Bastnazyt to grupa fluorowęglanów ziem rzadkich minerały który obejmuje bastnäsite-(Ce), bastnäsite-(La) i bastnäsite-(Y), przy czym każdy typ nazwany jest na cześć dominującego pierwiastka ziem rzadkich, który zawiera (odpowiednio cer, lantan i itr). Minerały te są zazwyczaj brązowe, czerwonobrązowe lub żółtawe i mają szklisty lub żywiczny połysk. Występują głównie w bogatych w węglany złoża hydrotermalne, często kojarzone z innymi minerałami ziem rzadkich, takimi jak monacyt i ksenotym.
Historia i odkrycie
Bastnäsite został odkryty po raz pierwszy w 1838 roku w Bastnäs w Szwecji, skąd wzięła się jego nazwa. Został zidentyfikowany w odpadach kopalni Bastnäs, które były wydobywane głównie w celu miedź i kobalt. Unikalne właściwości bastnäsytu, takie jak wysoka zawartość ceru i innych pierwiastków ziem rzadkich, doprowadziły do wzrostu zainteresowania tym minerałem. Od czasu odkrycia bastnäsyt depozyty Znaleziono je także w innych miejscach na całym świecie, m.in. w Chinach, Stanach Zjednoczonych i na Madagaskarze.
Znaczenie w kontekście pierwiastków ziem rzadkich
Bastnäsite jest kluczowym źródłem pierwiastki ziem rzadkich (REE), w szczególności lekkie pierwiastki ziem rzadkich (LREE), takie jak cer, lantan i neodym. Pierwiastki te są niezbędne do różnych zastosowań high-tech, w tym do produkcji magnesów trwałych, konwerterów katalitycznych i fosforów do oświetlenia i wyświetlaczy. Złoża Bastnäsite są znaczące, ponieważ często zawierają wysokie stężenia REE, co czyni je ekonomicznie opłacalnymi do wydobycia i przetwarzania. Minerał ten stał się coraz ważniejszy ze względu na rosnące zapotrzebowanie na REE w technologiach energii odnawialnej, elektronice i innych zaawansowanych gałęziach przemysłu. W rezultacie Bastnäsite odgrywa kluczową rolę w globalnych łańcuchach dostaw materiałów krytycznych.
Spis treści
Skład chemiczny i struktura bastnazytu
Skład chemiczny
Bastnäsite to minerał fluorowęglanowy o ogólnym wzorze chemicznym (REE)CO3F\text{(REE)}\text{CO}_3\text{F}(REE)CO3F, gdzie „REE” oznacza pierwiastki ziem rzadkich, głównie cer (Ce), lantan (La) i itr (Y). Konkretny skład może się różnić w zależności od dominującego pierwiastka ziem rzadkich, co skutkuje różnymi odmianami minerału:
- Bastnäsite-(Ce): CeCO3F\tekst{CeCO}_3\tekst{F}CeCO3F
- Bastnäsite-(La): LaCO3F\tekst{LaCO}_3\tekst{F}LaCO3F
- Bastnäsite-(Y): YCO3F\tekst{YCO}_3\tekst{F}YCO3F
Oprócz tych podstawowych pierwiastków, bastnäsyt może również zawierać śladowe ilości innych pierwiastków ziem rzadkich, takich jak neodym (Nd), prazeodym (Pr) i samar (Sm). Obecność fluoru (F) w jego strukturze odróżnia go od innych minerałów ziem rzadkich, takich jak monacyt i ksenotym, które są fosforanami.
Struktura krystaliczna
Bastnäsite krystalizuje w heksagonalnym układzie krystalicznym, konkretnie w grupie przestrzennej P63/mmcP6_3/mmcP63/mmc. Jego struktura składa się z warstw kationów ziem rzadkich (takich jak Ce, La lub Y) skoordynowanych z atomami tlenu z grup węglanowych (CO32−\text{CO}_3^{2-}CO32−), przy czym płaszczyzny węglanowe występują naprzemiennie z warstwami zawierającymi atomy fluoru. Grupy węglanowe są trygonalne, a każdy kation REE jest otoczony przez dziewięć atomów tlenu, tworząc trójkapturową geometrię koordynacyjną pryzmatyczną.
