Текущо състояние на научните изследвания и перспективи за реактиви за обработка на редкоземни минерали

Реагенти за обработка на редкоземни минерали: Колектори, депресанти, пенообразуватели и излугващи агенти за ефикасно и устойчиво възстановяване

Редкоземните елементи (REE) притежават набор от изключителни физични и химични свойства, което ги прави критични в различни приложения, от електроника до военни цели. Те са признати за основни минерали от страни като Китай, Съединените щати, Япония и Австралия. Въпреки това, редкоземните минерали са в изобилие по разнообразие, но с ниско съдържание и често са тясно свързани с подобни минерали от пуста земя. Тяхното обогатяване зависи до голяма степен от напредъка в реагентите за обработка на минерали.

Тази статия е насочена към ефективното обогатяване на редкоземни ресурси. Той обобщава текущото състояние на изследванията и развитието на флотационни реагенти за редкоземни руди на минерална основа, включително колектори, депресанти, активатори и пенообразователи, заедно с техните флотационни механизми. Реагентите за химическо обогатяване на редкоземни руди от йонен тип, включително излугващи агенти и утаяващи агенти, също се обсъждат, като се обхваща техният изследователски статус и механизми на излугване. Освен това текущото състояние на редкоземна флотация колекционерите се оценяват и бъдещите насоки за изследвания за Обработка на редкоземни минерали реагентите се анализират. Този преглед има за цел да предостави справка за компании и професионалисти, занимаващи се с обработка на редкоземни минерали и разработване на реагенти.

0 Въведение

Редкоземните елементи (REE) включват скандий, итрий и всичките 15 лантанида, общо 17 елемента. Тези елементи проявяват набор от изключителни физични и химични свойства, което ги прави критични в различни граждански и военни сектори, включително медицински, енергийни и отбранителни индустрии. Те често се наричат ​​„промишлени витамини“, „чудотворни елементи“, „селскостопански хормони“ и „бойни метали“, признати за критични минерали от нации като Съединените щати, Китай, Япония, Австралия, Канада и Европейския съюз. Според Геоложката служба на Съединените щати (USGS) към 2022 г. глобалните запаси от редкоземни оксиди (REO) възлизат на приблизително 120 милиона тона, основно концентрирани в Китай (36.7%), Виетнам (18.3%), Бразилия (17.5%), Русия (17.5%), Индия (5.8%) и Австралия (3.3%).

Основните мини за редкоземни метали в света включват находищата Bayan Obo, Maoniuping и Ganzhou в Китай, мината Mountain Pass в САЩ, мините Araxa и Minasu в Бразилия, находището Strange Lake в Канада, находището Mount Weld в Австралия и находището Zandkopsdrift в Южна Африка. Освен това южните провинции на Китай, включително Дзянси, Гуангдонг, Фуджиан и Юнан, са дом на над 170 висококачествени йонно-адсорбционни редкоземни находища, служещи като глобален основен източник на средни и тежки редкоземни елементи.

Идентифицирани са повече от 250 вида редкоземни минерали, като бастнезит ((Ce, La)(CO3)F), монацит ((Ce, La)PO4), ксенотим (YPO4), итриалит (Y2FeBe(SiO4)2O2) и фергусонит (YNbO4) представляват над 95% от общите редкоземни руди на минерална основа. Въпреки това, тези руди често се свързват с кварц, флуорит, барит, фелдшпат, калцит и други силикатни пустинни минерали, което води до нискокачествени руди, които са трудни за разделяне. Като такова, обогатяването на редкоземни руди често изисква комбинация от гравитационно разделяне, магнитно разделяне и флотация, за да се модернизират нискокачествените руди до индустриални концентрати за топене. В случай на йонно-адсорбционни редкоземни руди, редкоземните елементи се адсорбират като йони върху минерални повърхности или в кристални слоеве, което изисква химическа обработка за извличане на редкоземни оксиди.

Независимо дали става въпрос за руди на минерална основа или йонен тип редкоземни руди, прилагането на реагенти за обогатяване е от решаващо значение при определяне на качеството на продукта, възстановяване на редкоземни елементи цени, производствена ефективност, разходи и въздействие върху околната среда.

Тази статия се фокусира върху ефективното обогатяване на редкоземни ресурси, като предлага подробен преглед на видовете, механизмите и напредъка на изследванията на флотационните реагенти (колектори, пенообразуватели, регулатори) за редкоземни руди на минерална основа, както и химически реагенти за обогатяване (излугващи агенти, утаяващи агенти) за йонни редкоземни руди. Той също така представя бъдещи насоки за изследване и развитие на реактиви за обработка на редкоземни минерали, като има за цел да предостави справка за компании и изследователи, ангажирани в отделянето на редкоземни минерали или разработването на индустриални реагенти.

