Obsah
- Prvky vzácnych zemín nie sú „zriedkavé“
- Koncentrácie prvkov vzácnych zemín
- Zásadité Igneous Rocks and Magmas
- Klasifikácia vzácnej zemskej rudy
- Vklady vzácnych zemín
- Zostatkové zostatky vzácnych zemín
- Prvky vzácnych zemín v pegmatitoch
- Iné typy depozitov vzácnych zemín
- Spracovanie nerastných surovín
- Komplexné spracovanie nerastov
Mapa prvkov vzácnych zemín: Okresy prvkov vzácnych zemín v Spojených štátoch sa nachádzajú hlavne na západe. Táto mapa zobrazuje polohu potenciálnych výrobných miest - zväčšením mapy zobrazíte všetky miesta.
Prvky vzácnych zemín nie sú „zriedkavé“
Niekoľko geologických aspektov prirodzeného výskytu prvkov vzácnych zemín silne ovplyvňuje zásobovanie surovinami prvkov vzácnych zemín. Tieto geologické faktory sa uvádzajú ako vyhlásenia o skutočnostiach, po ktorých nasleduje podrobná diskusia.
Odhadovaná priemerná koncentrácia prvkov vzácnych zemín v zemskej kôre, ktorá sa pohybuje od približne 150 do 220 častíc na milión (tabuľka 1), presahuje koncentráciu mnohých iných kovov, ktoré sa ťažia v priemyselnom meradle, ako je meď (55 častíc na miliónov) a zinku (70 dielov na milión). Na rozdiel od väčšiny komerčne ťažených základných a drahých kovov sa však prvky vzácnych zemín zriedka koncentrujú do ťažobných rúd.
Koncentrácie prvkov vzácnych zemín
Hlavné koncentrácie prvkov vzácnych zemín sú spojené s neobvyklými odrodami vyvrelých hornín, najmä s alkalickými horninami a karbonatitmi. Potenciálne užitočné koncentrácie nerastov obsahujúcich REE sa nachádzajú aj v náleziskách, zvyškoch, ktoré vznikajú pri hlbokom zvetrávaní vyvierajúcich hornín, pegmatitov, ložísk oxidu medi a zlata a morských fosfátov (tabuľka 2).
Stôl 1. Odhady hojnosti prvkov vzácnych zemín v kôre.
Zásadité Igneous Rocks and Magmas
Zásadité vyvrelé horniny sa tvoria z chladenia magmy odvodenej z malého stupňa čiastočného topenia hornín v zemskom plášti. Tvorba alkalických hornín je komplexná a nie je úplne pochopená, možno ju však považovať za geologický proces, ktorý extrahuje a koncentruje tie prvky, ktoré sa nehodia do štruktúry bežných horninotvorných minerálov.
Výsledné alkalické magmy sú zriedkavé a neobvykle obohatené o prvky, ako sú zirkónium, niób, stroncium, bárium, lítium a prvky vzácnych zemín. Keď tieto magmy vystúpia do zemskej kôry, ich chemické zloženie podlieha ďalším zmenám v reakcii na zmeny tlaku, teploty a zloženia okolitých hornín. Výsledkom je ohromujúca rozmanitosť typov hornín, ktoré sú premenlivo obohatené o ekonomické prvky, vrátane prvkov vzácnych zemín. Ložiská nerastov spojené s týmito horninami sú tiež dosť rôznorodé a nepríjemné na klasifikáciu, pretože rozlišovacie vlastnosti týchto ložísk a ich vzácnosť môžu viesť k klasifikáciám, ktoré majú iba jeden alebo niekoľko známych príkladov.
Geologická mapa prvkov vzácnych zemín: Zovšeobecnená geologická mapa väčšiny okresu prvkov vzácnych zemín Mountain Pass, južná Kalifornia. Zobrazená je iba reprezentatívna menšina zo stoviek shonkinitových, syenitových a karbonatitových hrádzí. Nezobrazujú sa rozsiahle andezitické a ryolitické hrádze mezozoického alebo treťohorného veku. Zo správy Open-File USGS 2005-1219. Zväčšiť mapu.
Klasifikácia vzácnej zemskej rudy
Klasifikácia rúd súvisiacich s alkalickými horninami je tiež kontroverzná. Tabuľka 2 predstavuje relatívne jednoduchú klasifikáciu, ktorá sa riadi analogickými kategóriami pre ložiská súvisiace s nalkalínnymi vyvrelými horninami. Niektoré z neobvyklejších alkalických hornín, ktoré sú hostiteľmi alebo sú s nimi spojené, sú rudy REE, a to karbonatit a fosfoit, horninové uhlie zložené hlavne z minerálov uhličitanu a fosfátov. Karbonatity, a najmä fosfo-rity, sú pomerne zriedkavé, pretože vo svete je známych iba 527 karbonatitov (Woolley a Kjarsgaard, 2008). Ekonomické koncentrácie minerálov obsahujúcich REE sa vyskytujú v niektorých alkalických horninách, skarnách a ložiskách nahrádzajúcich uhličitany spojené s alkalickými prienikmi, žilami a hrádzami, ktoré rozdeľujú alkalické vyvrhnuté komplexy a okolité horniny, v pôdach a iných poveternostných produktoch alkalických hornín.
