Nåværende forskningsstatus og utsikter for sjeldne jordarters mineralbehandlingsreagenser

Mineralbehandlingsreagenser for sjeldne jordarter: Samlere, depressiva, skummere og utvaskingsmidler for effektiv og bærekraftig utvinning

Sjeldne jordelementer (REE) har en rekke eksepsjonelle fysiske og kjemiske egenskaper, noe som gjør dem kritiske i ulike bruksområder, fra elektronikk til militær bruk. De er anerkjent som essensielle mineraler av land som Kina, USA, Japan og Australia. Imidlertid er sjeldne jordartsmineraler rikelig i variasjon, men lav i karakter og er ofte nært forbundet med lignende gangmineraler. Fordelelsen deres er sterkt avhengig av fremskritt innen mineralbehandlingsreagenser.

Denne artikkelen er rettet mot effektiv utnyttelse av sjeldne jordartsressurser. Den oppsummerer den nåværende tilstanden til forskning og utvikling av flotasjonsreagenser for mineralbaserte sjeldne jordmalmer, inkludert samlere, depressiva, aktivatorer og skummere, sammen med deres flytemekanismer. De kjemiske fordelingsreagensene for ion-type sjeldne jordmalmer, inkludert utvaskingsmidler og utfellingsmidler, er også diskutert, og dekker deres forskningsstatus og utlekkingsmekanismer. Videre den nåværende tilstanden til flyting av sjeldne jordarter samlere blir evaluert, og fremtidige forskningsretninger for Bearbeiding av sjeldne jordartsmetaller reagenser analyseres. Denne anmeldelsen har som mål å gi en referanse for selskaper og fagfolk som er engasjert i sjeldne jordartsmetaller og reagensutvikling.

0 Innledning

Sjeldne jordartselementer (REE) inkluderer skandium, yttrium og alle 15 lantanider, totalt 17 grunnstoffer. Disse elementene viser en rekke eksepsjonelle fysiske og kjemiske egenskaper, noe som gjør dem kritiske i ulike sivile og militære sektorer, inkludert medisinsk, energi og forsvarsindustri. De blir ofte referert til som "industrielle vitaminer", "mirakelelementer", "landbrukshormoner" og "krigsmetaller", anerkjent som kritiske mineraler av nasjoner som USA, Kina, Japan, Australia, Canada og EU. I følge United States Geological Survey (USGS), fra og med 2022, står de globale reservene for sjeldne jordarter oksid (REO) på omtrent 120 millioner tonn, hovedsakelig konsentrert i Kina (36.7%), Vietnam (18.3%), Brasil (17.5%), Russland (17.5%), India (5.8%) og Australia (3.3%).

Verdens største gruver med sjeldne jordarter inkluderer Kinas Bayan Obo, Maoniuping og Ganzhou-forekomster, Mountain Pass-gruven i USA, Araxa- og Minasu-gruvene i Brasil, Strange Lake-forekomsten i Canada, Mount Weld-forekomsten i Australia og Zandkopsdrift-forekomsten i Sør-Afrika. I tillegg er Kinas sørlige provinser, inkludert Jiangxi, Guangdong, Fujian og Yunnan, hjemsted for over 170 høykvalitets ioneadsorpsjonsavsetninger av sjeldne jordarter, og fungerer som den globale primærkilden til middels og tunge sjeldne jordartselementer.

Mer enn 250 typer sjeldne jordartsmetaller er identifisert, med bastnäsitt ((Ce, La)(CO3)F), monazitt ((Ce, La)PO4), xenotime (YPO4), yttrilitt (Y2FeBe(SiO4)2O2), og fergusonitt (YNbO4) som utgjør over 95-% av de sjeldne jordartsmetallene. Imidlertid er disse malmene ofte assosiert med kvarts, fluoritt, baritt, feltspat, kalsitt og andre silikatgangmineraler, noe som resulterer i malmer av lav kvalitet som er utfordrende å skille. Som sådan krever utvinningen av sjeldne jordmalmer ofte en kombinasjon av gravitasjonsseparasjon, magnetisk separasjon og flotasjon for å oppgradere lavkvalitetsmalmer til industrielle smeltekonsentrater. Når det gjelder ioneadsorpsjon av sjeldne jordmalmer, blir sjeldne jordartsmetaller adsorbert som ioner på mineraloverflater eller i krystalllag, noe som krever kjemisk prosessering for å trekke ut sjeldne jordartsmetaller.