1 Флотационни колектори за редкоземни метали

Колекторите играят решаваща роля във флотацията на редки земни елементи, като променят повърхностната хидрофобност на целевите минерали, като ги правят по-лесни за прикрепване към мехурчета и подобряват техните флотационни свойства. Въз основа на функционални групи колекторите за редкоземни флотации могат да бъдат класифицирани в хидроксамова киселина, мастни киселини, фосфонови киселини и други реагенти. 1.1 Колектори на хидроксамова киселина

Колекторите на хидроксамова киселина, разработени през 1980-те години на миналия век, са най-често използваните реагенти във флотацията на редкоземни метали. Хидроксамовите киселини, известни също като оксими, съществуват в две изомерни форми: оксим (кето структура) и хидроксамова киселина (енолна структура), като оксимът е преобладаващ. И двата изомера се дисоциират, за да образуват идентични аниони по време на флотацията.

Обичайните колектори на хидроксамова киселина, използвани при флотация на редкоземни метали, включват C7-C9 алкил хидроксамова киселина, 2-хидрокси-3-нафтохидроксамова киселина (H205), 1-хидрокси-2-нафтохидроксамова киселина (H203), салицилова хидроксамова киселина (L102), циклоалкил хидроксамова киселина, бензилоксамова киселина, октил малонова хидроксамова киселина (OMHA) и други модифицирани или смесени продукти на хидроксамова киселина, като H316 (модифициран H205), P8 (главно хидроксинафтохидроксамова киселина), LF8# (98% хидроксинафтохидроксамова киселина) и колектор 103 (салицилова хидроксамова киселина). Докато хидроксамовите киселини показват добра селективност за редкоземни елементи, те често изискват нагряване по време на флотация, което води до по-високи енергийни разходи, а синтезът им също може да бъде скъп.

1.2 Колектори на мастни киселини

Колекторите на мастни киселини се използват във флотацията на редкоземни метали от 1950-те години на миналия век, когато олеиновата киселина беше успешно приложена в Mountain Pass в Съединените щати. В Китай през 1960-те години на миналия век започнаха систематични проучвания за използването на олеинова киселина и окислен парафинов сапун за флотация на редкоземни метали.

Колекторите на мастни киселини се извличат от естествени растителни или животински масла, обикновено съставени от смес от C10-C20 наситени и ненаситени карбоксилни киселини или соли. Обичайните реагенти включват олеинова киселина, натриев олеат, талово масло, окислен парафинов сапун, масло от плодове на Бакхус, фталати, нафтенова киселина и окислени петролни деривати. Колекторите на мастни киселини обаче имат по-ниска селективност за редкоземни минерали и често изискват добавяне на депресанти и регулиране на температурата, за да се постигне ефективно разделяне.

Смята се, че флотацията на редкоземни минерали с помощта на мастни киселини включва комбинация от физическа адсорбция, химическа адсорбция и повърхностни химични реакции.

1.3 Колектори на фосфонова киселина

Колекторите на фосфонова киселина (—P=O) и фосфонати (—O—P=O) показват по-силна флотационна производителност за метални минерали в сравнение с колекторите на хидроксамова и мастна киселина. Обаче колекторите на фосфонова киселина обикновено имат по-ниска селективност.

Използваните в момента колектори на фосфонова киселина във флотацията на редкоземни метали включват стирен фосфонова киселина, р-толуен фосфонова киселина, бензил фосфонова киселина, α-хидроксибензил фосфонова киселина и търговски продукти като P538 и Flotinor 1682.

1.4 Други колекционери

Освен хидроксамови киселини, мастни киселини и фосфонови киселини, различни нови колектори се изследват за подобряване на ефективността и селективността на редкоземната флотация. Някои от тях включват сулфонати, тиофосфати и кватернерни амониеви соли.

• Сулфонати: Съобщава се, че сулфонатите показват добра селективност и производителност във флотационните процеси, но приложението им във флотацията на редкоземни минерали е все още в начален етап.

• Тио-фосфати: Тези колектори често се използват при флотация на сулфидни минерали, но изследванията за приложението им при флотация на редкоземни елементи продължават.

• Кватернерни амониеви соли: Тези съединения са изследвани за тяхната способност да плават несулфидни минерали и се съобщава за известен успех при флотацията на редки земни елементи. Те действат чрез електростатично привличане с отрицателно заредени минерални повърхности.

Изследователите непрекъснато експериментират с нови реагенти, за да подобрят ефективността на флотацията на редкоземни минерали, като се фокусират както върху подобряването на степента на възстановяване, така и върху намаляването на въздействието върху околната среда на тези химикали.

