Aktuel forskningsstatus og udsigter for reagenser til behandling af sjældne jordarters mineraler

Mineralbehandlingsreagenser til sjældne jordarter: Opsamlere, dæmpere, skummere og udvaskningsmidler til effektiv og bæredygtig genopretning

Sjældne jordarters elementer (REE'er) besidder en række exceptionelle fysiske og kemiske egenskaber, hvilket gør dem kritiske i forskellige applikationer, fra elektronik til militær anvendelse. De er anerkendt som essentielle mineraler af lande som Kina, USA, Japan og Australien. Imidlertid er sjældne jordarters mineraler rigelige i variation, men lav i kvalitet og er ofte tæt forbundet med lignende gangmineraler. Deres fordele afhænger i høj grad af fremskridt inden for mineralbehandlingsreagenser.

Denne artikel er rettet mod effektiv udnyttelse af sjældne jordarters ressourcer. Den opsummerer den aktuelle tilstand af forskning og udvikling af flotationsreagenser for mineralbaserede sjældne jordarter, herunder samlere, depressiva, aktivatorer og skummere, sammen med deres flydemekanismer. De kemiske fordelingsreagenser til ion-type sjældne jordarters malme, herunder udvaskningsmidler og udfældningsmidler, diskuteres også, dækkende deres forskningsstatus og udvaskningsmekanismer. Desuden er den nuværende tilstand af flotation af sjældne jordarter samlere vurderes, og fremtidige forskningsretninger for Forarbejdning af sjældne jordarters mineraler reagenser analyseres. Denne anmeldelse har til formål at give en reference til virksomheder og fagfolk, der er involveret i forarbejdning af sjældne jordarters mineraler og udvikling af reagenser.

0 Indledning

Sjældne jordarters elementer (REE'er) omfatter scandium, yttrium og alle 15 lanthanider, i alt 17 grundstoffer. Disse elementer udviser en række exceptionelle fysiske og kemiske egenskaber, hvilket gør dem kritiske i forskellige civile og militære sektorer, herunder medicinske, energi- og forsvarsindustrier. De omtales ofte som "industrielle vitaminer", "mirakelelementer", "landbrugshormoner" og "krigsmetaller", anerkendt som kritiske mineraler af nationer som USA, Kina, Japan, Australien, Canada og EU. Ifølge United States Geological Survey (USGS) står de globale reserver af sjældne jordarters oxid (REO) fra og med 2022 på cirka 120 millioner tons, primært koncentreret i Kina (36.7%), Vietnam (18.3%), Brasilien (17.5%), Rusland (17.5%), Indien (5.8%) og Australien (3.3%).

Verdens største sjældne jordarters miner omfatter Kinas Bayan Obo, Maoniuping og Ganzhou forekomster, Mountain Pass-minen i USA, Araxa- og Minasu-minerne i Brasilien, Strange Lake-forekomsten i Canada, Mount Weld-forekomsten i Australien og Zandkopsdrift-forekomsten i Sydafrika. Derudover er Kinas sydlige provinser, herunder Jiangxi, Guangdong, Fujian og Yunnan, hjemsted for over 170 højkvalitets ion-adsorption af sjældne jordarter, der tjener som den globale primære kilde til mellemstore og tunge sjældne jordarters grundstoffer.

Mere end 250 typer af sjældne jordarters mineraler er blevet identificeret, hvor bastnäsit ((Ce, La)(CO3)F), monazit ((Ce, La)PO4), xenotime (YPO4), yttrialite (Y2FeBe(SiO4)2O2), og fergusonit (YNbO4) tegner sig for de samlede sjældne jordarters mineraler eller 95-%. Imidlertid er disse malme ofte forbundet med kvarts, fluorit, baryt, feldspat, calcit og andre silikatgangmineraler, hvilket resulterer i malme af lav kvalitet, som er udfordrende at adskille. Som sådan kræver udnyttelsen af ​​sjældne jordarters malme ofte en kombination af gravitationsseparation, magnetisk separation og flotation for at opgradere lavkvalitetsmalme til industrielle smeltekvalitetskoncentrater. I tilfælde af ionadsorption af sjældne jordarters malme adsorberes sjældne jordarters grundstoffer som ioner på mineralske overflader eller i krystallag, hvilket kræver kemisk behandling for at udvinde sjældne jordarters oxider.

