Aktueller Forschungsstand und Perspektiven für Reagenzien zur Verarbeitung von Seltenerdmineralien

Reagenzien zur Verarbeitung von Seltenerdmineralien: Sammler, Depressiva, Schäumer und Auslaugmittel für eine effiziente und nachhaltige Gewinnung

Seltene Erden (SEE) besitzen eine Reihe außergewöhnlicher physikalischer und chemischer Eigenschaften, die sie für verschiedene Anwendungen, von der Elektronik bis zum Militär, unverzichtbar machen. Länder wie China, die USA, Japan und Australien erkennen sie als essentielle Mineralien an. Seltene Erden sind jedoch in großer Vielfalt, aber in geringer Qualität vorhanden und oft eng mit ähnlichen Gangmineralien verbunden. Ihre Aufbereitung hängt maßgeblich von der Weiterentwicklung von Reagenzien zur Mineralaufbereitung ab.

Dieser Artikel befasst sich mit der effizienten Aufbereitung von Seltenen Erden. Er fasst den aktuellen Stand der Forschung und Entwicklung zusammen. Flotationsreagenzien für mineralische Seltenerd-Erze, einschließlich Sammler, Beruhigungsmittel, Aktivatoren und Aufschäumer, zusammen mit ihren Flotationsmechanismen. Die chemischen Aufbereitungsreagenzien für ionenartige Seltenerd-Erze, einschließlich Auslaugmittel und Fällungsmittel werden ebenfalls diskutiert, wobei der Forschungsstand und die Auslaugungsmechanismen behandelt werden. Darüber hinaus wird der aktuelle Stand der Seltenerdflotation Sammler werden ausgewertet und zukünftige Forschungsrichtungen für Verarbeitung von Seltenerdmineralien Reagenzien werden analysiert. Diese Übersicht soll Unternehmen und Fachleuten, die sich mit der Verarbeitung von Seltenerdmineralien und der Entwicklung von Reagenzien befassen, als Referenz dienen.

0 Beidhändige Rückhand: Einleitung

Zu den Seltenen Erden (REEs) gehören Scandium, Yttrium und alle 15 Lanthanoide, also insgesamt 17 Elemente. Diese Elemente weisen eine Reihe außergewöhnlicher physikalischer und chemischer Eigenschaften auf, die sie in verschiedenen zivilen und militärischen Sektoren, einschließlich der Medizin-, Energie- und Rüstungsindustrie, unverzichtbar machen. Sie werden oft als „Industrievitamine“, „Wunderelemente“, „Agrarhormone“ und „Kriegsmetalle“ bezeichnet und von Ländern wie den Vereinigten Staaten, China, Japan, Australien, Kanada und der Europäischen Union als kritische Mineralien anerkannt. Laut dem United States Geological Survey (USGS) belaufen sich die weltweiten Reserven an Seltenen Erdoxiden (REO) im Jahr 2022 auf etwa 120 Millionen Tonnen, hauptsächlich konzentriert in China (36.7 %), Vietnam (18.3 %), Brasilien (17.5 %), Russland (17.5 %), Indien (5.8 %) und Australien (3.3 %).

Zu den weltweit größten Seltenerdminen zählen die chinesischen Lagerstätten Bayan Obo, Maoniuping und Ganzhou, die Mountain Pass Mine in den USA, die Araxa- und Minasu-Minen in Brasilien, die Strange Lake-Lagerstätte in Kanada, die Mount Weld-Lagerstätte in Australien und die Zandkopsdrift-Lagerstätte in Südafrika. Darüber hinaus beherbergen die südlichen Provinzen Chinas, darunter Jiangxi, Guangdong, Fujian und Yunnan, über 170 hochwertige Ionenadsorptionslagerstätten für Seltene Erden, die als weltweit wichtigste Quelle für mittelschwere und schwere Seltene Erden dienen.

Bisher wurden mehr als 250 Arten von Seltenerdmineralien identifiziert, wobei Bastnäsit ((Ce, La)(CO3)F), Monazit ((Ce, La)PO4), Xenotim (YPO4), Yttrialit (Y2FeBe(SiO4)2O2) und Fergusonit (YNbO4) über 95 % aller mineralbasierten Seltenerderze ausmachen. Diese Erze sind jedoch häufig mit Quarz, Fluorit, Baryt, Feldspat, Kalzit und anderen silikatischen Gangmineralien vergesellschaftet, was zu minderwertigen Erzen führt, die nur schwer zu trennen sind. Daher erfordert die Aufbereitung von Seltenerderzen häufig eine Kombination aus Schwerkrafttrennung, Magnetscheidung und Flotation, um minderwertige Erze zu Konzentraten in industrieller Schmelzqualität aufzubereiten. Bei durch Ionenadsorption gewonnenen Seltenerderzen werden Seltenerdelemente als Ionen an Mineraloberflächen oder in Kristallschichten adsorbiert, was eine chemische Verarbeitung zur Extraktion der Seltenerdoxide erfordert.

