الوضع البحثي الحالي وآفاق كواشف معالجة المعادن الأرضية النادرة

كواشف معالجة المعادن الأرضية النادرة: المجمعات، والمثبطات، والمرغيات، وعوامل الاستخلاص لتحقيق استخلاص فعال ومستدام

تتميز العناصر الأرضية النادرة بمجموعة من الخصائص الفيزيائية والكيميائية الاستثنائية، مما يجعلها بالغة الأهمية في تطبيقات متنوعة، من الإلكترونيات إلى الاستخدامات العسكرية. وتُعتبر هذه العناصر معادن أساسية في دول مثل الصين والولايات المتحدة واليابان وأستراليا. ومع ذلك، تتميز هذه العناصر بوفرة تنوعها، لكنها منخفضة الجودة، وغالبًا ما ترتبط ارتباطًا وثيقًا بمعادن العروق المعدنية المماثلة. ويعتمد استخلاصها بشكل كبير على التطورات في كواشف معالجة المعادن.

تهدف هذه المقالة إلى الاستفادة الفعالة من موارد الأرض النادرة. وتلخص الوضع الحالي للبحث والتطوير في هذا المجال. كواشف التعويم للخامات الأرضية النادرة القائمة على المعادن، بما في ذلك المجمعات، اكتئاب، المنشطات، و الرغويين، إلى جانب آليات التعويم الخاصة بها. كواشف الاستفادة الكيميائية لخامات الأيونات الأرضية النادرة، بما في ذلك عوامل الاستخلاص وعوامل الترسيب، مع تغطية حالة أبحاثها وآليات استخلاصها. علاوة على ذلك، فإن الوضع الحالي لـ تعويم العناصر الأرضية النادرة يتم تقييم جامعي البيانات، وتحديد اتجاهات البحث المستقبلية معالجة المعادن الأرضية النادرة يتم تحليل الكواشف. تهدف هذه المراجعة إلى توفير مرجع للشركات والمتخصصين في معالجة المعادن الأرضية النادرة وتطوير الكواشف.

مقدمة 0

تشمل العناصر الأرضية النادرة (REEs) السكانديوم والإيتريوم وجميع اللانثانيدات الخمسة عشر، بإجمالي 15 عنصرًا. تتميز هذه العناصر بمجموعة من الخصائص الفيزيائية والكيميائية الاستثنائية، مما يجعلها أساسية في مختلف القطاعات المدنية والعسكرية، بما في ذلك الصناعات الطبية والطاقة والدفاع. غالبًا ما يُشار إليها باسم "الفيتامينات الصناعية" و"العناصر المعجزة" و"الهرمونات الزراعية" و"المعادن الحربية"، وهي معادن تُعتبر حيوية من قِبل دول مثل الولايات المتحدة والصين واليابان وأستراليا وكندا والاتحاد الأوروبي. ووفقًا لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS)، بلغت احتياطيات أكسيد الأرض النادرة (REO) العالمية حوالي 17 مليون طن في عام 2022، وتتركز بشكل رئيسي في الصين (120%) وفيتنام (36.7%) والبرازيل (18.3%) وروسيا (17.5%) والهند (17.5%) وأستراليا (5.8%).

تشمل أهم مناجم العناصر الأرضية النادرة في العالم رواسب بايان أوبو، وماونيوبينغ، وغانتشو في الصين، ومنجم ماونتن باس في الولايات المتحدة، ومنجمي أراكسا وميناسو في البرازيل، ورواسب سترينج ليك في كندا، ورواسب ماونت ويلد في أستراليا، ورواسب زاندكوبسدريفت في جنوب أفريقيا. إضافةً إلى ذلك، تضم المقاطعات الجنوبية الصينية، بما في ذلك جيانغشي، وقوانغدونغ، وفوجيان، ويوننان، أكثر من 170 رواسب أرضية نادرة عالية الجودة تعمل بتقنية الامتصاص الأيوني، مما يجعلها المصدر الرئيسي العالمي للعناصر الأرضية النادرة المتوسطة والثقيلة.