Uanset om det drejer sig om mineralbaserede eller ion-type sjældne jordmalme, er anvendelsen af ​​beneficiationsreagenser afgørende for at bestemme produktkvaliteten, genvinding af sjældne jordarter satser, produktionseffektivitet, omkostninger og miljøpåvirkning.

Denne artikel fokuserer på effektiv udnyttelse af sjældne jordarters ressourcer og giver et detaljeret overblik over typerne, mekanismerne og forskningsfremskridtene for flotationsreagenser (samlere, skummere, regulatorer) til mineralbaserede sjældne jordarters malme samt kemiske reagenser (udvaskningsmidler, udfældningsmidler) til ion-type sjældne jordarter. Den præsenterer også fremtidige retninger for forskning og udvikling i sjældne jordarters mineralforarbejdningsreagenser, med det formål at give en reference for virksomheder og forskere, der er engageret i sjældne jordarters separation eller industriel reagensudvikling.

1 sjældne jordarters flydende samlere

Samlere spiller en afgørende rolle i flotation af sjældne jordarter ved at ændre overfladehydrofobiciteten af ​​målmineraler, hvilket gør dem nemmere at fastgøre til bobler og forbedrer deres flotationsegenskaber. Baseret på funktionelle grupper kan samlere til flotation af sjældne jordarter klassificeres i hydroxamsyrer, fedtsyrer, phosphonsyrer og andre reagenser.1.1 Hydroxamsyreopsamlere

Hydroxamsyreopsamlere, udviklet i 1980'erne, er de mest almindeligt anvendte reagenser til flotation af sjældne jordarter. Hydroxamsyrer, også kendt som oximer, findes i to isomere former: oxim (ketostruktur) og hydroxamsyre (enolstruktur), hvor oxim er fremherskende. Begge isomerer dissocierer for at danne identiske anioner under flotation.

Almindelige hydroxamsyreopsamlere, der anvendes til flotation af sjældne jordarter, omfatter C7-C9-alkylhydroxamsyre, 2-hydroxy-3-naphthohydroxamsyre (H205), 1-hydroxy-2-naphthohydroxamsyre (H203), salicylhydroxamsyre (L102), cycloalkylhydroxamsyre, benzocylsyre, benzocylamidsyre, (OMHA) og andre modificerede eller blandede hydroxamsyreprodukter, såsom H316 (en modificeret H205), P8 (hovedsageligt hydroxynaphthohydroxamsyre), LF8# (98 % hydroxynaphthohydroxamsyre) og samler 103 (salicylhydroxamsyre). Mens hydroxamsyrer viser god selektivitet for sjældne jordarters grundstoffer, kræver de ofte opvarmning under flotation, hvilket fører til højere energiomkostninger, og deres syntese kan også være dyrt.

1.2 Fedtsyresamlere

Fedtsyresamlere er blevet brugt til flotation af sjældne jordarter siden 1950'erne, hvor oliesyre med succes blev påført Mountain Pass i USA. I Kina begyndte systematiske undersøgelser af brugen af ​​oliesyre og oxideret paraffinsæbe til flotation af sjældne jordarter i 1960'erne.

Fedtsyresamlere er afledt af naturlige vegetabilske eller animalske olier, typisk sammensat af en blanding af C10-C20 mættede og umættede carboxylsyrer eller salte. Almindelige reagenser omfatter oliesyre, natriumoleat, tallolie, oxideret paraffinsæbe, Bacchus frugtolie, phthalater, naphthensyre og oxiderede petroleumsderivater. Fedtsyresamlere har imidlertid lavere selektivitet for sjældne jordarters mineraler og kræver ofte tilsætning af sænkende midler og temperaturjusteringer for at opnå effektiv adskillelse.

Flotationen af ​​sjældne jordarters mineraler ved hjælp af fedtsyrer menes at involvere en kombination af fysisk adsorption, kemisk adsorption og overfladekemiske reaktioner.