Ob es sich um mineralische oder ionenbasierte Seltenerd-Erze handelt, die Anwendung von Aufbereitungsreagenzien ist entscheidend für die Bestimmung der Produktqualität, Rückgewinnung seltener Erden Raten, Produktionseffizienz, Kosten und Umweltauswirkungen.

Dieser Artikel befasst sich mit der effizienten Aufbereitung von Seltenerdressourcen und bietet einen detaillierten Überblick über die Arten, Mechanismen und Forschungsfortschritte von Flotationsreagenzien (Sammler, Schäumer, Regler) für mineralische Seltenerderze sowie über chemische Aufbereitungsreagenzien (Laugungsmittel, Fällungsmittel) für ionische Seltenerderze. Er präsentiert außerdem zukünftige Forschungs- und Entwicklungsrichtungen im Bereich der Reagenzien für die Verarbeitung von Seltenerdmineralien und soll Unternehmen und Forschern, die sich mit der Trennung von Seltenen Erden oder der Entwicklung industrieller Reagenzien beschäftigen, als Referenz dienen.

1 Seltene Erden Flotationskollektoren

Kollektoren spielen eine entscheidende Rolle bei der Seltenerdflotation, indem sie die Oberflächenhydrophobie der Zielmineralien verändern, wodurch diese leichter an Blasen haften und ihre Flotationseigenschaften verbessern. Basierend auf funktionellen Gruppen lassen sich Kollektoren für die Seltenerdflotation in Hydroxamsäuren, Fettsäuren, Phosphonsäuren und andere Reagenzien einteilen. 1.1 Hydroxamsäurekollektoren

Hydroxamsäuresammler, die in den 1980er Jahren entwickelt wurden, sind die am häufigsten verwendeten Reagenzien in der Seltenerdflotation. Hydroxamsäuren, auch Oxime genannt, existieren in zwei isomeren Formen: Oxim (Ketostruktur) und Hydroxamsäure (Enolstruktur), wobei Oxim vorherrschend ist. Beide Isomere dissoziieren während der Flotation zu identischen Anionen.

Zu den in der Seltenerdflotation verwendeten Hydroxamsäuresammlern gehören C7-C9-Alkylhydroxamsäure, 2-Hydroxy-3-naphthohydroxamsäure (H205O1), 2-Hydroxy-203-naphthohydroxamsäure (H102O316), Salicylhydroxamsäure (L205O8), Cycloalkylhydroxamsäure, Benzyloxamsäure, Octylmalonhydroxamsäure (OMHA) und andere modifizierte oder gemischte Hydroxamsäureprodukte wie H8 (ein modifiziertes H98O103), PXNUMX (hauptsächlich Hydroxynaphthohydroxamsäure), LFXNUMX# (XNUMX % Hydroxynaphthohydroxamsäure) und Sammler XNUMX (Salicylhydroxamsäure). Hydroxamsäuren weisen zwar eine gute Selektivität für Seltenerdelemente auf, müssen aber während der Flotation oft erhitzt werden, was zu höheren Energiekosten führt. Auch ihre Synthese kann teuer sein.

1.2 Fettsäuresammler

Fettsäuresammler werden seit den 1950er Jahren in der Seltenerdflotation eingesetzt, als Ölsäure erfolgreich in Mountain Pass in den USA eingesetzt wurde. In China begannen in den 1960er Jahren systematische Studien zur Verwendung von Ölsäure und oxidierter Paraffinseife für die Seltenerdflotation.

Fettsäuresammler werden aus natürlichen pflanzlichen oder tierischen Ölen gewonnen und bestehen typischerweise aus einer Mischung gesättigter und ungesättigter C10-C20-Carbonsäuren oder deren Salzen. Gängige Reagenzien sind Ölsäure, Natriumoleat, Tallöl, oxidierte Paraffinseife, Bacchusfruchtöl, Phthalate, Naphtensäure und oxidierte Erdölderivate. Fettsäuresammler weisen jedoch eine geringere Selektivität für Seltenerdmineralien auf und erfordern häufig die Zugabe von Depressiva und Temperaturanpassungen, um eine effektive Trennung zu erreichen.

Bei der Flotation von Seltenerdmineralien unter Verwendung von Fettsäuren handelt es sich vermutlich um eine Kombination aus physikalischer und chemischer Adsorption sowie chemischen Oberflächenreaktionen.

