Núverandi rannsóknarstaða og horfur á hvarfefnum til vinnslu á sjaldgæfum jarðefnum

Hvarfefni til vinnslu á sjaldgæfum jarðefnum: Safnarar, lækkandi efni, froðuefni og útskolunarefni fyrir skilvirka og sjálfbæra endurheimt

Sjaldgæf jörð frumefni (REEs) búa yfir ýmsum óvenjulegum eðlis- og efnafræðilegum eiginleikum, sem gera þau mikilvæg í ýmsum forritum, allt frá rafeindatækni til hernaðarnotkunar. Þau eru viðurkennd sem nauðsynleg steinefni af löndum eins og Kína, Bandaríkjunum, Japan og Ástralíu. Hins vegar eru sjaldgæf jarðefni í fjölbreytileika en lág í flokki og eru oft nátengd svipuðum gangsteinum. Nýting þeirra byggir að miklu leyti á framförum í steinefnavinnslu hvarfefnum.

Þessi grein miðar að skilvirkri nýtingu sjaldgæfra jarðaauðlinda. Það dregur saman núverandi stöðu rannsókna og þróunar á flothvarfefni fyrir sjaldgæft jarðvegsgrýti sem byggir á steinefnum, þar með talið safnara, þunglyndislyf, virkjanir og freyðingar, ásamt flotbúnaði þeirra. Efnafræðileg bótahvarfefni fyrir jónagerð sjaldgæfa jarðvegsgrýti, þ.m.t útskolunarefni og útfellingarefni, eru einnig rædd, þar sem farið er yfir rannsóknarstöðu þeirra og útskolunaraðferðir. Ennfremur, núverandi ástand flot á sjaldgæfum jörðum safnara er metið, og framtíðarrannsóknir leiðbeiningar fyrir Vinnsla á sjaldgæfum jarðefnum hvarfefni eru greind. Þessi endurskoðun miðar að því að veita tilvísun fyrir fyrirtæki og fagfólk sem stundar vinnslu á sjaldgæfum jarðefnum og þróun hvarfefna.

0 Inngangur

Sjaldgæf jarðefni (REEs) innihalda skandíum, yttríum og öll 15 lantaníð, samtals 17 frumefni. Þessir þættir sýna fjölda óvenjulegra eðlis- og efnafræðilegra eiginleika, sem gera þá mikilvæga í ýmsum borgaralegum og hernaðarlegum geirum, þar á meðal læknisfræði, orku og varnariðnaði. Þeir eru oft nefndir "iðnaðarvítamín", "kraftaverkaþættir", "landbúnaðarhormónar" og "stríðsmálmar", viðurkennd sem mikilvæg steinefni af þjóðum eins og Bandaríkjunum, Kína, Japan, Ástralíu, Kanada og Evrópusambandinu. Samkvæmt bandarísku jarðfræðistofnuninni (USGS), frá og með árinu 2022, standa alheimsbirgðir sjaldgæfra jarðefnaoxíðs (REO) í um það bil 120 milljón tonn, aðallega í Kína (36.7%), Víetnam (18.3%), Brasilíu (17.5%), Rússlandi (17.5%), Indlandi (5.8%) og Ástralíu (3.3%).

Helstu sjaldgæfu jarðsprengjur heimsins eru Bayan Obo, Maoniuping og Ganzhou innstæður í Kína, Mountain Pass náman í Bandaríkjunum, Araxa og Minasu námurnar í Brasilíu, Strange Lake í Kanada, Mount Weld í Ástralíu og Zandkopsdrift í Suður-Afríku. Að auki eru suðurhéruðin í Kína, þar á meðal Jiangxi, Guangdong, Fujian og Yunnan, heimili yfir 170 hágæða jón-aðsog sjaldgæfra jarðar útfellingar, sem þjóna sem alþjóðleg uppspretta miðlungs og þungra sjaldgæfra jarðefna.

Meira en 250 tegundir af sjaldgæfum jarðefnum hafa verið auðkenndar, þar sem bastnäsít ((Ce, La)(CO3)F), mónasít ((Ce, La)PO4), xenótím (YPO4), yttríalít (Y2FeBe(SiO4)2O2), og fergúsónít (YNbO4) eru alls 95-% af sjaldgæfum jarðefnum. Hins vegar eru þessi málmgrýti oft tengd við kvars, flúorít, barít, feldspat, kalsít og önnur sílíkatgangsteinefni, sem leiðir til lággæða málmgrýti sem erfitt er að aðskilja. Sem slík krefst nýting sjaldgæfra jarðgrýti oft blöndu af þyngdarafl aðskilnaði, segulmagnaðir aðskilnaður og flot til að uppfæra lággæða málmgrýti í iðnaðarbræðsluþykkni. Þegar um er að ræða sjaldgæfa jarðvegsgrýti með jónum aðsog, eru sjaldgæf jarðefni frumefni aðsogast sem jónir á steinefnayfirborði eða innan kristallaga, sem krefst efnavinnslu til að vinna sjaldgæf jarðaroxíð.