تم تحديد أكثر من 250 نوعًا من معادن الأتربة النادرة، حيث تُشكل الباستنايت ((Ce, La)(CO3)F)، والمونازيت ((Ce, La)PO4)، والزينوتيم (YPO4)، والإيترياليت (Y2FeBe(SiO4)2O2)، والفيرغسونيت (YNbO4) أكثر من 95% من إجمالي خامات الأتربة النادرة القائمة على المعادن. ومع ذلك، غالبًا ما ترتبط هذه الخامات بالكوارتز والفلوريت والباريت والفلسبار والكالسيت ومعادن أخرى من معادن السيليكات المتكتلة، مما ينتج عنه خامات منخفضة الجودة يصعب فصلها. ولذلك، غالبًا ما تتطلب عملية استخلاص خامات الأتربة النادرة مزيجًا من الفصل بالجاذبية والفصل المغناطيسي والتعويم لرفع مستوى الخامات منخفضة الجودة إلى تركيزات مناسبة للصهر الصناعي. في حالة خامات الأرض النادرة عن طريق الامتزاز الأيوني، يتم امتصاص العناصر الأرضية النادرة على شكل أيونات على الأسطح المعدنية أو داخل طبقات البلورات، مما يتطلب معالجة كيميائية لاستخراج أكاسيد الأرض النادرة.

سواء كان التعامل مع خامات الأرض النادرة القائمة على المعادن أو الأيونات، فإن استخدام كواشف الاستفادة أمر بالغ الأهمية في تحديد درجة المنتج، استعادة العناصر الأرضية النادرة المعدلات، وكفاءة الإنتاج، والتكاليف، والتأثير البيئي.

تُركز هذه المقالة على كفاءة استخلاص موارد الأتربة النادرة، مُقدمةً لمحةً مُفصلةً عن أنواع وآليات وتطورات أبحاث كواشف التعويم (المُجمِّعات، المُرغِّيات، المُنظِّمات) لخامات الأتربة النادرة المعدنية، بالإضافة إلى كواشف الاستخلاص الكيميائي (عوامل الاستخلاص، عوامل الترسيب) لخامات الأتربة النادرة الأيونية. كما تُقدِّم اتجاهاتٍ مستقبليةً للبحث والتطوير في كواشف معالجة معادن الأتربة النادرة، بهدف توفير مرجعٍ للشركات والباحثين المُشاركين في فصل الأتربة النادرة أو تطوير الكواشف الصناعية.

1 مجمعات تعويم العناصر الأرضية النادرة

تلعب المجمعات دورًا محوريًا في تعويم العناصر الأرضية النادرة، وذلك بتغيير كراهية سطح المعادن المستهدفة للماء، مما يُسهّل التصاقها بالفقاعات ويُحسّن خصائص تعويمها. بناءً على المجموعات الوظيفية، يُمكن تصنيف مجمعات تعويم العناصر الأرضية النادرة إلى أحماض الهيدروكسيميك، والأحماض الدهنية، والأحماض الفوسفونية، وكواشف أخرى. 1.1 مجمعات حمض الهيدروكسيميك

تُعدّ مجمعات حمض الهيدروكساميك، التي طُوّرت في ثمانينيات القرن الماضي، أكثر الكواشف استخدامًا في تعويم العناصر الأرضية النادرة. توجد أحماض الهيدروكساميك، المعروفة أيضًا باسم الأوكسيمات، في شكلين متزامرين: الأوكسيم (تركيبة الكيتو) وحمض الهيدروكساميك (تركيبة الإينول)، حيث يكون الأوكسيم هو السائد. يتفكك كلا المتزامرين لتكوين أنيونات متطابقة أثناء التعويم.

تشمل مجمعات حمض الهيدروكساميك الشائعة المستخدمة في تعويم العناصر الأرضية النادرة حمض ألكيل الهيدروكساميك C7-C9، وحمض 2-هيدروكسي-3-نفثوهيدروكساميك (H205)، وحمض 1-هيدروكسي-2-نفثوهيدروكساميك (H203)، وحمض الساليسيليك الهيدروكساميك (L102)، وحمض سيكلوألكيل الهيدروكساميك، وحمض البنزيلوكساميك، وحمض أوكتيل مالونيك الهيدروكساميك (OMHA)، وغيرها من منتجات حمض الهيدروكساميك المعدلة أو المختلطة، مثل H316 (H205 معدل)، وP8 (حمض هيدروكسينافثوهيدروكساميك بشكل رئيسي)، وLF8# (حمض هيدروكسينافثوهيدروكساميك بنسبة 98%)، والمجمع 103 (حمض الساليسيليك الهيدروكساميك). على الرغم من أن أحماض الهيدروكساميك تتميز بانتقائية جيدة للعناصر الأرضية النادرة، إلا أنها غالبًا ما تتطلب تسخينًا أثناء التعويم، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الطاقة، كما أن تصنيعها قد يكون مكلفًا.

