Inhalt
- Seltenerdelemente sind nicht "selten"
- Seltenerdelementkonzentrationen
- Alkalische Igneous Rocks und Magmas
- Seltenerd-Erzklassifikation
- Seltenerd-Ablagerungen
- Restliche Seltenerdvorkommen
- Seltenerdelemente in Pegmatiten
- Andere Seltenerdlagerstätten
- Aufbereitungstechnik für Herausforderungen
- Komplexe Aufbereitungstechnik
Seltenerdelementkarte: Seltenerdelementbezirke in den Vereinigten Staaten befinden sich hauptsächlich im Westen. Diese Karte zeigt den Standort potenzieller Produktionsstandorte - vergrößern Sie die Karte, um alle Standorte anzuzeigen.
Seltenerdelemente sind nicht "selten"
Verschiedene geologische Aspekte des natürlichen Vorkommens von Seltenerdelementen haben einen starken Einfluss auf die Versorgung mit Rohstoffen für Seltenerdelemente. Diese geologischen Faktoren werden als Tatsachenangaben dargestellt, gefolgt von einer detaillierten Diskussion.
Die geschätzte durchschnittliche Konzentration der Seltenerdelemente in der Erdkruste, die zwischen 150 und 220 ppm liegt (Tabelle 1), übersteigt die vieler anderer Metalle, die im industriellen Maßstab abgebaut werden, wie Kupfer (55 ppm) Millionen) und Zink (70 ppm). Im Gegensatz zu den meisten kommerziell abgebauten Grund- und Edelmetallen werden Seltenerdelemente jedoch selten zu abbaubaren Erzvorkommen konzentriert.
Seltenerdelementkonzentrationen
Die Hauptkonzentrationen von Seltenerdelementen hängen mit seltenen Sorten magmatischer Gesteine zusammen, nämlich alkalischen Gesteinen und Karbonatiten. Potenziell nützliche Konzentrationen von REE-haltigen Mineralien finden sich auch in Placer-Ablagerungen, Restablagerungen, die durch Verwitterung von magmatischen Gesteinen, Pegmatiten, Eisenoxid-Kupfer-Gold-Ablagerungen und Meeresphosphaten entstanden sind (Tabelle 2).
Tabelle 1. Schätzungen der Krustenhäufigkeit von Seltenerdelementen.
Alkalische Igneous Rocks und Magmas
Alkalische magmatische Gesteine entstehen durch Abkühlung von Magmen, die durch teilweises Abschmelzen von Gesteinen im Erdmantel entstehen. Die Bildung von alkalischen Gesteinen ist komplex und nicht vollständig verstanden, kann jedoch als geologischer Prozess betrachtet werden, der diejenigen Elemente extrahiert und konzentriert, die nicht in die Struktur der gemeinsamen gesteinsbildenden Mineralien passen.
Die resultierenden alkalischen Magmen sind selten und in Elementen wie Zirkonium, Niob, Strontium, Barium, Lithium und den Seltenerdelementen ungewöhnlich angereichert. Wenn diese Magmen in die Erdkruste aufsteigen, ändert sich ihre chemische Zusammensetzung in Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Zusammensetzung der umgebenden Gesteine. Das Ergebnis ist eine erstaunliche Vielfalt an Gesteinsarten, die sich in wirtschaftlichen Elementen, einschließlich der Seltenerdelemente, unterschiedlich bereichern. Die mit diesen Gesteinen verbundenen Mineralvorkommen sind ebenfalls sehr unterschiedlich und schwer zu klassifizieren, da die Besonderheiten dieser Vorkommen und ihre Seltenheit zu Klassifizierungen führen können, die nur ein oder wenige bekannte Beispiele haben.
Geologische Karte der Seltenerdelemente: Verallgemeinerte geologische Karte des größten Teils des Seltenerdelementbezirks Mountain Pass in Südkalifornien. Nur eine repräsentative Minderheit der Hunderte von Deichen aus Shonkinit, Syenit und Karbonatit ist dargestellt. Weit verbreitete andesitische und rhyolitische Deiche des Mesozoikums oder des Tertiärs sind nicht dargestellt. Aus USGS Open-File Report 2005-1219. Karte vergrößern.
Seltenerd-Erzklassifikation
Die Klassifizierung von Erzen im Zusammenhang mit alkalischen Gesteinen ist ebenfalls umstritten. Tabelle 2 zeigt eine relativ einfache Klassifizierung, die analogen Kategorien für Ablagerungen folgt, die sich auf nichtalkalisches magmatisches Gestein beziehen. Einige der ungewöhnlicheren alkalischen Gesteine, die REE-Erze beherbergen oder damit verwandt sind, sind Carbonatit und Phoscorit, magmatische Gesteine, die hauptsächlich aus Carbonat- bzw. Phosphatmineralien bestehen. Karbonatite und insbesondere Phoscorite sind relativ selten, da weltweit nur 527 Karbonatite bekannt sind (Woolley und Kjarsgaard, 2008). Wirtschaftliche Konzentrationen von REE-haltigen Mineralien treten in einigen alkalischen Gesteinen, Skarns und Carbonat-Ersatz-Ablagerungen auf, die mit alkalischen Einbrüchen, Adern und Deichen verbunden sind und alkalische magmatische Komplexe und umgebende Gesteine sowie Böden und andere Verwitterungsprodukte von alkalischen Gesteinen schneiden.
