Sisältö
- Harvinaisten maametallien elementit eivät ole "harvinaisia"
- Harvinaisten maametallien pitoisuudet
- Alkaliset, tyypilliset kivit ja magmat
- Harvinaisten maametallien malmiluokitus
- Harvinaisten maametallien tallettajat
- Harvinaisten maametallien jäljellä olevat talletukset
- Harvinaisten maametallien elementit pegmatiiteissa
- Muut harvinaisten maametallien talletustyypit
- Mineraalien käsittely haasteisiin
- Monimutkainen mineraalien käsittely
Harvinaisten maametallien elementtikartta: Yhdysvaltojen harvinaisten maametallien piirit sijaitsevat pääasiassa lännessä. Tämä kartta näyttää mahdollisten tuotantopaikkojen sijainnin - suurenna karttaa nähdäksesi kaikki sijainnit.
Harvinaisten maametallien elementit eivät ole "harvinaisia"
Useat geologiset näkökohdat harvinaisten maametallien luonnollisesta esiintymisestä vaikuttavat voimakkaasti harvinaisten maametallien raaka-aineiden tarjontaan. Nämä geologiset tekijät esitetään tosiasioina, joita seuraa yksityiskohtainen keskustelu.
Harvinaisten maametallien elementtien arvioitu keskimääräinen pitoisuus maankuoressa, joka vaihtelee välillä 150 - 220 miljoonasosaa (taulukko 1), ylittää monien muiden teollisuusmittauksessa louhittujen metallien, kuten kuparin (55 osaa kohti) miljoonaa) ja sinkkiä (70 osaa miljoonaa). Toisin kuin useimmat kaupallisesti louhitut perusmetallit ja jalometallit, harvinaiset maametallielementit on kuitenkin keskittynyt harvoin kaivoksellisiin malmiesiintymiin.
Harvinaisten maametallien pitoisuudet
Harvinaisten maametallien pääasialliset pitoisuudet liittyvät harvinaisten muinaisten kivien, nimittäin alkaalisten kivien ja hiilihappojen, lajikkeisiin. REE: tä sisältävien mineraalien mahdollisesti käyttökelpoiset pitoisuudet löytyvät myös placeriesiintymistä, muinaisten kivien syvästä säästä muodostuvista jäännössaostumista, pegmatiiteista, rautaoksidista, kuparikulta-saostumista ja merifosfaateista (taulukko 2).
Pöytä 1. Arviot harvinaisten maametallien kuoripitoisuudesta.
Alkaliset, tyypilliset kivit ja magmat
Emäksiset tuhat kivet muodostuvat magmien jäähdytyksestä, joka johtuu kivien pienestä osittaisesta sulamisesta maan vaipassa. Emäksisten kivien muodostuminen on monimutkaista eikä sitä täysin ymmärretä, mutta sitä voidaan ajatella geologisena prosessina, joka erottaa ja väkevöi ne elementit, jotka eivät sovi yhteisten kiviaineksen muodostavien mineraalien rakenteeseen.
Tuloksena olevat alkaliset magmat ovat harvinaisia ja epätavallisen rikastettuja elementeissä, kuten zirkonium, niobium, strontium, barium, litium ja harvinaiset maametallielementit. Kun nämä magmat nousevat maankuoreen, niiden kemiallinen koostumus muuttuu edelleen vastauksena ympäröivien kivien paineen, lämpötilan ja koostumuksen muutoksiin. Tuloksena on hämmästyttävä monimuotoisuus kivimuodoista, jotka ovat rikastettu vaihtelevasti taloudellisilla tekijöillä, mukaan lukien harvinaiset maametallielementit. Näihin kiviin liittyvät mineraaliesiintymät ovat myös melko erilaisia ja hankalia luokitella, koska näiden esiintymien erityispiirteet ja niiden harvinaisuus voivat johtaa luokituksiin, joissa on vain yksi tai muutama tunnettu esimerkki.