1.2 جامعات الأحماض الدهنية

استُخدمت مجمعات الأحماض الدهنية في تعويم العناصر الأرضية النادرة منذ خمسينيات القرن الماضي، عندما طُبّق حمض الأوليك بنجاح في منطقة ماونتن باس بالولايات المتحدة. وفي الصين، بدأت دراسات منهجية حول استخدام حمض الأوليك وصابون البارافين المؤكسد في تعويم العناصر الأرضية النادرة في ستينيات القرن الماضي.

تُشتقّ مجمعات الأحماض الدهنية من زيوت نباتية أو حيوانية طبيعية، وتتكون عادةً من خليط من أحماض أو أملاح كربوكسيلية مشبعة وغير مشبعة بنسب C10-C20. تشمل الكواشف الشائعة حمض الأوليك، وأوليات الصوديوم، وزيت اللافندر، وصابون البارافين المؤكسد، وزيت فاكهة باكوس، والفثالات، وحمض النفثينيك، ومشتقات البترول المؤكسدة. مع ذلك، تتميز مجمعات الأحماض الدهنية بانتقائية أقل للمعادن الأرضية النادرة، وغالبًا ما تتطلب إضافة مواد مثبطة وتعديلات في درجة الحرارة لتحقيق فصل فعال.

يُعتقد أن تعويم المعادن الأرضية النادرة باستخدام الأحماض الدهنية ينطوي على مزيج من الامتصاص الفيزيائي والامتصاص الكيميائي والتفاعلات الكيميائية السطحية.

1.3 مجمعات حمض الفوسفونيك

تُظهر مُجمِّعات حمض الفوسفونيك (—P=O) والفوسفونات (—O—P=O) أداءً أفضل في تعويم المعادن المعدنية مقارنةً بمُجمِّعات الأحماض الهيدروكسامية والدهنية. ومع ذلك، تتميز مُجمِّعات حمض الفوسفونيك عمومًا بانتقائية أقل.

تشتمل مجمعات حمض الفوسفونيك المستخدمة حاليًا في تعويم العناصر الأرضية النادرة على حمض الفوسفونيك الستايرين، وحمض الفوسفونيك البارا تولوين، وحمض الفوسفونيك البنزيل، وحمض الفوسفونيك ألفا هيدروكسي بنزيل، والمنتجات التجارية مثل P538 وFlotinor 1682.

1.4 جامعون آخرون

إلى جانب أحماض الهيدروكساميك، والأحماض الدهنية، والأحماض الفوسفونية، يجري حاليًا استكشاف مجموعة متنوعة من المجمعات الجديدة لتحسين كفاءة وانتقائية تعويم العناصر الأرضية النادرة. ومن هذه المجمعات السلفونات، وثيوفوسفات، وأملاح الأمونيوم الرباعية.

• سلفونات:أفادت التقارير أن السلفونات تتمتع بانتقائية وأداء جيدين في عمليات التعويم، ولكن تطبيقها في تعويم المعادن الأرضية النادرة لا يزال في مراحله المبكرة.

• ثيوفوسفات:تستخدم هذه المجمعات غالبًا في تعويم المعادن الكبريتيدية، ولكن الأبحاث حول تطبيقها في تعويم المعادن النادرة لا تزال جارية.

• أملاح الأمونيوم الرباعيةتم استكشاف هذه المركبات لقدرتها على تعويم المعادن غير الكبريتيدية، وقد سُجِّلت بعض النجاحات في تعويم العناصر الأرضية النادرة. تعمل هذه المركبات من خلال التجاذب الكهروستاتيكي مع أسطح معدنية مشحونة سلبًا.

ويقوم الباحثون باستمرار بتجربة الكواشف الجديدة لتعزيز فعالية تعويم المعادن الأرضية النادرة، مع التركيز على تحسين معدلات الاسترداد وتقليل التأثير البيئي لهذه المواد الكيميائية.