Enten det er snakk om mineralbaserte eller ione-type sjeldne jordmalmer, er bruken av beneficiasjonsreagenser avgjørende for å bestemme produktkvalitet, utvinning av sjeldne jordarter priser, produksjonseffektivitet, kostnader og miljøpåvirkning.

Denne artikkelen fokuserer på effektiv nyttiggjøring av sjeldne jordartsressurser, og tilbyr en detaljert oversikt over typene, mekanismene og forskningsfremgangen til flotasjonsreagenser (samlere, skummere, regulatorer) for mineralbaserte sjeldne jordmalmer, samt kjemiske beneficieringsreagenser (utlutingsmidler, utfellingsmidler) for ionetype sjeldne jordmalmer. Den presenterer også fremtidige retninger for forskning og utvikling innen sjeldne jordarters mineralbehandlingsreagenser, med sikte på å gi en referanse for selskaper og forskere som er engasjert i separasjon av sjeldne jordarter eller industriell reagensutvikling.

1 sjeldne jordflotasjonssamlere

Samlere spiller en avgjørende rolle i flotasjon av sjeldne jordarter ved å endre overflatehydrofobiteten til målmineraler, noe som gjør dem lettere å feste til bobler og forbedrer deres flotasjonsegenskaper. Basert på funksjonelle grupper kan samlere for flotasjon av sjeldne jordarter klassifiseres i hydroksamsyrer, fettsyrer, fosfonsyrer og andre reagenser.1.1 Hydroksamsyresamlere

Hydroksamsyresamlere, utviklet på 1980-tallet, er de mest brukte reagensene i flotasjon av sjeldne jordarter. Hydroksamsyrer, også kjent som oksimer, finnes i to isomere former: oksim (ketostruktur) og hydroksamsyre (enolstruktur), med oksim som dominerende. Begge isomerene dissosieres for å danne identiske anioner under flotasjon.

Vanlige hydroksamsyresamlere brukt i flotasjon av sjeldne jordarter inkluderer C7-C9 alkylhydroksamsyre, 2-hydroksy-3-naftohydroksamsyre (H205), 1-hydroksy-2-naftohydroksamsyre (H203), salisylhydroksamsyre (L102), sykloalkylhydroksamsyre, benzocylsyre, benzocylsyre. (OMHA), og andre modifiserte eller blandede hydroksamsyreprodukter, slik som H316 (en modifisert H205), P8 (hovedsakelig hydroksynaftohydroksamsyre), LF8# (98 % hydroksynaftohydroksamsyre) og samler 103 (salisylsyrehydroksamsyre). Mens hydroksamsyrer viser god selektivitet for sjeldne jordartselementer, krever de ofte oppvarming under flotasjon, noe som fører til høyere energikostnader, og syntesen deres kan også være dyr.

1.2 Fettsyresamlere

Fettsyresamlere har blitt brukt i flotasjon av sjeldne jordarter siden 1950-tallet da oljesyre ble brukt på Mountain Pass i USA. I Kina startet systematiske studier på bruken av oljesyre og oksidert parafinsåpe for flotasjon av sjeldne jordarter på 1960-tallet.

Fettsyresamlere er avledet fra naturlige vegetabilske eller animalske oljer, vanligvis sammensatt av en blanding av C10-C20 mettede og umettede karboksylsyrer eller salter. Vanlige reagenser inkluderer oljesyre, natriumoleat, tallolje, oksidert parafinsåpe, Bacchus fruktolje, ftalater, naftensyre og oksiderte petroleumsderivater. Imidlertid har fettsyresamlere lavere selektivitet for sjeldne jordartsmetaller og krever ofte tilsetning av depressiva og temperaturjusteringer for å oppnå effektiv separasjon.