Harvinaisten maametallien geologinen kartta: Yleinen geologinen kartta suurimmalle osalle Mountain Passin harvinaisten maametallien piiristä, Kalifornian eteläosassa. Ainoastaan edustava vähemmistö sadoista shkinkiitti-, syeniitti- ja karbonatiittisistä padoista esitetään. Laajalle levinneitä andesiittisia ja rolyoliittisiä padoja, jotka ovat mesozoisia tai tertiäärisiä, ei ole esitetty. USGS: n avoimen tiedoston raportista 2005-1219. Suurenna kartta
Harvinaisten maametallien malmiluokitus
Myös alkalikiveihin liittyvien malmien luokittelu on kiistanalaista. Taulukossa 2 on esitetty suhteellisen yksinkertainen luokittelu, joka seuraa analogisia luokkia muille kuin kalsiinisille muille kiville liittyville saostumille. Jotkut epätavallisemmista alkalisista kiviaineksista, joissa isännöidään tai niihin liittyy REE-malmeja, ovat karboniitti ja foskoriitti, tuhkamit kivit, jotka koostuvat pääasiassa karbonaatti- ja fosfaattimineraaleista. Karbonatiitit ja erityisesti foskoriitit ovat suhteellisen harvinaisia, koska maailmassa on vain 527 tunnettuja hiilihappohiilejä (Woolley ja Kjarsgaard, 2008). REE: tä sisältävien mineraalien taloudelliset pitoisuudet esiintyvät joissakin alkalisissa kivissä, narskoissa ja karbonaattikorvaavissa talletuksissa, jotka liittyvät alkaliseen tunkeutumiseen, suoniin ja padoihin, jotka leikkaavat alkalisia muinaisia komplekseja ja niitä ympäröiviä kiviä, sekä maaperässä ja muissa alkalisten kivien säänkestävissä tuotteissa.
REE-jaksollinen taulukko: Harvinaisten maametallien elementit ovat 15 lantanidisarjaelementtiä sekä yttrium. Skandiumia esiintyy useimmissa harvinaisten maametallien esiintymissä, ja se luokitellaan joskus harvinaisten maametallien alkuaineiksi. Kuva:.
Harvinaisten maametallien tallettajat
Kaikentyyppisten kivien säänkestävyys tuottaa sedimenttejä, jotka laskeutuvat monenlaisiin ympäristöihin, kuten puroihin ja jokiin, rantaviivoihin, tuuletusaukkoihin ja suistoihin. Eroosioprosessissa tiivistetään tiheämpiä mineraaleja, etenkin kultaa, talletuksiin, jotka tunnetaan asettajina. Erosiotuotteiden lähteestä riippuen tietyt harvinaisten maametallien elementtejä sisältävät mineraalit, kuten monasiitti ja ksenotimi, voidaan tiivistää muiden raskaiden mineraalien kanssa.
Lähteen ei tarvitse olla emäksinen muinaiskivi tai siihen liittyvä harvinaisten maametallien esiintymä. Monet tavanomaiset muhattomat, metamorfiset ja jopa vanhemmat sedimenttikivet sisältävät tarpeeksi monasiittia monaasiittia sisältävän placerin tuottamiseksi. Seurauksena on, että monasiittia löytyy melkein aina mistä tahansa placer-talletuksesta. Sellaiset sijoittimet, joilla on suurimmat pitoisuudet monasiittia, ovat kuitenkin tyypillisesti ilmeniittiraskaisia mineraalipohjaisia sijoittimia, jotka on kaivostettu titaanioksidipigmenttejä varten, ja kasettiritiisit, joita louhitaan tinaan.
Iron Hillin harvinaisten maametalliesiintymät: Luoteeseen päin oleva näkymä Iron Hillistä, Gunnison County, Colorado. Rautamäki muodostuu massiivisesta karbonatiittikannasta, joka muodostaa emäksisen tunkeilevan kompleksin keskuksen. Tämä kompleksi isännöi monia mineraalivarantoja, mukaan lukien titaani, niobium, harvinaisten maametallien elementit ja torium. USGS-kuva.