2 مثبطات لتعويم العناصر الأرضية النادرة

تُعدّ المُثبِّطات أساسية في تعويم معادن الأتربة النادرة، وذلك لتثبيط معادن العُصاب بشكل انتقائي، مما يُحسّن انتقائية وإنتاجية معادن الأتربة النادرة المُستهدفة. غالبًا ما تُظهر معادن العُصاب الرئيسية المُرتبطة بخامات الأتربة النادرة، مثل الكوارتز والكالسيت والباريت، سلوكيات تعويم مُتشابهة، مما يجعل تثبيطها الانتقائي أمرًا بالغ الأهمية.

تشمل المواد المثبطة الشائعة في تعويم العناصر الأرضية النادرة زجاج الماء (سيليكات الصوديوم)، وفلوريد الصوديوم، والعفص، والنشا.

2.1 سيليكات الصوديوم (زجاج الماء)

سيليكات الصوديوم، المعروف باسم زجاج الماء، من أكثر المواد المثبطة استخدامًا في تعويم معادن الأتربة النادرة. يُستخدم لتثبيط معادن السيليكات مثل الكوارتز والفلسبار. تُعزى آلية تأثير سيليكات الصوديوم المثبطة عادةً إلى تكوين طبقة من السيليكا على سطح معادن العروق، مما يمنع امتصاصها بواسطة المجمع.

يُعدّ زجاج الماء مُخفِّضًا فعّالًا ومنخفض التكلفة، إلا أن أداؤه يتأثر بعوامل مثل الرقم الهيدروجيني (pH)، وتركيز الأيونات، وجرعة الكواشف. ويستكشف الباحثون استخدام سيليكات مُعدّلة وإضافات كيميائية أخرى لتحسين انتقائية زجاج الماء.

2.2 فلوريد الصوديوم

يُستخدم فلوريد الصوديوم لخفض الكالسيت في عمليات تعويم المعادن النادرة. ويعتمد تأثيره الخفضي على تفاعل أيونات الفلوريد مع أيونات الكالسيوم، مما يُشكّل طبقةً غير قابلة للذوبان من فلوريد الكالسيوم على سطح المعدن، مما يمنع امتصاصه بواسطة المُجمّع.

ومع ذلك، يُعد فلوريد الصوديوم مادة شديدة السمية، وقد يُثير استخدامه مخاوف بيئية وأمنية. ولذلك، يسعى الباحثون جاهدين لإيجاد بدائل أكثر أمانًا.

2.3 العفص والنشا

العفص والنشا من أمثلة المواد المثبطة العضوية المستخدمة في تعويم المعادن النادرة. تُستخدم العفص، المشتقة من مواد نباتية، لتثبيط معادن العفص مثل الباريت والفلوريت. تتضمن آلية عملها تكوين معقدات مع أيونات معدنية على سطح المعدن، مما يقلل من ارتباطها بالمجمع.

يُستخدم النشا عادةً كمُثبِّط للهيماتيت وغيره من المعادن الحاملة للحديد في عملية تعويم معادن الأرض النادرة. عادةً ما يكون التفاعل بين النشا والمعادن تفاعلًا فيزيائيًا، حيث تُمتَصُّ جزيئات النشا على سطح المعدن، مما يمنع تفاعل المُجمِّع.

2.4 المثبطات الجديدة

يُعد تطوير مُثبطات جديدة مجال بحث مستمر في مجال تعويم العناصر الأرضية النادرة. تهدف هذه الكواشف الجديدة إلى تحسين انتقائية عملية التعويم وتقليل الأثر البيئي لها. ومن أمثلة التطورات الحديثة النشويات المعدلة، والبوليمرات الاصطناعية، والمُثبطات العضوية القابلة للتحلل الحيوي.

3 أجهزة رغوية لتعويم العناصر الأرضية النادرة

تلعب عوامل الرغوة دورًا حيويًا في تكوين رغوة مستقرة في خلايا التعويم، مما يُمكّن من فصل معادن الأرض النادرة عن المواد العالقة. تؤثر عوامل الرغوة على حجم الفقاعات، واستقرار الرغوة، وحركية التعويم. أكثر عوامل الرغوة استخدامًا في تعويم معادن الأرض النادرة هي الكواشف القائمة على الكحول والإيثر.