1.3 Phosphonsäuresammler

Phosphonsäure- (—P=O) und Phosphonat- (—O—P=O) Sammler weisen im Vergleich zu Hydroxam- und Fettsäuresammlern eine stärkere Flotationsleistung für metallische Mineralien auf. Allerdings weisen Phosphonsäuresammler im Allgemeinen eine geringere Selektivität auf.

Zu den derzeit in der Seltenerdflotation verwendeten Phosphonsäuresammlern gehören Styrolphosphonsäure, p-Toluolphosphonsäure, Benzylphosphonsäure, α-Hydroxybenzylphosphonsäure und kommerzielle Produkte wie P538 und Flotinor 1682.

1.4 Andere Sammler

Neben Hydroxamsäuren, Fettsäuren und Phosphonsäuren werden verschiedene neue Sammler erforscht, um die Effizienz und Selektivität der Seltenerd-Flotation zu verbessern. Dazu gehören unter anderem Sulfonate, Thiophosphate und quartäre Ammoniumsalze.

• Sulfonate: Es wurde berichtet, dass Sulfonate in Flotationsprozessen eine gute Selektivität und Leistung aufweisen, ihre Anwendung in der Flotation von Seltenerdmineralien befindet sich jedoch noch in einem frühen Stadium.

• Thiophosphate: Diese Kollektoren werden häufig bei der Flotation von Sulfidmineralien verwendet, ihre Anwendung bei der Flotation von Seltenen Erden wird jedoch noch erforscht.

• Quartäre Ammoniumsalze: Diese Verbindungen wurden auf ihre Fähigkeit untersucht, nicht-sulfidische Mineralien zu flotieren. Bei der Seltenerdflotation wurden einige Erfolge berichtet. Sie funktionieren durch elektrostatische Anziehung mit negativ geladenen Mineraloberflächen.

Forscher experimentieren ständig mit neuen Reagenzien, um die Wirksamkeit der Flotation von Seltenerdmineralien zu steigern. Dabei konzentrieren sie sich sowohl auf die Verbesserung der Rückgewinnungsraten als auch auf die Verringerung der Umweltauswirkungen dieser Chemikalien.

2 Depressiva für die Seltenerdflotation

Depressiva sind bei der Flotation von Seltenerdmineralien unerlässlich, um Gangmineralien selektiv zu hemmen und so die Selektivität und Ausbeute der Ziel-Seltenerdmineralien zu verbessern. Die primären Gangmineralien der Seltenerdmineralien wie Quarz, Kalzit und Baryt weisen oft ein ähnliches Flotationsverhalten auf, weshalb ihre selektive Hemmung entscheidend ist.

Zu den üblichen Beruhigungsmitteln bei der Seltenerdflotation gehören Wasserglas (Natriumsilikat), Natriumfluorid, Tannine und Stärke.

2.1 Natriumsilikat (Wasserglas)

Natriumsilikat, allgemein bekannt als Wasserglas, ist eines der am häufigsten verwendeten Depressiva in der Seltenerdflotation. Es wird zur Hemmung von Silikatmineralien wie Quarz und Feldspat eingesetzt. Der Mechanismus der depressiven Wirkung von Natriumsilikat wird im Allgemeinen auf die Bildung einer Kieselsäureschicht auf der Oberfläche der Gangmineralien zurückgeführt, die die Adsorption des Kollektors verhindert.

Wasserglas ist ein wirksames und kostengünstiges Depressivum, dessen Leistung jedoch durch Faktoren wie pH-Wert, Ionenkonzentration und Reagenzdosierung beeinflusst werden kann. Forscher erforschen modifizierte Silikate und andere chemische Zusätze, um die Selektivität von Wasserglas zu verbessern.

2.2 Natriumfluorid

Natriumfluorid wird zur Kalzitunterdrückung in Seltenerd-Flotationsprozessen eingesetzt. Seine unterdrückende Wirkung beruht auf der Reaktion zwischen Fluorid- und Calciumionen, wodurch sich auf der Mineraloberfläche ein unlöslicher Calciumfluoridfilm bildet, der die Adsorption des Kollektors verhindert.

Natriumfluorid ist jedoch eine hochgiftige Substanz, und seine Verwendung kann Umwelt- und Sicherheitsbedenken aufwerfen. Daher suchen Forscher aktiv nach sichereren Alternativen.