Periodická tabuľka REE: Prvky vzácnych zemín sú prvkami série 15 lanthanidov plus ytrium. Škandium sa nachádza vo väčšine ložísk prvkov vzácnych zemín a niekedy je klasifikované ako prvok vzácnych zemín. Obrázok autora.
Vklady vzácnych zemín
Počasie všetkých typov hornín poskytuje sedimenty, ktoré sa ukladajú v širokom spektre prostredí, ako sú potoky a rieky, brehy riek, aluviálne ventilátory a delty. Proces erózie sústreďuje hustejšie minerály, najmä zlato, na ložiská známe ako ryžovky. V závislosti od zdroja eróznych produktov je možné niektoré minerály obsahujúce vzácne zeminy, napríklad monazit a xenotím, koncentrovať spolu s inými ťažkými minerálmi.
Zdrojom nemusí byť zásaditá vyvrelá hornina ani súvisiace ložisko vzácnych zemín. Mnoho bežných vyvieračských, metamorfovaných a dokonca aj starších sedimentárnych hornín obsahuje dostatok monazitu, aby sa vytvoril hoblík nesúci monazit. Výsledkom je, že monazit sa takmer vždy nachádza v každom vklade do placeru. Typickými typmi doštičiek s najväčšou koncentráciou monazitu sú však typicky doštičky s ťažkým obsahom ilmenitu, ktoré sa ťažia na pigmenty oxidu titánu, a doštičky z kasínu, ktoré sa ťažia na cín.
Ložisko vzácnych zemín spoločnosti Iron Hill: Pohľad na severozápadný pohľad na Iron Hill, Gunnison County, Colorado. Železný kopec je tvorený masívnou uhlíkatou surovinou, ktorá tvorí stred alkalického rušivého komplexu. Tento komplex je hostiteľom mnohých minerálnych zdrojov vrátane titánu, nióbu, prvkov vzácnych zemín a tória. Obrázok USGS.
Zostatkové zostatky vzácnych zemín
V tropickom prostredí sú horniny hlboko zvetrané a vytvárajú jedinečný pôdny profil pozostávajúci z lateritu, pôdy bohatej na železo a hliník až do hrúbky desiatok metrov. Procesy tvorby pôdy obyčajne koncentrujú ťažké minerály ako zvyšky usadenín, čo vedie k vytvoreniu vrstvy obohateného kovu nad podložím nepôvodného podložia.
Ak sa ložisko vzácnych zemín podrobí takémuto zvetrávaniu, môže sa obohatiť o prvky vzácnych zemín v koncentráciách ekonomického záujmu. Konkrétny typ ložiska REE, typ iónovej absorpcie, sa tvorí vylúhovaním prvkov vzácnych zemín zo zdanlivo bežných vyvrelých hornín a upevnením prvkov na íly v pôde. Tieto ložiská sú známe iba v južnej Číne a Kazachstane a ich formácia je zle pochopená.
Prvky vzácnych zemín v pegmatitoch
Medzi pegmatity patrí skupina veľmi hrubozrnných intruzívnych vyvrelých hornin, rodina niobium-ytrium-fluór, do veľkého počtu podtypov vytvorených v rôznych geologických prostrediach. Tieto podtypy majú granitické zloženie a obyčajne sa nachádzajú v periférii k veľkým granitickým prienikom. Vo všeobecnosti sú však pegmatity s obsahom prvkov vzácnych zemín vo všeobecnosti malé a sú z hospodárskeho hľadiska zaujímavé iba pre zberateľov minerálov.
Iné typy depozitov vzácnych zemín
Ložisko typu železo-oxid meď-zlato bolo uznané za odlišný typ ložiska až od objavenia obrovského ložiska olympijskej priehrady v južnej Austrálii v 80. rokoch. Ložisko olympijskej priehrady je neobvyklé v tom, že obsahuje veľké množstvo prvkov vzácnych zemín a urán. Ekonomická metóda získavania prvkov vzácnych zemín z týchto ložísk ešte nebola nájdená. Po celom svete bolo identifikovaných mnoho ďalších ložísk tohto typu, ale informácie o obsahu prvkov vzácnych zemín vo všeobecnosti chýbajú. V náhradných ložiskách magnetit-apatit sa zistilo aj stopové množstvo prvkov vzácnych zemín.