1.3 Fosfonsyresamlere

Opsamlere af fosfonsyre (—P=O) og fosfonat (—O—P=O) udviser stærkere flotationsevne for metalliske mineraler sammenlignet med hydroxam- og fedtsyreopsamlere. Imidlertid har phosphonsyresamlere generelt lavere selektivitet.

Aktuelt anvendte phosphonsyresamlere til flotation af sjældne jordarter omfatter styrenphosphonsyre, p-toluenphosphonsyre, benzylphosphonsyre, α-hydroxybenzylphosphonsyre og kommercielle produkter såsom P538 og Flotinor 1682.

1.4 Andre indsamlere

Bortset fra hydroxamsyrer, fedtsyrer og phosphonsyrer undersøges en række nye samlere for at forbedre flotationseffektiviteten og selektiviteten af ​​sjældne jordarter. Nogle af disse omfatter sulfonater, thio-phosphater og kvaternære ammoniumsalte.

• Sulfonater: Sulfonater er blevet rapporteret at udvise god selektivitet og ydeevne i flotationsprocesser, men deres anvendelse i sjældne jordarters mineralflotation er stadig i de tidlige stadier.

• Thiofosfater: Disse samlere bruges ofte til sulfidmineralflotation, men forskning i deres anvendelse til flotation af sjældne jordarter er i gang.

• Kvaternære ammoniumsalte: Disse forbindelser er blevet undersøgt for deres evne til at flyde ikke-sulfidmineraler, og der er rapporteret en vis succes i flotation af sjældne jordarter. De opererer gennem elektrostatisk tiltrækning med negativt ladede mineraloverflader.

Forskere eksperimenterer konstant med nye reagenser for at øge effektiviteten af ​​flotation af sjældne jordarters mineraler, med fokus på både at forbedre genvindingsgraden og reducere miljøpåvirkningen af ​​disse kemikalier.

2 depressiva til sjældne jordarters flydning

Depressive midler er essentielle i flotation af sjældne jordarters mineraler til selektiv inhibering af gangmineraler, hvorved selektiviteten og udbyttet af de sjældne jordarters målmineraler forbedres. De primære gangmineraler forbundet med sjældne jordmalme, såsom kvarts, calcit og baryt, udviser ofte lignende flotationsadfærd, hvilket gør deres selektive hæmning afgørende.

Almindelige depressiva ved flotation af sjældne jordarter omfatter vandglas (natriumsilicat), natriumfluorid, tanniner og stivelse.

2.1 Natriumsilikat (vandglas)

Natriumsilikat, almindeligvis kendt som vandglas, er et af de mest udbredte dæmpningsmidler til flotation af sjældne jordarter. Det bruges til at hæmme silikatmineraler som kvarts og feldspat. Mekanismen for natriumsilicats depressive virkning tilskrives generelt dannelsen af ​​et silicalag på overfladen af ​​gangmineralerne, som forhindrer opsamleradsorption.

Vandglas er et effektivt, billigt dæmper, men dets ydeevne kan påvirkes af faktorer som pH, ionkoncentration og reagensdosering. Forskere udforsker modificerede silikater og andre kemiske tilsætningsstoffer for at forbedre selektiviteten af ​​vandglas.

2.2 Natriumfluorid

Natriumfluorid bruges til at undertrykke calcit i sjældne jordarters flotationsprocesser. Dens depressive virkning er baseret på reaktionen mellem fluoridioner og calciumioner, der danner en uopløselig calciumfluoridfilm på mineraloverfladen, som forhindrer opsamleradsorption.

Imidlertid er natriumfluorid et meget giftigt stof, og dets anvendelse kan give anledning til miljø- og sikkerhedsproblemer. Som følge heraf søger forskere aktivt efter sikrere alternativer.

2.3 Tanniner og stivelse

Tanniner og stivelse er eksempler på organiske depressionsmidler, der anvendes til flotation af sjældne jordarter. Tanniner, der stammer fra plantematerialer, bruges til at sænke gangmineraler som baryt og fluorit. Deres mekanisme involverer kompleksdannelse med metalioner på mineraloverfladen, hvilket reducerer samlervedhæftning.