2.3 Tannine und Stärke

Tannine und Stärke sind Beispiele für organische Depressiva, die bei der Seltenerdflotation eingesetzt werden. Tannine, die aus pflanzlichen Materialien gewonnen werden, werden zur Depression von Gangmineralien wie Baryt und Fluorit eingesetzt. Ihr Mechanismus beinhaltet die Komplexierung mit Metallionen auf der Mineraloberfläche, wodurch die Anhaftung von Kollektoren reduziert wird.

Stärke wird häufig als Beruhigungsmittel für Hämatit und andere eisenhaltige Mineralien bei der Flotation von Seltenerdmineralien eingesetzt. Die Wechselwirkung zwischen Stärke und Mineralien ist typischerweise physikalischer Natur. Die Stärkemoleküle adsorbieren an der Mineraloberfläche und verhindern so die Kollektorwirkung.

2.4 Neue Beruhigungsmittel

Die Entwicklung neuer Depressiva ist ein laufendes Forschungsgebiet in der Seltenerdflotation. Diese neuartigen Reagenzien sollen die Selektivität verbessern und die Umweltbelastung des Flotationsprozesses reduzieren. Beispiele für aktuelle Entwicklungen sind modifizierte Stärken, synthetische Polymere und biologisch abbaubare organische Depressiva.

3 Schäumer für die Seltenerdflotation

Schäumer spielen eine wichtige Rolle bei der Bildung von stabilem Schaum in Flotationszellen und ermöglichen die Trennung von Seltenerdmineralien von Gangart. Schäumer beeinflussen die Blasengröße, die Schaumstabilität und die Flotationskinetik. Die am häufigsten verwendeten Schäumer in der Seltenerdflotation sind alkohol- und etherbasierte Reagenzien.

3.1 Alkoholbasierte Aufschäumer

Alkoholbasierte Schäumer wie Methylisobutylcarbinol (MIBC) und Kiefernöl werden häufig in der Mineralienflotation, einschließlich der Seltenerdflotation, eingesetzt. Diese Schäumer tragen zur Erzeugung kleiner, stabiler Blasen bei, die die Flotation feiner Partikel verbessern.

Aufschäumer auf Alkoholbasis sind relativ kostengünstig und wirksam, ihre Leistung kann jedoch je nach Faktoren wie pH-Wert, Mineralzusammensetzung und Reagenzienwechselwirkungen variieren.

3.2 Etherbasierte Schäumer

Etherbasierte Schäumer, wie Polypropylenglykolether (z. B. DF-250), werden ebenfalls häufig in der Seltenerdflotation eingesetzt. Diese Schäumer erzeugen im Vergleich zu alkoholbasierten Schäumern feinere Blasen und einen stabileren Schaum. Etherbasierte Schäumer sind jedoch möglicherweise teurer und erfordern eine präzise Dosierung.

3.3 Neuartige Aufschäumer

Die Forschung an neuen Schäumern für die Seltenerdflotation konzentriert sich auf die Verbesserung der Selektivität und Schaumstabilität bei gleichzeitiger Minimierung der Umweltbelastung. Dazu gehören biologisch abbaubare Schäumer und Schäumer mit verbesserter Beständigkeit gegen Öle und andere Verunreinigungen im Flotationsschlamm.

4 Laugungsreagenzien für ionenadsorbierte Seltenerd-Erze

Ionenadsorptions-Seltenerd-Erze zeichnen sich dadurch aus, dass die Seltenerdelemente an der Oberfläche von Tonmineralien adsorbiert werden, anstatt in Mineralstrukturen eingeschlossen zu sein. Diese Erze werden typischerweise durch Laugung statt durch Flotation verarbeitet. Laugungsmittel spielen in diesem Prozess eine entscheidende Rolle, indem sie die Seltenerdionen von den Tonoberflächen desorbieren.

4.1 Ammoniumsulfatlaugung

Ammoniumsulfat ist das am häufigsten verwendete Laugemittel für die Ionenadsorption von Seltenerd-Erzen. Die gelösten Ammoniumionen tauschen sich mit den Seltenerd-Ionen an der Oberfläche der Tonmineralien aus und geben diese frei. Diese Methode ist aufgrund ihrer relativ geringen Kosten und Einfachheit weit verbreitet.

Die Auslaugung von Ammoniumsulfat kann jedoch erhebliche Umweltprobleme verursachen, insbesondere im Hinblick auf die Verschmutzung durch Ammoniumionen. Es werden Anstrengungen unternommen, um umweltfreundlichere Alternativen zu entwickeln.

4.2 Natriumchlorid- und Magnesiumsulfatlaugung

Natriumchlorid und Magnesiumsulfat wurden als Alternativen zu Ammoniumsulfat untersucht. Diese Reagenzien funktionieren über ähnliche Ionenaustauschmechanismen, haben aber den Vorteil, weniger umweltschädlich zu sein. Allerdings sind sie hinsichtlich der Rückgewinnungsraten tendenziell weniger effektiv, und es bedarf weiterer Forschung, um ihren Einsatz zu optimieren.