3.1 أجهزة الرغوة القائمة على الكحول

تُستخدم مُرغيات الكحول، مثل ميثيل إيزوبوتيل كاربينول (MIBC) وزيت الصنوبر، على نطاق واسع في تعويم المعادن، بما في ذلك تعويم العناصر الأرضية النادرة. تُساعد هذه المُرغيات على توليد فقاعات صغيرة ومستقرة تُعزز تعويم الجسيمات الدقيقة.

تعتبر الرغوات المعتمدة على الكحول غير مكلفة وفعالة نسبيًا، ولكن أداءها يمكن أن يختلف اعتمادًا على عوامل مثل الرقم الهيدروجيني، وتركيب المعادن، وتفاعلات الكواشف.

3.2 مُرغِّيات تعتمد على الأثير

تُستخدم مُرغيات الأثير، مثل إيثرات البولي بروبيلين جليكول (مثل DF-250)، بشكل شائع في تعويم العناصر الأرضية النادرة. تُنتج هذه المُرغيات فقاعات أدق ورغوة أكثر استقرارًا مقارنةً بالمُرغيات الكحولية. مع ذلك، قد تكون المُرغيات الأثيرية أكثر تكلفة وقد تتطلب ضبطًا دقيقًا للجرعات.

3.3 رغوات جديدة

تركز الأبحاث المتعلقة بمواد الرغوة الجديدة لتعويم العناصر الأرضية النادرة على تحسين انتقائية الرغوة واستقرارها مع تقليل الأثر البيئي. وتشمل هذه المواد مواد رغوية قابلة للتحلل الحيوي ومواد رغوية ذات مقاومة مُحسّنة لوجود الزيوت والملوثات الأخرى في خليط التعويم.

4 كواشف استخلاص لخامات العناصر الأرضية النادرة الممتصة للأيونات

تتميز خامات العناصر الأرضية النادرة المُمتصة بالأيونات بخاصية فريدة، إذ تُمتص عناصرها على سطح المعادن الطينية بدلاً من أن تُحبس في هياكلها المعدنية. تُعالَج هذه الخامات عادةً باستخدام الاستخلاص بدلاً من التعويم. وتلعب عوامل الاستخلاص دورًا حاسمًا في هذه العملية، إذ تعمل على نزع أيونات العناصر الأرضية النادرة من أسطح الطين.

4.1 استخلاص كبريتات الأمونيوم

كبريتات الأمونيوم هي عامل الاستخلاص الأكثر شيوعًا لخامات العناصر الأرضية النادرة التي تعتمد على الامتصاص الأيوني. تتبادل أيونات الأمونيوم في المحلول مع أيونات العناصر الأرضية النادرة على سطح المعادن الطينية، مما يؤدي إلى إطلاقها في المحلول. تُستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع نظرًا لانخفاض تكلفتها وبساطتها نسبيًا.

ومع ذلك، قد يُسبب استخلاص كبريتات الأمونيوم مشاكل بيئية جسيمة، لا سيما فيما يتعلق بتلوث أيونات الأمونيوم. وتُبذل جهود لتطوير بدائل أكثر مراعاةً للبيئة.

4.2 استخلاص كلوريد الصوديوم وكبريتات المغنيسيوم

تم البحث في كلوريد الصوديوم وكبريتات المغنيسيوم كبدائل لكبريتات الأمونيوم. تعمل هذه الكواشف بآليات تبادل أيوني مماثلة، إلا أنها تتميز بكونها أقل ضررًا بالبيئة. مع ذلك، تميل إلى أن تكون أقل فعالية من حيث معدلات الاسترداد، وهناك حاجة إلى مزيد من البحث لتحسين استخدامها.

4.3 عوامل الاستخلاص العضوية

يجري حاليًا استكشاف عوامل الاستخلاص العضوية، مثل حمض الستريك وEDTA، كبدائل صديقة للبيئة لكواشف الاستخلاص غير العضوية التقليدية. تتميز هذه المركبات العضوية بقدرتها على استخلاص أيونات العناصر الأرضية النادرة بفعالية، مما يُسهّل استخراجها من الخام. إلا أن تكلفة هذه الكواشف تُعيق انتشار استخدامها على نطاق واسع.