Harvinaisten maametallien jäljellä olevat talletukset
Trooppisessa ympäristössä kiviä säästeli syvästi, jotta muodostuu ainutlaatuinen maaperän profiili, joka koostuu lateriitista, rauta- ja alumiinirikasta maaperästä, jopa monien kymmenien metrien paksuudelta. Maaperän muodostumisprosessit keskittävät yleensä raskaat mineraalit jäännössaostumina, mikä johtaa rikastetun metallikerroksen alla olevan, kostean kallioperän päälle.
Kun harvinaisten maametallien talletuksessa tapahtuu tällainen sää, se voi rikastua harvinaisten maametallien alkuaineiksi taloudellisesti kiinnostavina pitoisuuksina. Erityinen REE-talletuksen tyyppi, ioni-absorptio tyyppi, muodostuu harvinaisten maametallien elementtien huuhtoutumisesta näennäisesti tavallisista tuntemattomista kivistä ja elementtien kiinnittämisellä maaperän saviin. Nämä talletukset ovat tiedossa vain Etelä-Kiinassa ja Kazakstanissa, ja niiden muodostuminen on huonosti ymmärrettävää.
Harvinaisten maametallien elementit pegmatiiteissa
Pegmatiittien joukossa ryhmä erittäin karkeita rakeisia tunkeilevia tuntemattomia kiviä, niobium-yttrium-fluoriperhe, käsittää suuren määrän alatyyppejä, jotka on muodostettu eri geologisissa ympäristöissä. Nämä alatyypit ovat koostumuksiltaan graniittisia ja niitä havaitaan yleensä perifeerisesti suuriin graniittisiin tunkeutumisiin. Yleensä harvinaisten maametallien elementtejä kantavat pegmatiitit ovat kuitenkin yleensä pieniä, ja ne ovat taloudellisesti kiinnostavia vain mineraalien kerääjille.
Muut harvinaisten maametallien talletustyypit
Rautaoksidi-kuparikulta -tyyppinen talletukset on tunnistettu erilliseksi talletuksityypiksi vasta sen jälkeen kun jättiläinen olympiapatamien talletus löydettiin Etelä-Australiasta 1980-luvulla. Olympic Dam -talletus on epätavallinen, koska se sisältää suuria määriä harvinaisia maametallielementtejä ja uraania. Taloudellista menetelmää harvinaisten maametallien talteenottamiseksi näistä esiintymistä ei ole vielä löydetty. Monia muita tämän tyyppisiä esiintymiä on tunnistettu ympäri maailmaa, mutta niiden harvinaisten maametallien pitoisuuksista puuttuu yleensä tietoa. Hienoja määriä harvinaisia maametallielementtejä on tunnistettu myös magnetiitti-apatiittien korvauskerrostumissa.
Karstin bauksiitit, alumiinirikkaat maaperät, jotka kerääntyvät kavernoottiseen kalkkikiveen (karstin topografia) Montenegrossa ja muualla, ovat rikastettuja harvinaisten maametallien elementeillä, mutta niistä johtuvat pitoisuudet eivät ole taloudellisen edun mukaisia (Maksimovic ja Pantó, 1996). Sama voidaan sanoa merifosfaattiesiintymistä, jotka voivat sisältää jopa 0,1 prosenttia REE-oksideja (Altschuler ja muut, 1966). Seurauksena on harvinaisten maametallien elementtien talteenotto fosfaattilannoitteiden valmistuksen sivutuotteena.
Mineraalien käsittely haasteisiin
Monissa perus- ja jalometalliesiintymissä uutetut metallit ovat väkevöityjä yhteen mineraalifaasiin, kuten kupari kalkopyriitissä (CuFeS2) tai sinkki sphaleriitissa (ZnS). Yhden mineraalifaasin erottaminen kivistä on suhteellisen helppo tehtävä. Lopputuote on tiiviste, joka tyypillisesti lähetetään sulattoon metallien lopullista uuttamista ja puhdistamista varten. Esimerkiksi sinkki on melkein kokonaan johdettu mineraalifaleriitista, joten maailmanlaajuinen sinkin sulatus- ja jalostusteollisuus on kehittänyt tämän mineraalin erittäin erikoistuneen käsittelyn. Sinkin tuotannolla on siten huomattava kustannusetu siinä mielessä, että käytetään yhtä standarditekniikkaa, ja uuden sinkikaivoksen kehittäminen on pitkälti tavanomainen prosessi.