Ta warstwowa struktura pozwala na znaczną elastyczność w składzie minerału, dostosowując różne pierwiastki ziem rzadkich do sieci krystalicznej. Obecność fluoru dodatkowo stabilizuje strukturę, wpływając na właściwości fizyczne minerału, takie jak jego względna miękkość (twardość w skali Mohsa 4–4.5) i jego właściwości rozszczepiania.
Implikacje strukturalne
Unikalna struktura bastnäsytu przyczynia się do jego znaczenia jako źródła pierwiastków ziem rzadkich. Obecność dużych kationów, takich jak cer i lantan w sieci, umożliwia stosunkowo łatwą ekstrakcję tych pierwiastków podczas wydobycia i przetwarzania. Ponadto stabilność minerału w środowiskach hydrotermalnych sprawia, że jest on doskonałym wskaźnikiem procesów geologicznych związanych ze stężeniami pierwiastków ziem rzadkich, przyczyniając się do zrozumienia powstawania rud REE.
Występowanie geologiczne Bastnäsite
Rodzaje depozytów
Bastnäsyt występuje głównie w dwóch typach złóż: pierwotny i wtórny.
- Depozyty pierwotne:
Pierwotne złoża bastnäsytu są związane z karbonatytem i alkalicznymi kompleksami magmowymi. Złoża te powstają, gdy pierwiastki ziem rzadkich są koncentrowane przez procesy magmowe, szczególnie w magmach bogatych w węglany. Gdy magmy te stygną i krystalizują, bastnäsyt tworzy się jako minerał pierwotny, często wraz z innymi minerałami ziem rzadkich, takimi jak monacyt i ksenotym. Kompleksy karbonatytowe, które są rzadkimi formacjami skał magmowych składającymi się głównie z minerałów węglanowych, są najważniejszymi pierwotnymi źródłami bastnäsytu. Przykłady takich złóż obejmują złoże Bayan Obo w Chinach i Góra Przekaż depozyt w Stanach Zjednoczonych. - Depozyty wtórne:
Wtórne złoża bastnasytu tworzą się poprzez zwietrzenie i zmiana pierwotnych złóż. Gdy pierwotny karbonatyt lub alkaliczny skały ulegają wietrzeniu chemicznemu, bastnäsyt może być skoncentrowany w glebach resztkowych lub aluwialnych osadach. Te wtórne osady są zazwyczaj znajdowane w regionach, w których pierwotne osady były narażone na długotrwałe wietrzenie. W takich przypadkach bastnäsyt można znaleźć wraz z innymi zwietrzałymi minerałami w glebach laterytowych lub w korytach strumieni, gdzie gromadzą się ciężkie minerały.