2 депресанти за флотация на редкоземни елементи

Депресантите са от съществено значение при флотацията на редкоземни минерали за селективно инхибиране на пустинни минерали, като по този начин подобряват селективността и добива на целевите редкоземни минерали. Първичните пустинни минерали, свързани с редкоземни руди, като кварц, калцит и барит, често проявяват подобно флотационно поведение, което прави тяхното селективно инхибиране от решаващо значение.

Обичайните депресанти при редкоземна флотация включват водно стъкло (натриев силикат), натриев флуорид, танини и нишесте.

2.1 Натриев силикат (водно стъкло)

Натриевият силикат, известен като водно стъкло, е един от най-широко използваните депресанти във флотацията на редкоземни метали. Използва се за инхибиране на силикатни минерали като кварц и фелдшпат. Механизмът на депресивното действие на натриевия силикат обикновено се приписва на образуването на силициев слой върху повърхността на минералите от пустинна порода, което предотвратява адсорбцията на колектора.

Водното стъкло е ефективен депресант с ниска цена, но неговата ефективност може да бъде повлияна от фактори като pH, концентрация на йони и дозировка на реагента. Изследователите изследват модифицирани силикати и други химически добавки за подобряване на селективността на водното стъкло.

2.2 Натриев флуорид

Натриевият флуорид се използва за потискане на калцита в процесите на редкоземна флотация. Неговият депресивен ефект се основава на реакцията между флуоридните йони и калциевите йони, образувайки неразтворим филм от калциев флуорид върху повърхността на минерала, който предотвратява колекторната адсорбция.

Въпреки това, натриевият флуорид е силно токсично вещество и употребата му може да създаде опасения за околната среда и безопасността. В резултат на това изследователите активно търсят по-безопасни алтернативи.

2.3 Танини и нишесте

Танините и нишестето са примери за органични депресанти, използвани във флотацията на редкоземни метали. Танините, получени от растителни материали, се използват за потискане на минерали от пуста почва като барит и флуорит. Техният механизъм включва комплексообразуване с метални йони върху минералната повърхност, намалявайки прикрепването на колектора.

Нишестето обикновено се използва като депресант за хематит и други желязосъдържащи минерали при флотацията на редкоземни минерали. Взаимодействието между нишестето и минералите обикновено е физическо, като молекулите на нишестето се адсорбират върху минералната повърхност, предотвратявайки действието на колектора.

2.4 Нови депресанти

Разработването на нови депресанти е текуща област на изследване във флотацията на редкоземни елементи. Тези нови реагенти имат за цел да подобрят селективността и да намалят въздействието върху околната среда на процеса на флотация. Примери за скорошни разработки включват модифицирани нишестета, синтетични полимери и биоразградими органични депресанти.

3 пенообразователя за флотация на редкоземни елементи

Пенообразователите играят жизненоважна роля в създаването на стабилна пяна във флотационните клетки, което позволява отделянето на редкоземни минерали от пустинни материали. Пенообразователите влияят върху размера на мехурчетата, стабилността на пяната и кинетиката на флотация. Най-често използваните пенообразователи при редкоземна флотация са реагенти на основата на алкохол и етер.

3.1 Пенообразуватели на алкохолна основа

Пенообразователи на основата на алкохол, като метил изобутил карбинол (MIBC) и борово масло, се използват широко във флотацията на минерали, включително флотацията на редкоземни метали. Тези пенообразователи спомагат за генерирането на малки, стабилни мехурчета, които подобряват флотацията на фини частици.

Пенообразователите на основата на алкохол са сравнително евтини и ефективни, но тяхното действие може да варира в зависимост от фактори като pH, минерален състав и взаимодействия на реагентите.

3.2 Пенообразуватели на етерна основа

Пенообразователи на основата на етер, като полипропилен гликолови етери (напр. DF-250), също често се използват във флотацията на редкоземни метали. Тези пенообразуватели са склонни да произвеждат по-фини мехурчета и по-стабилна пяна в сравнение с пенообразувателите на алкохолна основа. Въпреки това пенообразователите на основата на етер могат да бъдат по-скъпи и може да изискват прецизен контрол на дозировката.

3.3 Романни пенопласти

Изследванията на нови пенообразуватели за редкоземна флотация се фокусират върху подобряване на селективността и стабилността на пяната, като същевременно минимизират въздействието върху околната среда. Те включват биоразградими пенообразователи и пенообразуватели с подобрена устойчивост на наличието на масла и други замърсители във флотационната суспензия.

4 Извличащи реагенти за адсорбция на йони от редкоземни руди

Йонно-адсорбционните редкоземни руди са уникални с това, че редкоземните елементи се адсорбират върху повърхността на глинестите минерали, вместо да бъдат заключени в минерални структури. Тези руди обикновено се обработват чрез излугване, а не чрез флотация. Излугващите агенти играят критична роля в този процес, като десорбират редкоземните йони от глинените повърхности.