Hvort sem um er að ræða sjaldgæfa jarðvegsgrýti sem byggir á steinefnum eða jónagerð, þá er beiting bótahvarfefna afgerandi til að ákvarða vöruflokk, bata sjaldgæfra jarðar verð, framleiðsluhagkvæmni, kostnað og umhverfisáhrif.

Þessi grein fjallar um skilvirka nýtingu sjaldgæfra jarðvegsauðlinda og býður upp á ítarlegt yfirlit yfir gerðir, aðferðir og rannsóknarframfarir flothvarfefna (safnara, froðugjafa, eftirlitsstofnana) fyrir steinefna-undirstaða sjaldgæfa jarðvegsgrýti, svo og efnafræðilega gagnvirkni hvarfefni (skolunarefni, útfellingarefni) fyrir jónagerð sjaldgæfra jarðvegsgrýti. Það kynnir einnig framtíðarleiðbeiningar fyrir rannsóknir og þróun á hvarfefnum til vinnslu á sjaldgæfum jarðefnum steinefna, sem miðar að því að veita tilvísun fyrir fyrirtæki og vísindamenn sem taka þátt í aðskilnaði sjaldgæfra jarðar eða þróun hvarfefna í iðnaði.

1 Sjaldgæf jörð flotsafnari

Safnarar gegna mikilvægu hlutverki í floti sjaldgæfra jarðar með því að breyta yfirborðsvatnsfælni marksteinda, sem gerir þeim auðveldara að festa við loftbólur og bæta floteiginleika þeirra. Byggt á virkum hópum er hægt að flokka safnara fyrir flot á sjaldgæfum jörðu í hýdroxamsýrur, fitusýrur, fosfónsýrur og önnur hvarfefni.1.1 Hýdroxamsýrusafnarar

Hýdroxamsýrusafnarar, þróaðir á níunda áratugnum, eru algengustu hvarfefnin í floti sjaldgæfra jarðar. Hýdroxamínsýrur, einnig þekktar sem oxím, eru til í tveimur ísómerískum formum: oxím (ketóbygging) og hýdroxamsýra (enólbygging), þar sem oxím er ríkjandi. Báðar ísómerurnar sundrast og mynda eins anjónir við flot.

Algengar hýdroxamsýrusafnarar sem notaðir eru við flot á sjaldgæfum jörðum eru C7-C9 alkýl hýdroxamínsýra, 2-hýdroxý-3-naftóhýdroxamínsýra (H205), 1-hýdroxý-2-naftóhýdroxamínsýra (H203), salisýlhýdroxamsýra (L102), sýklónalkýl hýdroxamínsýra, hýdroxýlsýra, hýdroxamínsýra, (OMHA), og aðrar breyttar eða blandaðar hýdroxamsýruafurðir, svo sem H316 (breytt H205), P8 (aðallega hýdroxýnaftóhýdroxamínsýra), LF8# (98% hýdroxýnaftóhýdroxamínsýra) og safnari 103 (salisýlhýdroxamínsýra). Þó að hýdroxamsýrur sýni góða sérhæfni fyrir sjaldgæfa jörð frumefni, þurfa þær oft upphitun meðan á floti stendur, sem leiðir til hærri orkukostnaðar og nýmyndun þeirra getur líka verið dýr.

1.2 Fitusýrusafnarar

Fitusýrusafnarar hafa verið notaðir við flot á sjaldgæfum jarðvegi síðan á fimmta áratugnum þegar olíusýra var borið á fjallaskarð í Bandaríkjunum með góðum árangri. Í Kína hófust kerfisbundnar rannsóknir á notkun olíusýru og oxaðrar paraffínsápu fyrir flot á sjaldgæfum jörðum á sjöunda áratugnum.

Fitusýrusafnarar eru fengnir úr náttúrulegum jurta- eða dýraolíum, venjulega samsettar úr blöndu af C10-C20 mettuðum og ómettuðum karboxýlsýrum eða söltum. Algeng hvarfefni eru olíusýra, natríumóleat, tallolía, oxuð paraffínsápa, Bacchus ávaxtaolía, þalöt, naftensýra og oxaðar jarðolíuafleiður. Hins vegar hafa fitusýrusafnarar lægri sértækni fyrir sjaldgæf jarðefni og þurfa oft að bæta við lækkandi efnum og stilla hitastig til að ná fram skilvirkum aðskilnaði.