Główne lokalizacje globalne
Bastnäsite występuje w kilku kluczowych lokalizacjach na całym świecie, gdzie jest często wydobywany jako główne źródło pierwiastków ziem rzadkich. Główne złoża globalne obejmują:
- Chiny:
Chiny są największym na świecie producentem bastnäsitu i innych pierwiastków ziem rzadkich. Najważniejszy depozyt znajduje się w Bayana Obo w Mongolii Wewnętrznej, które jest największym znanym złożem bastnäsytu na świecie. Złoże to znajduje się w gigantycznym kompleksie karbonatytowym i jest głównym źródłem lekkich pierwiastków ziem rzadkich, takich jak cer, lantan i neodym. Inne godne uwagi złoża chińskie to złoża Weishan i Mianning. - Stany Zjednoczone:
Opona Górskie przejście złoże w Kalifornii jest jednym z najbardziej znanych złóż bastnäsite poza Chinami. Odkryte w latach 1940. XX wieku, Mountain Pass było wiodącym światowym źródłem pierwiastków ziem rzadkich od lat 1960. XX wieku do początku XXI wieku. Złoże jest związane z intruzją karbonatytową i zawiera wysokie stężenia lekkich pierwiastków ziem rzadkich. Po okresie zamknięcia, wydobycie w Mountain Pass zostało wznowione w 2000 roku, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na pierwiastki ziem rzadkich. - Kanada:
Kanada jest gospodarzem kilku złóż zawierających bastnäsyt, szczególnie w kompleksach karbonatytowych. Godne uwagi przykłady obejmują Nechalacho depozyt na Terytoriach Północno-Zachodnich i Dziwne Jezioro złoża w Quebecu. Złoża te są znaczącymi źródłami zarówno lekkich, jak i ciężkich pierwiastków ziem rzadkich i są badane pod kątem potencjalnego zagospodarowania w celu dywersyfikacji globalnej podaży pierwiastków ziem rzadkich. - Madagaskar:
Opona Ambatofinandrahan złoże na Madagaskarze zawiera znaczne stężenia bastnazytu w połączeniu z karbonatytem i alkaliami skały magmowe. Złoże to, choć nie tak duże jak w Chinach czy Stanach Zjednoczonych, przyczynia się do globalnego zaopatrzenia w pierwiastki ziem rzadkich. - Grenlandia:
Grenlandia jest domem dla Kvanefjeld i Tanbreez złoża, które zawierają bastnäsyt i inne rzadkie minerały ziemne. Złoża te są częścią kompleksu alkalicznego Ilímaussaq i są bogate zarówno w lekkie, jak i ciężkie pierwiastki ziem rzadkich. Złoża Grenlandii przyciągają międzynarodową uwagę ze względu na ich potencjał jako nowych źródeł pierwiastków ziem rzadkich. - Australia:
W Australii bastnazyt występuje w kilku miejscach, m.in. Mocowanie spoiny złoże w Australii Zachodniej. Mount Weld jest jednym z najczystszych złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie i jest aktywnie eksploatowane. Złoże znajduje się w głęboko zwietrzałym karbonatycie i wyróżnia się wysokim stężeniem zarówno lekkich, jak i ciężkich pierwiastków ziem rzadkich.
Te lokalizacje podkreślają różnorodność geologiczną występowania bastnäsitu, od pierwotnych złóż w kompleksach karbonatytowych do wtórnych koncentracji w zwietrzałych glebach i osadach aluwialnych. Globalna dystrybucja bastnäsitu ma kluczowe znaczenie dla dostaw pierwiastków ziem rzadkich, zwłaszcza w świecie coraz bardziej zależnym od tych materiałów w zastosowaniach high-tech i technologiach energii odnawialnej.
Zastosowania i wykorzystanie Bastnäsitu
Źródło pierwiastków ziem rzadkich dla różnych gałęzi przemysłu
Bastnäsite jest jednym z głównych źródeł lekkich pierwiastków ziem rzadkich (LREE), takich jak cer, lantan i neodym, które są kluczowe dla różnych zastosowań high-tech i przemysłowych. Te pierwiastki ziem rzadkich wydobywane z bastnäsite są wykorzystywane w kilku kluczowych gałęziach przemysłu:
- Elektronika:
Pierwiastki ziem rzadkich z bastnäsitu, takie jak neodym i prazeodym, są niezbędne do produkcji wysokowydajnych magnesów stosowanych w urządzeniach elektronicznych, takich jak smartfony, słuchawki i dyski twarde komputerów. Cer i lantan są również wykorzystywane do produkcji specjalnego szkła do soczewek optycznych i czujników aparatów fotograficznych, a także w proszkach polerskich do rafinacji powierzchni szklanych. - Magnesy:
Jednym z najważniejszych zastosowań pierwiastków ziem rzadkich z bastnäsytu jest produkcja magnesy neodymowo-żelazowo-borowe (NdFeB).. Te magnesy są najsilniejszym rodzajem dostępnych magnesów trwałych i są szeroko stosowane w różnych zastosowaniach, w tym w silnikach pojazdów elektrycznych, generatorach turbin wiatrowych i dyskach twardych. Neodym ekstrahowany z bastnäsytu jest krytycznym składnikiem tych silnych magnesów ze względu na jego wysoką siłę magnetyczną i odporność na rozmagnesowanie. - Szkło i Ceramika:
Tlenek ceru, otrzymywany z bastnäsytu, jest stosowany do polerowania i odbarwiania szkła. Służy jako środek polerujący do precyzyjnej optyki i powierzchni szklanych. Ponadto cer i lantan są stosowane do poprawy właściwości optyczne szkła, czyniąc je bardziej odpornym na promieniowanie ultrafioletowe i poprawiając jego przejrzystość. W ceramice elementy te przyczyniają się do produkcji specjalistycznych wyrobów szklanych i ceramicznych o wysokiej odporności na szok termiczny i korozję chemiczną.