Stivelse bruges almindeligvis som et dæmpende middel til hæmatit og andre jernholdige mineraler ved flotation af sjældne jordarters mineraler. Interaktionen mellem stivelse og mineraler er typisk fysisk, hvor stivelsesmolekylerne adsorberes på mineraloverfladen, hvilket forhindrer kollektorvirkning.

2.4 Nye depressiva

Udviklingen af ​​nye depressiva er et igangværende forskningsområde inden for flotation af sjældne jordarter. Disse nye reagenser har til formål at forbedre selektiviteten og reducere den miljømæssige påvirkning af flotationsprocessen. Eksempler på den seneste udvikling omfatter modificeret stivelse, syntetiske polymerer og biologisk nedbrydelige organiske depressiva.

3 Skumre til sjældne jordarters flydning

Skummer spiller en afgørende rolle i at skabe stabilt skum i flotationsceller, hvilket muliggør adskillelse af sjældne jordarters mineraler fra gangmaterialer. Skumre påvirker boblestørrelsen, skumstabiliteten og flotationskinetikken. De mest almindeligt anvendte skummere til flotation af sjældne jordarter er alkoholbaserede og etherbaserede reagenser.

3.1 Alkoholbaserede skummere

Alkoholbaserede skummere, såsom methylisobutylcarbinol (MIBC) og fyrreolie, anvendes i vid udstrækning til mineralflotation, herunder flotation af sjældne jordarter. Disse skummer hjælper med at generere små, stabile bobler, der forbedrer flotationen af ​​fine partikler.

Alkoholbaserede skummere er relativt billige og effektive, men deres ydeevne kan variere afhængigt af faktorer som pH, mineralsammensætning og reagensinteraktioner.

3.2 Ether-baserede skummere

Ether-baserede skummere, såsom polypropylenglycolethere (f.eks. DF-250), er også almindeligt anvendt til flotation af sjældne jordarter. Disse skummer har en tendens til at producere finere bobler og mere stabile skum sammenlignet med alkoholbaserede skumre. Æterbaserede skummere kan dog være dyrere og kan kræve præcis doseringskontrol.

3.3 Nye skummere

Forskning i nye skummere til flotation af sjældne jordarter fokuserer på at forbedre selektivitet og skumstabilitet og samtidig minimere miljøpåvirkningen. Disse omfatter biologisk nedbrydelige skummere og skummere med forbedret modstandsdygtighed over for tilstedeværelsen af ​​olier og andre forurenende stoffer i flotationsopslæmningen.

4 udvaskningsreagenser til ionadsorption af sjældne jordarter

Ion-adsorption sjældne jordarters malme er unikke ved, at de sjældne jordarters elementer adsorberes på overfladen af ​​lermineraler i stedet for at blive låst i mineralske strukturer. Disse malme bearbejdes typisk ved hjælp af udvaskning frem for flotation. Udvaskningsmidler spiller en afgørende rolle i denne proces ved at desorbere de sjældne jordarters ioner fra leroverfladerne.

4.1 Ammoniumsulfatudvaskning

Ammoniumsulfat er det mest almindeligt anvendte udvaskningsmiddel til ionadsorption af sjældne jordarters malme. Ammoniumionerne i opløsning udveksler med de sjældne jordarters ioner på overfladen af ​​lermineralerne og frigiver dem i opløsning. Denne metode er meget udbredt på grund af dens relativt lave omkostninger og enkelhed.

Imidlertid kan udvaskning af ammoniumsulfat forårsage betydelige miljøproblemer, især med hensyn til ammoniumionforurening. Der arbejdes på at udvikle mere miljøvenlige alternativer.

4.2 Natriumchlorid- og magnesiumsulfatudvaskning

Natriumchlorid og magnesiumsulfat er blevet undersøgt som alternativer til ammoniumsulfat. Disse reagenser virker gennem lignende ionbytningsmekanismer, men har den fordel, at de er mindre skadelige for miljøet. De har dog en tendens til at være mindre effektive med hensyn til genvindingsrater, og der er behov for yderligere forskning for at optimere deres brug.