Flotasjon av sjeldne jordmetaller ved bruk av fettsyrer antas å involvere en kombinasjon av fysisk adsorpsjon, kjemisk adsorpsjon og overflatekjemiske reaksjoner.

1.3 Fosfonsyresamlere

Oppsamlere av fosfonsyre (—P=O) og fosfonat (—O—P=O) viser sterkere flotasjonsytelse for metalliske mineraler sammenlignet med hydroksamsyre- og fettsyresamlere. Imidlertid har fosfonsyresamlere generelt lavere selektivitet.

For tiden brukte fosfonsyresamlere i flotasjon av sjeldne jordarter inkluderer styrenfosfonsyre, p-toluenfosfonsyre, benzylfosfonsyre, α-hydroksybenzylfosfonsyre og kommersielle produkter som P538 og Flotinor 1682.

1.4 Andre samlere

Bortsett fra hydroksamsyrer, fettsyrer og fosfonsyrer, utforskes en rekke nye samlere for å forbedre sjeldne jordartsflotasjonseffektivitet og selektivitet. Noen av disse inkluderer sulfonater, tiofosfater og kvaternære ammoniumsalter.

• Sulfonater: Sulfonater har blitt rapportert å utvise god selektivitet og ytelse i flotasjonsprosesser, men deres anvendelse i sjeldne jordartsmetallflotasjon er fortsatt i de tidlige stadiene.

• Tiofosfater: Disse samlerne brukes ofte i sulfidmineralflotasjon, men forskning på deres anvendelse i sjeldne jordartsmetallflotasjon pågår.

• Kvartære ammoniumsalter: Disse forbindelsene har blitt undersøkt for deres evne til å flyte ikke-sulfidmineraler, og det er rapportert en viss suksess i flotasjon av sjeldne jordarter. De opererer gjennom elektrostatisk tiltrekning med negativt ladede mineraloverflater.

Forskere eksperimenterer stadig med nye reagenser for å forbedre effektiviteten til flotasjon av sjeldne jordartsmetaller, med fokus på både å forbedre utvinningsgraden og redusere miljøpåvirkningen av disse kjemikaliene.

2 depressiva for flyting av sjeldne jordarter

Depressiva er essensielle i flotasjon av sjeldne jordartsmetaller for selektivt å hemme gangmineraler, og derved forbedre selektiviteten og utbyttet av de sjeldne jordartsmineralene. De primære gangmineralene assosiert med sjeldne jordmalmer, som kvarts, kalsitt og baritt, viser ofte lignende flotasjonsadferd, noe som gjør deres selektive hemming avgjørende.

Vanlige depressiva ved flotasjon av sjeldne jordarter inkluderer vannglass (natriumsilikat), natriumfluorid, tanniner og stivelse.

2.1 Natriumsilikat (vannglass)

Natriumsilikat, vanligvis kjent som vannglass, er et av de mest brukte depressiva i flotasjon av sjeldne jordarter. Det brukes til å hemme silikatmineraler som kvarts og feltspat. Mekanismen for natriumsilikats depressive virkning tilskrives generelt dannelsen av et silikalag på overflaten av gangmineralene, som forhindrer oppsamleradsorpsjon.

Vannglass er et effektivt lavkostdempende middel, men ytelsen kan påvirkes av faktorer som pH, ionekonsentrasjon og reagensdosering. Forskere utforsker modifiserte silikater og andre kjemiske tilsetningsstoffer for å forbedre selektiviteten til vannglass.

2.2 Natriumfluorid

Natriumfluorid brukes til å redusere kalsitt i flotasjonsprosesser med sjeldne jordarter. Dens depressive effekt er basert på reaksjonen mellom fluoridioner og kalsiumioner, og danner en uoppløselig kalsiumfluoridfilm på mineraloverflaten, som forhindrer kollektoradsorpsjon.

Imidlertid er natriumfluorid et svært giftig stoff, og bruken kan utgjøre miljø- og sikkerhetsproblemer. Som et resultat søker forskere aktivt etter tryggere alternativer.