5 عوامل ترسيب لخامات الأرض النادرة الممتصة للأيونات

بعد استخلاص أيونات العناصر الأرضية النادرة من المحلول، يجب ترسيبها واستعادتها. تُستخدم عوامل الترسيب لتكوين مركبات عناصر أرضية نادرة يمكن فصلها عن محلول الاستخلاص.

5.1 بيكربونات الأمونيوم

يُستخدم بيكربونات الأمونيوم عادةً لترسيب أيونات العناصر الأرضية النادرة من محاليل الاستخلاص على شكل كربونات. هذا الكاشف فعال ومنخفض التكلفة نسبيًا، ولكنه قد يُنتج كميات كبيرة من مياه الصرف الصحي المحتوية على الأمونيوم، مما يُشكل تحديات بيئية.

5.2 حمض الأكساليك

يُستخدم حمض الأكساليك على نطاق واسع لترسيب العناصر الأرضية النادرة على شكل أكسالات، والتي يمكن بعد ذلك تحميصها لإنتاج أكاسيدها. يتميز حمض الأكساليك بفعاليته العالية، ولكنه قد يكون أغلى من بيكربونات الأمونيوم. بالإضافة إلى ذلك، يتطلب التعامل مع حمض الأكساليك إجراءات سلامة دقيقة نظرًا لسميته.

5.3 عوامل الترسيب الجديدة

يجري البحث حاليًا لتطوير عوامل ترسيب أكثر انتقائية وصديقة للبيئة لاستخلاص العناصر الأرضية النادرة. وتشمل هذه العوامل الأحماض العضوية، والكواشف القابلة للتحلل الحيوي، وراتنجات التبادل الأيوني.

6 الاتجاهات والآفاق المستقبلية

يكمن مستقبل كواشف معالجة المعادن الأرضية النادرة في تطوير كواشف أكثر انتقائية وكفاءةً وصديقةً للبيئة. وتشمل مجالات البحث المستقبلية الرئيسية ما يلي:

• تطوير الكواشف الخضراءيُعدّ التأثير البيئي لكواشف التعويم والاستخلاص مصدر قلق بالغ، لا سيما في سياق معالجة المعادن النادرة. وتتزايد الحاجة إلى تطوير كواشف قابلة للتحلل الحيوي وغير سامة، لتحل محل المواد الكيميائية التقليدية مثل كبريتات الأمونيوم وحمض الأكساليك.

• تحسين الانتقائيةهناك حاجة إلى مجمعات ومثبطات ومُرغِّيات جديدة لتحسين انتقائية تعويم المعادن الأرضية النادرة، وخاصةً للخامات منخفضة الجودة والمعقدة. ويشمل ذلك استكشاف هياكل جزيئية جديدة وتعديل الكواشف الحالية.

• تقليل التكاليفتُعدّ التكلفة العالية لبعض كواشف معالجة العناصر الأرضية النادرة، وخاصةً أحماض الهيدروكساميك والفوسفونيك، عاملاً مُقيّداً لاستخدامها على نطاق واسع. ينبغي أن تُركّز الأبحاث المستقبلية على تركيب بدائل أقل تكلفةً أو على تحسين كفاءة الكواشف الحالية لتقليل متطلبات الجرعات.

• الاستدامة البيئيةمع تزايد اللوائح التنظيمية العالمية الهادفة إلى الحد من الأثر البيئي لعمليات التعدين، تتزايد أهمية تطوير تقنيات معالجة معادن الأرض النادرة المستدامة بيئيًا. ويشمل ذلك الحد من استخدام المواد الكيميائية الضارة وتقليل إنتاج النفايات والتلوث.

في الختام، تعتمد معالجة معادن الأرض النادرة بشكل كبير على استخدام الكواشف الكيميائية، وتُعدّ الأبحاث الجارية ضرورية لتحسين كفاءة هذه الكواشف وانتقائيتها واستدامتها. وسيكون تطوير كواشف جديدة وصديقة للبيئة أمرًا بالغ الأهمية لمستقبل استخلاص معادن الأرض النادرة، في ظلّ استمرار ارتفاع الطلب العالمي على هذه المعادن الحيوية.