Rola w technologiach energii odnawialnej
Bastnäsite odgrywa kluczową rolę w rozwoju technologii energii odnawialnej dzięki zawartości pierwiastków ziem rzadkich:
- Turbiny wiatrowe:
Pierwiastki ziem rzadkich, takie jak neodym i dysproz, które można pozyskać z bastnäsitu, są niezbędne do produkcji magnesów trwałych stosowanych w generatorach turbin wiatrowych. Magnesy te są kluczowe dla wydajności i niezawodności turbin wiatrowych z napędem bezpośrednim, które nie wymagają przekładni, a tym samym oferują mniejsze wymagania konserwacyjne i wyższą wydajność. To sprawiło, że pierwiastki ziem rzadkich stały się niezbędne dla rozwoju energii wiatrowej jako zrównoważonego źródła energii. - Pojazdy elektryczne (EV):
Neodym z bastnäsytu jest używany do produkcji mocnych, lekkich magnesów niezbędnych do silników pojazdów elektrycznych (EV). Te magnesy ziem rzadkich zapewniają wysoki moment obrotowy i wydajną pracę, które są krytyczne dla działania pojazdów elektrycznych. Rosnąca adopcja pojazdów elektrycznych w ramach globalnych wysiłków na rzecz redukcji emisji dwutlenku węgla zwiększyła popyt na bastnäsyt jako źródło pierwiastków ziem rzadkich. - Panele słoneczne:
Niektóre pierwiastki ziem rzadkich uzyskane z bastnäsitu, takie jak lantan i cer, są stosowane w określonych powłokach i fosforach do paneli słonecznych. Materiały te mogą zwiększyć wydajność ogniw fotowoltaicznych poprzez poprawę absorpcji światła i współczynników konwersji, przyczyniając się w ten sposób do bardziej efektywnego pozyskiwania energii słonecznej.
Zastosowanie w katalizatorach i fosforach
Pierwiastki ziem rzadkich pochodzące z bastnäsytu są również wykorzystywane w produkcji katalizatorów i fosforów:
- katalizatory:
Cer, pierwiastek ziem rzadkich wydobywany z bastnäsytu, jest szeroko stosowany w samochodowych katalizatorach. Katalizatory te pomagają zmniejszyć szkodliwe emisje z pojazdów poprzez przekształcanie toksycznych gazów, takich jak tlenek węgla (CO), węglowodory (HC) i tlenki azotu (NOx), w mniej szkodliwe substancje, takie jak dwutlenek węgla (CO₂) i azot (N₂). Katalizatory na bazie ceru są również stosowane w ropa naftowa przemysł zajmujący się fluidalnym krakingiem katalitycznym (FCC) – procesem rozkładającym duże cząsteczki węglowodorów na bardziej wartościowe składniki benzyny i oleju napędowego. - Fosfory:
Pierwiastki ziem rzadkich, takie jak europ, terb i itr, często występujące w złożach bastnäsytu, są kluczowymi składnikami fosforów. Materiały te są wykorzystywane w produkcji diod elektroluminescencyjnych (LED), lamp fluorescencyjnych i ekranów wyświetlaczy do telewizorów, komputerów i smartfonów. Fosfory wykonane z pierwiastków ziem rzadkich zapewniają jasne, trwałe i energooszczędne oświetlenie i wyświetlacze.