4.3 Organische Laugungsmittel

Organische Laugemittel wie Zitronensäure und EDTA werden als umweltfreundliche Alternativen zu herkömmlichen anorganischen Laugemitteln erforscht. Diese organischen Verbindungen können Seltenerdionen effektiv chelatieren und so deren Extraktion aus dem Erz erleichtern. Die Kosten dieser Reagenzien sind jedoch ein limitierender Faktor für ihre breite Anwendung.

5 Fällungsmittel für ionenadsorbierte Seltenerd-Erze

Sobald Seltenerdionen in die Lösung gelangen, müssen sie ausgefällt und zurückgewonnen werden. Fällungsmittel werden verwendet, um Seltenerdverbindungen zu bilden, die von der Lauge abgetrennt werden können.

5.1 Ammoniumbicarbonat

Ammoniumbicarbonat wird häufig verwendet, um Seltenerdionen aus Laugen als Seltenerdcarbonate auszufällen. Dieses Reagenz ist effektiv und relativ kostengünstig, kann jedoch große Mengen ammoniumhaltiger Abwässer produzieren, was eine Herausforderung für die Umwelt darstellt.

5.2 Oxalsäure

Oxalsäure wird häufig verwendet, um Seltenerdelemente als Seltenerdoxalate auszufällen, die anschließend zu Seltenerdoxiden kalziniert werden können. Oxalsäure ist hochwirksam, kann aber teurer sein als Ammoniumbicarbonat. Zudem erfordert der Umgang mit Oxalsäure aufgrund ihrer Toxizität sorgfältige Sicherheitsmaßnahmen.

5.3 Neue Fällungsmittel

Derzeit wird an der Entwicklung selektiverer und umweltfreundlicherer Fällungsmittel für die Rückgewinnung Seltener Erden geforscht. Dazu gehören organische Säuren, biologisch abbaubare Reagenzien und Ionenaustauscherharze.

6 Zukünftige Richtungen und Aussichten

Die Zukunft der Reagenzien zur Verarbeitung von Seltenerdmineralien liegt in der Entwicklung selektiverer, effizienterer und umweltfreundlicherer Reagenzien. Zu den wichtigsten Bereichen zukünftiger Forschung gehören:

• Entwicklung grüner Reagenzien: Die Umweltauswirkungen von Flotations- und Laugungsreagenzien sind ein großes Problem, insbesondere im Zusammenhang mit der Verarbeitung Seltener Erden. Es besteht ein wachsender Bedarf an der Entwicklung biologisch abbaubarer, ungiftiger Reagenzien, die herkömmliche Chemikalien wie Ammoniumsulfat und Oxalsäure ersetzen können.

• Verbesserung der Selektivität: Um die Selektivität der Seltenerdflotation, insbesondere bei minderwertigen und komplexen Erzen, zu verbessern, werden neue Sammler, Depressiva und Schäumer benötigt. Dies umfasst die Erforschung neuer Molekülstrukturen und die Modifizierung bestehender Reagenzien.

• Kostenreduktion: Die hohen Kosten einiger Reagenzien zur Verarbeitung seltener Erden, insbesondere von Hydroxamsäuren und Phosphonsäuren, begrenzen ihre breite Anwendung. Zukünftige Forschung sollte sich auf die Synthese kostengünstigerer Alternativen oder die Verbesserung der Effizienz bestehender Reagenzien konzentrieren, um den Dosierungsbedarf zu senken.

• Umweltverträglichkeit: Angesichts zunehmender weltweiter Vorschriften zur Reduzierung der Umweltauswirkungen des Bergbaus gewinnt die Entwicklung umweltverträglicher Technologien zur Verarbeitung Seltener Erden zunehmend an Bedeutung. Dazu gehört die Minimierung des Einsatzes schädlicher Chemikalien sowie die Reduzierung von Abfall und Umweltverschmutzung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verarbeitung von Seltenerdmineralien stark vom Einsatz chemischer Reagenzien abhängt. Kontinuierliche Forschung ist daher unerlässlich, um die Effizienz, Selektivität und Nachhaltigkeit dieser Reagenzien zu verbessern. Die Entwicklung neuer, umweltfreundlicherer Reagenzien wird für die Zukunft der Seltenerdaufbereitung von entscheidender Bedeutung sein, da die weltweite Nachfrage nach diesen wichtigen Mineralien weiter steigt.