REE-Periodensystem: Die Seltenerdelemente sind die 15 Elemente der Lanthanoid-Reihe plus Yttrium. Scandium kommt in den meisten Ablagerungen von Seltenerdelementen vor und wird manchmal als Seltenerdelement klassifiziert. Bild von.
Seltenerd-Ablagerungen
Die Bewitterung aller Gesteinsarten führt zu Sedimenten, die in einer Vielzahl von Umgebungen abgelagert werden, wie z. B. Bächen und Flüssen, Küsten, Schwemmkammern und Deltas. Der Erosionsprozess konzentriert dichtere Mineralien, insbesondere Gold, in Lagerstätten, die als Placer bekannt sind. Abhängig von der Quelle der Erosionsprodukte können bestimmte Seltenerdelemente tragende Mineralien wie Monazit und Xenotim zusammen mit anderen schweren Mineralien konzentriert werden.
Die Quelle muss kein alkalisches magmatisches Gestein oder eine verwandte Seltenerdlagerstätte sein. Viele gewöhnliche magmatische, metamorphe und sogar ältere Sedimentgesteine enthalten genug Monazit, um einen Monazit tragenden Placer herzustellen. Infolgedessen ist Monazit fast immer in jeder Placerablagerung zu finden. Die Typen von Placern mit den höchsten Konzentrationen an Monazit sind jedoch typischerweise Ilmenit-schwere Mineral-Placer, die für Titanoxidpigmente abgebaut wurden, und Kassiterit-Placer, die für Zinn abgebaut werden.
Seltenerdvorkommen Iron Hill: Nach Nordwesten ausgerichtete Ansicht von Iron Hill, Gunnison County, Colorado. Iron Hill wird von einem massiven Karbonatitvorrat gebildet, der das Zentrum eines alkalischen Intrusionskomplexes bildet. Dieser Komplex beherbergt viele Mineralressourcen, darunter Titan, Niob, Seltene Erden und Thorium. USGS Image.
Restliche Seltenerdvorkommen
In tropischen Umgebungen sind die Gesteine stark verwittert, um ein einzigartiges Bodenprofil zu bilden, das aus Laterit, einem eisen- und aluminiumreichen Boden mit einer Dicke von mehreren zehn Metern, besteht. Die Prozesse der Bodenbildung konzentrieren gewöhnlich schwere Mineralien als Restablagerungen, was zu einer angereicherten Metallschicht über dem darunterliegenden, nicht verwitterten Grundgestein führt.
Wenn eine Seltenerdlagerstätte einer solchen Verwitterung unterzogen wird, kann sie in Konzentrationen von wirtschaftlichem Interesse mit Seltenerdelementen angereichert werden. Eine besondere Art der REE-Ablagerung, die Ionenabsorption, entsteht durch Auswaschen von Seltenerdelementen aus scheinbar üblichen magmatischen Gesteinen und durch Fixieren der Elemente auf Tonen im Boden. Diese Vorkommen sind nur in Südchina und Kasachstan bekannt und ihre Entstehung ist kaum bekannt.
Seltenerdelemente in Pegmatiten
Unter den Pegmatiten umfasst eine Gruppe sehr grobkörniger intrusiver magmatischer Gesteine, die Niob-Yttrium-Fluor-Familie, eine große Anzahl von Subtypen, die in verschiedenen geologischen Umgebungen gebildet werden. Diese Subtypen haben eine granitische Zusammensetzung und treten normalerweise am Rande großer Granitintrusionen auf. Im Allgemeinen sind Pegmatite mit Seltenerdelementen jedoch im Allgemeinen klein und nur für Mineraliensammler von wirtschaftlichem Interesse.
Andere Seltenerdlagerstätten
Die Eisenoxid-Kupfer-Gold-Lagerstätte wurde erst seit der Entdeckung der riesigen Olympic Dam-Lagerstätte in Südaustralien in den 1980er-Jahren als eindeutige Lagerstätte anerkannt. Die Olympic Dam-Lagerstätte ist insofern ungewöhnlich, als sie große Mengen an Seltenerdelementen und Uran enthält. Ein wirtschaftliches Verfahren zur Gewinnung von Seltenerdelementen aus diesen Lagerstätten wurde bisher nicht gefunden. Viele andere Vorkommen dieser Art wurden auf der ganzen Welt identifiziert, aber Informationen über den Gehalt an Seltenerdelementen fehlen im Allgemeinen. Spuren von Seltenerdelementen wurden auch in Magnetit-Apatit-Ersatzlagerstätten identifiziert.