Bastnäsite to kluczowy minerał dla licznych zastosowań high-tech i przemysłowych. Jest głównym źródłem pierwiastków ziem rzadkich, które są niezbędne do produkcji zaawansowanej elektroniki, silnych magnesów, wyrobów szklanych i ceramicznych, technologii energii odnawialnej, katalizatorów samochodowych i fosforów do oświetlenia i wyświetlaczy. Wraz ze wzrostem światowego popytu na te zastosowania, znaczenie bastnäsite jako strategicznego zasobu w łańcuchu dostaw pierwiastków ziem rzadkich prawdopodobnie wzrośnie, podkreślając jego krytyczną rolę w nowoczesnej technologii i zrównoważonych rozwiązaniach energetycznych.
Przetwarzanie i rafinacja Bastnäsitu
Przetwarzanie i rafinacja bastnäsitu w celu ekstrakcji pierwiastków ziem rzadkich (REE) obejmują kilka etapów, w tym wydobycie, wzbogacanie, ekstrakcję chemiczną, separację i oczyszczanie. Ze względu na złożoność mineralogia, przetwarzanie bastnäsytu wymaga specjalistycznych technik pozwalających na efektywne odzyskiwanie cennych pierwiastków ziem rzadkich, przy jednoczesnym minimalizowaniu wpływu na środowisko.
1. Górnictwo i wzbogacanie
- Górnictwo:
Bastnäsite jest zazwyczaj wydobywany z kopalni odkrywkowych lub podziemnych, w zależności od głębokości złoża i cech geologicznych. Po wydobyciu surowa ruda jest transportowana do zakładu przetwórczego w celu dalszej obróbki. - Korzyści:
Pierwszym krokiem w przetwarzaniu rudy bastnäsite jest wzbogacanie, którego celem jest koncentracja minerałów ziem rzadkich i usunięcie niepożądanych materiałów, takich jak krzemiany i węglany. Osiąga się to poprzez połączenie metod fizycznych, takich jak: kruszenie, mielenie i flotacja.- Kruszenie i mielenie: Rudę kruszy się na małe cząstki, aby uwolnić minerał bastnäsite z otaczającej skały. Następnie następuje mielenie, które jeszcze bardziej zmniejsza rozmiar cząstek, aby zwiększyć wydajność kolejnych procesów separacji.
- Flotacja: Zmielona ruda jest poddawana flotacji pianowej, w której dodawane są substancje chemiczne (kolektory, spieniacze i modyfikatory), aby selektywnie przyłączyć cząstki bastnäsytu do pęcherzyków powietrza. Pęcherzyki unoszą się na powierzchnię, tworząc pianę, którą można zebrać, koncentrując bastnäsyt, a jednocześnie usuwając odpady. W rezultacie powstaje bogaty w bastnäsyt koncentrat, który zazwyczaj zawiera 60–70% tlenków ziem rzadkich (REO).