4.1 Извличане с амониев сулфат

Амониевият сулфат е най-често използваният излужващ агент за йонно-адсорбционни редкоземни руди. Амониевите йони в разтвора се обменят с редкоземните йони на повърхността на глинестите минерали, освобождавайки ги в разтвор. Този метод е широко разпространен поради относително ниската си цена и простота.

Извличането на амониев сулфат обаче може да причини значителни екологични проблеми, особено по отношение на замърсяването с амониеви йони. Полагат се усилия за разработване на по-екологични алтернативи.

4.2 Извличане с натриев хлорид и магнезиев сулфат

Натриевият хлорид и магнезиевият сулфат са изследвани като алтернативи на амониевия сулфат. Тези реагенти работят чрез подобни йонообменни механизми, но имат предимството, че са по-малко вредни за околната среда. Те обаче обикновено са по-малко ефективни по отношение на степента на възстановяване и са необходими допълнителни изследвания за оптимизиране на употребата им.

4.3 Органични излугващи агенти

Органичните излугващи агенти, като лимонена киселина и EDTA, се изследват като екологични алтернативи на конвенционалните неорганични излугващи реагенти. Тези органични съединения могат ефективно да хелатират редкоземни йони, което ги прави по-лесни за извличане от рудата. Въпреки това, цената на тези реагенти е ограничаващ фактор за тяхното широко разпространение.

5 Утаяващи агенти за адсорбция на йони от редкоземни руди

След като редкоземните йони бъдат излужени в разтвор, те трябва да бъдат утаени и възстановени. Утаяващите агенти се използват за образуване на редкоземни съединения, които могат да бъдат отделени от излугващия разтвор.

5.1 Амониев бикарбонат

Амониевият бикарбонат обикновено се използва за утаяване на редкоземни йони от излугващи разтвори като редкоземни карбонати. Този реагент е ефективен и сравнително евтин, но може да произведе големи обеми отпадъчни води, съдържащи амоний, което създава предизвикателства за околната среда.

5.2 Оксалова киселина

Оксаловата киселина се използва широко за утаяване на редкоземни елементи като редкоземни оксалати, които след това могат да бъдат калцинирани за получаване на редкоземни оксиди. Оксаловата киселина е много ефективна, но може да бъде по-скъпа от амониевия бикарбонат. Освен това, работата с оксалова киселина изисква внимателни мерки за безопасност поради нейната токсичност.

5.3 Нови утаяващи агенти

Продължават изследванията за разработване на по-селективни и безвредни за околната среда агенти за утаяване за възстановяване на редки земни елементи. Те включват органични киселини, биоразградими реактиви и йонообменни смоли.

6 Бъдещи посоки и перспективи

Бъдещето на реагентите за обработка на редкоземни минерали е в разработването на по-селективни, ефективни и екологично чисти реагенти. Ключовите области за бъдещи изследвания включват:

• Разработване на зелени реактиви: Въздействието върху околната среда на реагентите за флотация и излугване е основен проблем, особено в контекста на обработката на редкоземни метали. Налице е нарастваща нужда от разработването на биоразградими, нетоксични реагенти, които могат да заменят традиционните химикали като амониев сулфат и оксалова киселина.

• Подобряване на селективността: Необходими са нови колектори, депресанти и пенообразуватели за подобряване на селективността на редкоземната флотация, особено за нискокачествени и сложни руди. Това включва изследване на нови молекулярни структури и модифициране на съществуващи реагенти.

• Намаляване на разходите: Високата цена на някои реагенти за обработка на редкоземни метали, особено хидроксамови киселини и фосфонови киселини, е ограничаващ фактор за широкото им използване. Бъдещите изследвания трябва да се съсредоточат върху синтеза на по-достъпни алтернативи или върху подобряване на ефективността на съществуващите реагенти за намаляване на изискванията за дозиране.

• Устойчивост на околната среда: С нарастващите регулации по света, насочени към намаляване на въздействието върху околната среда от минните операции, развитието на екологично устойчиви технологии за обработка на редкоземни елементи става все по-важно. Това включва минимизиране на употребата на вредни химикали и намаляване на генерирането на отпадъци и замърсяване.

В заключение, обработката на редкоземни минерали е силно зависима от използването на химически реагенти и текущите изследвания са от съществено значение за подобряване на ефективността, селективността и устойчивостта на тези реагенти. Разработването на нови, по-екологични реагенти ще бъде от решаващо значение за бъдещето на обогатяването на редкоземни метали, тъй като глобалното търсене на тези критични минерали продължава да нараства.