Krasové bauxity, pôdy bohaté na hliník, ktoré sa hromadí v kavernóznom vápenci (základná krasová topografia) v Čiernej Hore a inde, sú obohatené o prvky vzácnych zemín, výsledné koncentrácie však nie sú ekonomicky zaujímavé (Maksimovic a Pantó, 1996). To isté možno povedať o depozitoch morských fosfátov, ktoré môžu obsahovať až 0,1 percenta oxidov REE (Altschuler a ďalšie, 1966). Výsledkom bolo skúmanie regenerácie prvkov vzácnych zemín ako vedľajšieho produktu výroby fosforečných hnojív.
Spracovanie nerastných surovín
V mnohých ložiskách bázických a drahých kovov sú extrahované kovy vysoko koncentrované v jednej minerálnej fáze, ako je meď v chalkopyritu (CuFeS2) alebo zinok v sfalerite (ZnS). Oddelenie jednej minerálnej fázy od horniny je pomerne ľahká úloha. Konečný produkt je koncentrát, ktorý sa zvyčajne posiela do taviarne na konečnú extrakciu a rafináciu kovov. Napríklad zinok pochádza takmer výlučne z minerálneho sfaleritu, takže globálny priemysel tavenia a rafinácie zinku vyvinul vysoko špecializované spracovanie tohto minerálu. Výroba zinku má teda výraznú nákladovú výhodu v tom, že sa používa jediná štandardná technológia a vývoj nového zinkového bane je do značnej miery konvenčným procesom.
Súčasná prax pri spracovaní nerastných surovín je schopná postupného oddelenia viacerých minerálnych fáz, ale nie vždy je to nákladovo efektívne. Ak sa vyskytujú zaujímavé prvky v dvoch alebo viacerých minerálnych fázach, z ktorých každá vyžaduje inú technológiu extrakcie, spracovanie minerálov je pomerne nákladné. Mnoho ložísk prvkov vzácnych zemín obsahuje dve alebo viac fáz nesúcich prvky vzácnych zemín. Preto ložiská prvkov vzácnych zemín, v ktorých sú prvky vzácnych zemín prevažne koncentrované v jednej minerálnej fáze, majú konkurenčnú výhodu.K dnešnému dňu výroba REE vo veľkej miere pochádza z ložísk s jednou minerálnou fázou, ako sú Bayan Obo (bastnasit), Mountain Pass (bastnasite) a z ťažkých nerastných surovín (monazit).
Komplexné spracovanie nerastov
Minerály obsahujúce vzácne zeminy, akonáhle sú oddelené, obsahujú až 14 jednotlivých prvkov vzácnych zemín (lantanoidy a ytrium), ktoré sa musia ďalej separovať a rafinovať. Zložitosť extrakcie a rafinácie prvkov vzácnych zemín je ilustrovaná metalurgickým vývojovým diagramom pre baňu Mountain Pass v Kalifornii (obr. 2). Na rozdiel od sulfidov kovov, ktoré sú chemicky jednoduchými zlúčeninami, sú minerály obsahujúce REE pomerne zložité. Sulfidové rudy základných kovov, ako je napríklad sfalerit (ZnS), sa zvyčajne tavia, aby spálili síru a oddelili nečistoty z roztaveného kovu. Výsledný kov sa ďalej čistí elektrolýzou takmer na čistotu. Na druhej strane sa prvky vzácnych zemín zvyčajne extrahujú a rafinujú desiatkami chemických procesov na oddelenie rôznych prvkov vzácnych zemín a odstránenie nečistôt.
Hlavnou škodlivou nečistotou v nerastoch obsahujúcich REE je tórium, ktoré dodáva rudám nežiadúcu rádioaktivitu. Pretože je ťažké rádioaktívne materiály ťažiť a manipulovať s nimi bezpečne, sú prísne regulované. Ak sa produkuje rádioaktívny odpad, musia sa použiť špeciálne metódy zneškodnenia. Náklady na manipuláciu a likvidáciu rádioaktívneho materiálu sú vážnou prekážkou ekonomickej ťažby nerastnejších nerastov bohatých na REE, najmä monazitu, ktorý zvyčajne obsahuje značné množstvo tória. V skutočnosti uloženie prísnejších predpisov o používaní rádioaktívnych minerálov vytlačilo počas osemdesiatych rokov mnohé zdroje monazitu z trhu s prvkami vzácnych zemín.
Komplexná metalurgia prvkov vzácnych zemín je znásobená skutočnosťou, že žiadne dve rudy REE nie sú skutočne podobné. Výsledkom je, že neexistuje štandardný postup na ťažbu nerastov obsahujúcich REE a ich rafináciu na obchodovateľné zlúčeniny vzácnych zemín. Na vývoj novej bane s prvkami vzácnych zemín sa musia rudy dôkladne otestovať pomocou rôznych známych metód extrakcie a jedinečnej postupnosti optimalizovaných krokov spracovania. V porovnaní s novou zinkovou baňou stojí procesný vývoj prvkov vzácnych zemín podstatne viac času a peňazí.