Karstbauxite, aluminiumreiche Böden, die sich in Montenegro und anderswo in kavernösem Kalkstein (Karsttopographie) ansammeln, sind mit Elementen der Seltenen Erden angereichert, die daraus resultierenden Konzentrationen sind jedoch nicht von wirtschaftlichem Interesse (Maksimovic und Pantó, 1996). Gleiches gilt für marine Phosphatvorkommen, die bis zu 0,1 Prozent REE-Oxide enthalten können (Altschuler ua, 1966). Infolgedessen wurde die Rückgewinnung von Seltenerdelementen als Nebenprodukt der Phosphatdüngerherstellung untersucht.
Aufbereitungstechnik für Herausforderungen
In vielen Grund- und Edelmetallvorkommen sind die extrahierten Metalle in einer einzigen Mineralphase hoch konzentriert, z. B. Kupfer in Chalkopyrit (CuFeS2) oder Zink in Sphalerit (ZnS). Die Trennung einer einzelnen Mineralphase vom Gestein ist relativ einfach. Das Endprodukt ist ein Konzentrat, das typischerweise zur endgültigen Extraktion und Raffination der Metalle zu einer Schmelze geschickt wird. Beispielsweise wird Zink fast ausschließlich aus dem Mineral Sphalerit gewonnen, so dass die weltweite Zinkschmelz- und -raffinerieindustrie eine hochspezialisierte Behandlung dieses Minerals entwickelt hat. Somit hat die Herstellung von Zink einen ausgeprägten Kostenvorteil, da eine einzige Standardtechnologie verwendet wird und die Entwicklung einer neuen Zinkmine ein weitgehend konventionelles Verfahren ist.
Die derzeitige Praxis der Mineralverarbeitung ist in der Lage, mehrere Mineralphasen nacheinander abzutrennen, dies ist jedoch nicht immer wirtschaftlich. Wenn sich interessierende Elemente in zwei oder mehr Mineralphasen befinden, von denen jede eine andere Extraktionstechnologie erfordert, ist die Mineralaufbereitung relativ kostspielig. Viele Ablagerungen von Seltenerdelementen enthalten zwei oder mehr Seltenerdelemente tragende Phasen. Daher haben Seltenerdelementablagerungen, in denen die Seltenerdelemente größtenteils in einer einzigen Mineralphase konzentriert sind, einen Wettbewerbsvorteil.Bisher wurde die REE-Produktion größtenteils aus einmineralischen Lagerstätten wie Bayan Obo (Bastnasit), Mountain Pass (Bastnasit) und schwermineralischen Placern (Monazit) gewonnen.
Komplexe Aufbereitungstechnik
Seltene Erden enthaltende Mineralien enthalten nach ihrer Trennung bis zu 14 einzelne Seltenerdelemente (Lanthaniden und Yttrium), die weiter abgetrennt und raffiniert werden müssen. Die Komplexität der Gewinnung und Raffination von Seltenerdelementen wird anhand eines metallurgischen Flussdiagramms für die Mine Mountain Pass in Kalifornien veranschaulicht (Abb. 2). Im Gegensatz zu Metallsulfiden, bei denen es sich um chemisch einfache Verbindungen handelt, sind REE-haltige Mineralien recht komplex. Unedle Metallsulfiderze wie Sphalerit (ZnS) werden typischerweise geschmolzen, um Schwefel abzubrennen und Verunreinigungen von der Metallschmelze zu trennen. Das resultierende Metall wird durch Elektrolyse weiter auf nahezu Reinheit gereinigt. Andererseits werden Seltenerdelemente typischerweise durch Dutzende von chemischen Prozessen extrahiert und verfeinert, um die verschiedenen Seltenerdelemente abzutrennen und Verunreinigungen zu entfernen.
Die hauptsächliche schädliche Verunreinigung in REE-tragenden Mineralien ist Thorium, das den Erzen eine unerwünschte Radioaktivität verleiht. Da es schwierig ist, radioaktive Materialien abzubauen und sicher zu handhaben, sind sie stark reguliert. Wenn ein radioaktives Abfallprodukt anfällt, müssen spezielle Entsorgungsmethoden angewendet werden. Die Kosten für die Handhabung und Entsorgung von radioaktivem Material sind ein schwerwiegendes Hindernis für die wirtschaftliche Gewinnung der radioaktiveren REE-reichen Mineralien, insbesondere von Monazit, das typischerweise beträchtliche Mengen an Thorium enthält. In der Tat hat die Einführung strengerer Vorschriften für die Verwendung radioaktiver Mineralien in den 1980er Jahren viele Monazitquellen aus dem Markt für Seltenerdelemente verdrängt.
Die komplexe Metallurgie der Seltenerdelemente wird durch die Tatsache verstärkt, dass keine zwei REE-Erze wirklich gleich sind. Infolgedessen gibt es kein Standardverfahren, um die REE-haltigen Mineralien zu extrahieren und zu marktfähigen Seltenerdverbindungen zu raffinieren. Um eine neue Mine für Seltene Erden zu erschließen, müssen die Erze mithilfe einer Vielzahl bekannter Extraktionsmethoden und einer einzigartigen Abfolge optimierter Verarbeitungsschritte ausgiebig getestet werden. Im Vergleich zu einer neuen Zinkmine kostet die Prozessentwicklung für Seltenerdelemente erheblich mehr Zeit und Geld.