2.3 Tanniner og stivelse

Tanniner og stivelse er eksempler på organiske depressiva som brukes i flotasjon av sjeldne jordarter. Tanniner, avledet fra plantematerialer, brukes til å presse ned gangmineraler som baritt og fluoritt. Mekanismen deres involverer kompleksdannelse med metallioner på mineraloverflaten, noe som reduserer samlerfestet.

Stivelse brukes ofte som et dempende middel for hematitt og andre jernholdige mineraler ved flotasjon av sjeldne jordartsmetaller. Samspillet mellom stivelse og mineraler er typisk fysisk, med stivelsesmolekylene som adsorberes på mineraloverflaten, og forhindrer kollektorvirkning.

2.4 Nye depressiva

Utviklingen av nye depressiva er et pågående forskningsområde innen flotasjon av sjeldne jordarter. Disse nye reagensene har som mål å forbedre selektiviteten og redusere miljøpåvirkningen av flotasjonsprosessen. Eksempler på nyere utvikling inkluderer modifisert stivelse, syntetiske polymerer og biologisk nedbrytbare organiske depressiva.

3 skummer for sjeldne jordarters flyt

Skummer spiller en viktig rolle i å skape stabilt skum i flotasjonsceller, noe som muliggjør separasjon av sjeldne jordartsmetaller fra gangmaterialer. Skummer påvirker boblestørrelsen, skumstabiliteten og flotasjonskinetikken. De mest brukte skummerne i flotasjon med sjeldne jordarter er alkoholbaserte og eterbaserte reagenser.

3.1 Alkoholbaserte skummere

Alkoholbaserte skummere, som metylisobutylkarbinol (MIBC) og furuolje, er mye brukt i mineralflotasjon, inkludert flotasjon av sjeldne jordarter. Disse skummerne bidrar til å generere små, stabile bobler som forbedrer flyten av fine partikler.

Alkoholbaserte skummere er relativt rimelige og effektive, men ytelsen kan variere avhengig av faktorer som pH, mineralsammensetning og reagensinteraksjoner.

3.2 Eterbaserte skummere

Eterbaserte skummere, som polypropylenglykoletere (f.eks. DF-250), brukes også ofte i flotasjon av sjeldne jordarter. Disse skummerne har en tendens til å produsere finere bobler og mer stabile skum sammenlignet med alkoholbaserte skummere. Eterbaserte skummere kan imidlertid være dyrere og kan kreve nøyaktig doseringskontroll.

3.3 Nye skummere

Forskning på nye skummere for flotasjon av sjeldne jordarter fokuserer på å forbedre selektiviteten og skumstabiliteten samtidig som miljøpåvirkningen minimeres. Disse inkluderer biologisk nedbrytbare skummere og skummere med forbedret motstand mot tilstedeværelsen av oljer og andre forurensninger i flotasjonsslurryen.

4 utlutingsreagenser for ionadsorpsjonsmalm av sjeldne jordarter

Ioneadsorpsjon sjeldne jordmalmer er unike ved at de sjeldne jordartelementene adsorberes på overflaten av leirmineraler i stedet for å være låst i mineralstrukturer. Disse malmene behandles vanligvis ved å bruke utvasking i stedet for flotasjon. Utlutingsmidler spiller en kritisk rolle i denne prosessen ved å desorbere de sjeldne jordartsionene fra leiroverflatene.

4.1 Ammoniumsulfatutlekking

Ammoniumsulfat er det mest brukte utlutningsmidlet for ioneadsorpsjon av sjeldne jordmalmer. Ammoniumionene i oppløsning utveksler med sjeldne jordarter på overflaten av leirmineralene, og frigjør dem til oppløsning. Denne metoden er mye brukt på grunn av sin relativt lave kostnad og enkelhet.

Imidlertid kan utlekking av ammoniumsulfat forårsake betydelige miljøproblemer, spesielt når det gjelder ammoniumionforurensning. Det jobbes med å utvikle mer miljøvennlige alternativer.

4.2 Utvasking av natriumklorid og magnesiumsulfat

Natriumklorid og magnesiumsulfat har blitt undersøkt som alternativer til ammoniumsulfat. Disse reagensene fungerer gjennom lignende ionebyttermekanismer, men har fordelen av å være mindre skadelige for miljøet. Imidlertid har de en tendens til å være mindre effektive når det gjelder utvinningsgrad, og ytterligere forskning er nødvendig for å optimalisere bruken.