2. Ekstrakcja chemiczna i rozkład
- Prażenie i ługowanie kwasem:
Koncentrat bastnäsitu jest często prażony w wysokich temperaturach (600-800°C), aby usunąć węglany, fluorki i wszelkie pozostałe minerały gangowe. Proces ten przekształca również cer, główny składnik bastnäsitu, z jego stanu trójwartościowego (Ce^3+) w stan czterowartościowy (Ce^4+), co ułatwia jego usuwanie w kolejnych etapach. Po prażeniu materiał jest poddawany ługowanie kwasowe (zwykle przy użyciu kwasu solnego lub siarkowego), aby rozpuścić pierwiastki ziem rzadkich w roztworze, pozostawiając nierozpuszczalne zanieczyszczenia. - Strącanie i ekstrakcja rozpuszczalnikiem:
Odciek, który zawiera mieszaninę chlorków metali ziem rzadkich, przechodzi kilka etapów wytrącania w celu usunięcia niepożądanych pierwiastków, takich jak żelazo, aluminiumi wapnia. Następnie oczyszczony roztwór poddaje się obróbce za pomocą ekstrakcji rozpuszczalnikiem, proces, w którym rozpuszczalniki organiczne selektywnie wiążą się ze specyficznymi pierwiastkami ziem rzadkich, oddzielając je na podstawie ich różnych powinowactw chemicznych. Proces ten jest powtarzany wielokrotnie w celu osiągnięcia wysokiego poziomu separacji i czystości dla każdego pojedynczego pierwiastka ziem rzadkich.
3. Separacja i oczyszczanie
- Wymiana jonów:
Po ekstrakcji rozpuszczalnikiem pozostały roztwór można dalej rafinować za pomocą technik wymiany jonowej. Żywice jonowymienne selektywnie adsorbują określone jony ziem rzadkich z roztworu, umożliwiając dalszą separację blisko spokrewnionych pierwiastków, takich jak neodym i prazeodym. Ta metoda jest szczególnie przydatna do osiągania wysokich poziomów czystości wymaganych w specjalistycznych zastosowaniach, takich jak elektronika i optyka. - Kalcynacja i redukcja:
Oddzielone związki ziem rzadkich są następnie wytrącane, filtrowane i suszone w celu wytworzenia tlenków ziem rzadkich. Tlenki te można dalej rafinować poprzez prażenie, proces polegający na podgrzaniu ich do wysokiej temperatury w celu usunięcia wszelkiej resztkowej wilgoci, materiałów organicznych lub innych zanieczyszczeń. Aby wytworzyć metaliczne metale ziem rzadkich, tlenki poddaje się działaniu proces redukcji, takie jak elektroliza lub redukcja metalotermiczna, zazwyczaj z użyciem wapnia lub aluminium.
4. Uwarunkowania środowiskowe
Przetwarzanie bastnäsitu w celu ekstrakcji pierwiastków ziem rzadkich wiąże się z obsługą niebezpiecznych chemikaliów i generowaniem znacznych ilości odpadów, w tym kwaśnych ścieków, pozostałości radioaktywnych (jeśli występuje tor) i stałych materiałów odpadowych. Aby złagodzić te skutki:
- Gospodarowanie odpadami: Odpady flotacyjne, pozostałości po wypłukiwaniu i ścieki z procesów ekstrakcji rozpuszczalnikiem muszą być starannie zagospodarowywane, aby zapobiec zanieczyszczeniu środowiska.
- Recykling i odzyskiwanie: Opracowywanie zamkniętych systemów recyklingu odczynników i odzyskiwania pierwiastków ziem rzadkich ze strumieni odpadów staje się coraz ważniejsze w ograniczaniu zużycia zasobów i produkcji odpadów.
- Postępowanie z pierwiastkami radioaktywnymi: W niektórych złożach bastnäsytu tor lub uran mogą występować w niewielkich ilościach, co wymaga podjęcia specjalnych środków w celu bezpiecznego usuwania i przechowywania materiałów radioaktywnych.
Podsumowanie
Przetwarzanie i rafinacja bastnäsitu w celu ekstrakcji pierwiastków ziem rzadkich to złożony, wieloetapowy proces, który obejmuje fizyczne wzbogacanie, ekstrakcję chemiczną i zaawansowane techniki separacji. Chociaż proces ten jest energochłonny i wymaga dużych zasobów, postęp w technologiach ekstrakcji i rafinacji nadal poprawia wydajność, opłacalność i ślad środowiskowy przetwarzania bastnäsitu, co jest kluczowe dla utrzymania zrównoważonego zaopatrzenia w pierwiastki ziem rzadkich, niezbędne dla nowoczesnych gałęzi przemysłu i technologii energii odnawialnej.
