื่อยๆ แม้จะมีอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น และเมื่อเกิดเป็นไอออน ก็มีขนาดแทบจะไม่ต่างกันเลย และไอออนของธาตุเหล่านี้หลายตัวมีเลขออกซิเดชันเดียวกัน คือ +3 ผลลัพธ์คือ ธาตุแรร์เอิร์ธแต่ละชนิด จะมีสมบัติทางเคมีที่คล้ายกันมาก ทั้งสมบัติการละลาย ความเสถียรของเชิงซ้อน และสัมประสิทธิ์การสกัด ทำให้ไม่มีจุดเด่นชัด ๆ ให้ถูก “จับแยก” ออกจากกันได้ง่าย โรงงานจึงต้องใช้กระบวนการสกัดหลายขั้นตอน เพื่อค่อย ๆ แยก ซึ่งกินเวลาและพลังงานอย่างมาก นอกจากนั้น ปริมาณสารเคมีที่ใช้ในการแยกแรร์เอิร์ธในระดับอุตสาหกรรมยังมีผลกระทบเชิงลบต่อสิ่งแวดล้อมอีกด้วย
ขอบคุณบทความจาก อ.ดร.ศุภชัย ศรีสันติธรรม