4.3 Organiske utvaskingsmidler

Organiske utlutingsmidler, som sitronsyre og EDTA, utforskes som miljøvennlige alternativer til konvensjonelle uorganiske utlutingsreagenser. Disse organiske forbindelsene kan effektivt chelatere sjeldne jordarter, noe som gjør dem lettere å trekke ut fra malmen. Kostnaden for disse reagensene er imidlertid en begrensende faktor for deres utbredte bruk.

5 utfellingsmidler for ionadsorpsjon sjeldne jordmalmer

Når sjeldne jordarter er utlutet til løsning, må de utfelles og gjenvinnes. Utfellingsmidler brukes til å danne sjeldne jordartsforbindelser som kan separeres fra utlutingsløsningen.

5.1 Ammoniumbikarbonat

Ammoniumbikarbonat brukes ofte til å utfelle sjeldne jordartsmetallioner fra utlutingsløsninger som sjeldne jordartskarbonater. Denne reagensen er effektiv og relativt rimelig, men den kan produsere store mengder ammoniumholdig avløpsvann, noe som gir miljømessige utfordringer.

5.2 Oksalsyre

Oksalsyre er mye brukt til å utfelle sjeldne jordartsmetaller som sjeldne jordartsoksalater, som deretter kan kalsineres for å produsere sjeldne jordartsmetalloksider. Oksalsyre er svært effektivt, men kan være dyrere enn ammoniumbikarbonat. I tillegg krever håndtering av oksalsyre nøye sikkerhetstiltak på grunn av toksisiteten.

5.3 Nye utfellingsmidler

Forskning pågår for å utvikle mer selektive og miljøvennlige utfellingsmidler for utvinning av sjeldne jordarter. Disse inkluderer organiske syrer, biologisk nedbrytbare reagenser og ionebytterharpikser.

6 Fremtidige retninger og utsikter

Fremtiden for sjeldne jordarters mineralbehandlingsreagenser ligger i utviklingen av mer selektive, effektive og miljøvennlige reagenser. Sentrale områder for fremtidig forskning inkluderer:

• Utvikling av grønne reagenser: Miljøpåvirkningen av flotasjons- og utlutingsreagenser er en stor bekymring, spesielt i sammenheng med prosessering av sjeldne jordarter. Det er et økende behov for utvikling av biologisk nedbrytbare, ikke-giftige reagenser som kan erstatte tradisjonelle kjemikalier som ammoniumsulfat og oksalsyre.

• Forbedring i selektivitet: Nye samlere, depressiva og skummer er nødvendig for å forbedre selektiviteten til flotasjon av sjeldne jordarter, spesielt for lavverdige og komplekse malmer. Dette inkluderer utforskning av nye molekylære strukturer og modifikasjon av eksisterende reagenser.

• Kostnadsreduksjon: De høye kostnadene for enkelte sjeldne jordartsmetallreagenser, spesielt hydroksamsyrer og fosfonsyrer, er en begrensende faktor for deres utbredte bruk. Fremtidig forskning bør fokusere på syntese av rimeligere alternativer eller på å forbedre effektiviteten til eksisterende reagenser for å redusere doseringskravene.

• Bærekraftig miljø: Med økende regelverk over hele verden som tar sikte på å redusere miljøpåvirkningen fra gruvedrift, blir utviklingen av miljømessig bærekraftig prosesseringsteknologi for sjeldne jordarter viktigere. Dette inkluderer å minimere bruken av skadelige kjemikalier og redusere generering av avfall og forurensning.

Som konklusjon er prosessering av sjeldne jordartsmetaller sterkt avhengig av bruk av kjemiske reagenser, og pågående forskning er avgjørende for å forbedre effektiviteten, selektiviteten og bærekraften til disse reagensene. Utviklingen av nye, grønnere reagenser vil være avgjørende for fremtiden for nyttiggjøring av sjeldne jordarter, ettersom den globale etterspørselen etter disse kritiske mineralene fortsetter å øke.