4.3 Organiske udvaskningsmidler

Organiske udvaskningsmidler, såsom citronsyre og EDTA, udforskes som miljøvenlige alternativer til konventionelle uorganiske udvaskningsreagenser. Disse organiske forbindelser kan effektivt chelatere sjældne jordarters ioner, hvilket gør dem nemmere at udvinde fra malmen. Prisen på disse reagenser er imidlertid en begrænsende faktor for deres udbredte anvendelse.

5 Udfældningsmidler til ionadsorption af sjældne jordarters malme

Når sjældne jordarters ioner er udvasket til opløsning, skal de udfældes og genvindes. Udfældningsmidler bruges til at danne sjældne jordarters forbindelser, der kan adskilles fra udvaskningsopløsningen.

5.1 Ammoniumbikarbonat

Ammoniumbicarbonat bruges almindeligvis til at udfælde sjældne jordarters ioner fra udvaskningsopløsninger som sjældne jordarters karbonater. Dette reagens er effektivt og relativt billigt, men det kan producere store mængder ammoniumholdigt spildevand, hvilket giver miljømæssige udfordringer.

5.2 Oxalsyre

Oxalsyre bruges i vid udstrækning til at udfælde sjældne jordarters grundstoffer som sjældne jordarters oxalater, som derefter kan kalcineres for at producere sjældne jordarters oxider. Oxalsyre er yderst effektiv, men kan være dyrere end ammoniumbicarbonat. Derudover kræver håndteringen af ​​oxalsyre omhyggelige sikkerhedsforanstaltninger på grund af dens toksicitet.

5.3 Nye udfældningsmidler

Forskning er i gang for at udvikle mere selektive og miljøvenlige udfældningsmidler til genvinding af sjældne jordarter. Disse omfatter organiske syrer, biologisk nedbrydelige reagenser og ionbytterharpikser.

6 Fremtidige retninger og udsigter

Fremtiden for reagenser til behandling af sjældne jordarters mineraler ligger i udviklingen af ​​mere selektive, effektive og miljøvenlige reagenser. Nøgleområder for fremtidig forskning omfatter:

• Udvikling af grønne reagenser: Miljøpåvirkningen af ​​flotations- og udvaskningsreagenser er en stor bekymring, især i forbindelse med bearbejdning af sjældne jordarter. Der er et stigende behov for udvikling af biologisk nedbrydelige, ikke-toksiske reagenser, der kan erstatte traditionelle kemikalier som ammoniumsulfat og oxalsyre.

• Forbedring af selektivitet: Nye opsamlere, dæmpere og skummer er nødvendige for at forbedre selektiviteten af ​​flotation af sjældne jordarter, især for lavkvalitets og komplekse malme. Dette omfatter udforskning af nye molekylære strukturer og modifikation af eksisterende reagenser.

• Omkostningsreduktion: De høje omkostninger ved nogle sjældne jordarters behandlingsreagenser, især hydroxamsyrer og phosphonsyrer, er en begrænsende faktor for deres udbredte anvendelse. Fremtidig forskning bør fokusere på syntesen af ​​mere overkommelige alternativer eller på at forbedre effektiviteten af ​​eksisterende reagenser for at reducere dosiskravene.

• Miljømæssig bæredygtighed: Med stigende reguleringer rundt om i verden, der sigter mod at reducere miljøpåvirkningen fra minedrift, bliver udviklingen af ​​miljømæssigt bæredygtige teknologier til behandling af sjældne jordarter vigtigere. Dette inkluderer at minimere brugen af ​​skadelige kemikalier og reducere genereringen af ​​affald og forurening.

Som konklusion er forarbejdning af sjældne jordarters mineraler stærkt afhængig af brugen af ​​kemiske reagenser, og løbende forskning er afgørende for at forbedre effektiviteten, selektiviteten og bæredygtigheden af ​​disse reagenser. Udviklingen af ​​nye, grønnere reagenser vil være afgørende for fremtiden for nyttiggørelse af sjældne jordarter, da den globale efterspørgsel efter disse kritiske mineraler fortsætter med at stige.