Nykyinen mineraalien käsittelykäytäntö kykenee erottamaan useita mineraalifaaseja peräkkäin, mutta se ei ole aina kustannustehokasta. Kun mielenkiintoisia elementtejä löydetään kahdesta tai useammasta mineraalivaiheesta, joista kukin vaatii erilaisen uuttamistekniikan, mineraalien käsittely on suhteellisen kallista. Monet harvinaisten maametallien esiintymät sisältävät kaksi tai useampia harvinaisten maametallien elementtiä kantavia vaiheita. Siksi harvinaisten maametallien esiintymissä, joissa harvinaisten maametallien elementit on keskittynyt suurimmaksi osaksi yhteen mineraalifaasiin, on kilpailuetu.Tähän päivään mennessä REE-tuotanto on suurelta osin peräisin yhden mineraalivaiheen talletuksista, kuten Bayan Obo (bastnasiitti), Mountain Pass (bastnasiitti) ja raskasmineraalisten asettoreiden (monasiitti).
Monimutkainen mineraalien käsittely
Harvinaisten maametallien elementtejä sisältävät mineraalit, kun ne on erotettu, sisältävät jopa 14 yksittäistä harvinaisten maametallien elementtejä (lantanidit ja yttrium), jotka on erotettava edelleen ja puhdistettava. Harvinaisten maametallien uuttamisen ja puhdistamisen monimutkaisuutta kuvaa metallurginen virtauslehti Kalifornian Mountain Pass -kaivokselle (kuva 2). Toisin kuin metallisulfidit, jotka ovat kemiallisesti yksinkertaisia yhdisteitä, REE: tä sisältävät mineraalit ovat melko monimutkaisia. Perusmetallisulfidimalmit, kuten sphaleriitti (ZnS), tyypillisesti sulatetaan rikin polttamiseksi ja epäpuhtauksien erottamiseksi sulasta metallista. Tuloksena oleva metalli puhdistetaan edelleen lähes puhtauteen elektrolyysillä. Harvinaiset maametallielementit puolestaan uutetaan ja puhdistetaan tyypillisesti kymmenillä kemiallisilla prosesseilla erilaisten harvinaisten maametallien erottamiseksi ja epäpuhtauksien poistamiseksi.
Tärkeimmät haitalliset epäpuhtaudet REE: tä sisältävissä mineraaleissa ovat torium, joka antaa malmeille ei-toivotun radioaktiivisuuden. Koska radioaktiivisia aineita on vaikea kaivoa ja käsitellä turvallisesti, niitä säädellään tiukasti. Kun syntyy radioaktiivista jätettä, on käytettävä erityisiä hävitysmenetelmiä. Radioaktiivisen materiaalin käsittely- ja hävittämiskustannukset ovat vakava este radioaktiivisimmista REE-rikkaista mineraaleista, erityisesti monasiitista, joka sisältää tyypillisesti huomattavia määriä toriumia, taloudellista talteenottoa. Itse asiassa tiukempien säännösten asettaminen radioaktiivisten mineraalien käyttöön ajoi mononatsilähteitä monia harvinaisten maametallien markkinoista 1980-luvulla.
Harvinaisten maametallien monimutkainen metallurgia yhdistää se, että kaksi REE-malmia eivät ole todella samanlaisia. Seurauksena on, ettei ole olemassa standardimenetelmää REE: tä sisältävien mineraalien uuttamiseksi ja jalostamiseksi markkinoitavissa oleviksi harvinaisten maametallien yhdisteiksi. Uuden harvinaisten maametallien kaivoksen kehittämiseksi malmit on testattava perusteellisesti käyttämällä erilaisia tunnettuja uuttamismenetelmiä ja ainutlaatuista optimoitujen käsittelyvaiheiden jaksoa. Uuteen sinkikaivokseen verrattuna harvinaisten maametallien elementtien prosessikehitys maksaa huomattavasti enemmän aikaa ja rahaa.