Talið er að flot á sjaldgæfum jarðefnum með því að nota fitusýrur feli í sér blöndu af líkamlegu aðsog, efnafræðilegt aðsog og yfirborðsefnahvörf.

1.3 Fosfónsýrusafnarar

Fosfónsýru (—P=O) og fosfónat (—O—P=O) safnarar sýna sterkari flotvirkni fyrir málmsteinefni samanborið við hýdroxamín- og fitusýrusafnara. Hins vegar hafa fosfónsýrusafnarar almennt lægri sértækni.

Núverandi notaðir fosfónsýrusafnarar í floti með sjaldgæfum jörðum eru stýrenfosfónsýra, p-tólúenfosfónsýra, bensýlfosfónsýra, α-hýdroxýbensýlfosfónsýra og verslunarvörur eins og P538 og Flotinor 1682.

1.4 Aðrir safnarar

Aðrar en hýdroxamsýrur, fitusýrur og fosfónsýrur, er verið að kanna ýmsar nýjar safnara til að bæta flotvirkni og sérhæfni sjaldgæfra jarðar. Sum þeirra eru súlfónöt, þíófosföt og fjórðung ammóníumsölt.

• Súlfónöt: Tilkynnt hefur verið um að súlfónöt sýni góða sértækni og frammistöðu í flotferli, en notkun þeirra við flot á sjaldgæfum jarðefnum er enn á frumstigi.

• Þíófosföt: Þessir safnarar eru oft notaðir í súlfíð steinefnaflot, en rannsóknir á notkun þeirra við flot á sjaldgæfum jörðu eru í gangi.

• Fjórðungs ammoníumsölt: Þessi efnasambönd hafa verið könnuð með tilliti til getu þeirra til að fljóta steinefni sem ekki eru súlfíð og greint hefur verið frá nokkrum árangri við flot á sjaldgæfum jarðvegi. Þeir starfa í gegnum rafstöðueiginleika aðdráttarafl með neikvætt hlaðin steinefni yfirborð.

Vísindamenn eru stöðugt að gera tilraunir með ný hvarfefni til að auka skilvirkni flots á sjaldgæfum jarðefnum, með áherslu á bæði að bæta endurheimtarhlutfall og draga úr umhverfisáhrifum þessara efna.

2 þrýstingslækkandi lyf fyrir flot á sjaldgæfum jörðum

Þyngjandi lyf eru nauðsynleg í floti sjaldgæfra jarðefna til að hamla sértækt steinefni úr gangtegundum og bæta þar með sértækni og afrakstur sjaldgæfra jarðefnasteinanna sem markið er. Helstu steinefnin sem tengjast sjaldgæfum jarðvegi, eins og kvars, kalsít og barít, sýna oft svipaða flothegðun, sem gerir sértæka hömlun þeirra mikilvæg.

Algeng lækkandi lyf í floti með sjaldgæfum jörðu eru meðal annars vatnsgler (natríumsílíkat), natríumflúoríð, tannín og sterkja.

2.1 Natríumsilíkat (vatnsgler)

Natríumsílíkat, almennt þekkt sem vatnsgler, er eitt mest notaða lækkandi efni í floti sjaldgæfra jarðar. Það er notað til að hindra silíkat steinefni eins og kvars og feldspar. Verkunarháttur þunglyndis af natríumsilíkati er almennt rakinn til myndunar kísillags á yfirborði gangsteinanna, sem kemur í veg fyrir aðsog safnara.

Vatnsgler er áhrifaríkt, ódýrt lækkandi efni, en áhrif þess geta verið undir áhrifum af þáttum eins og pH, jónastyrk og hvarfefnaskammti. Vísindamenn eru að kanna breytt silíköt og önnur efnaaukefni til að bæta valhæfni vatnsglers.

2.2 Natríumflúoríð

Natríumflúoríð er notað til að bæla kalsít í flotferli sjaldgæfra jarðar. Þunglyndandi áhrif þess byggjast á viðbrögðum milli flúorjóna og kalsíumjóna, sem myndar óleysanlega kalsíumflúoríðfilmu á steinefnayfirborðinu, sem kemur í veg fyrir aðsog safnara.

Hins vegar er natríumflúoríð mjög eitrað efni og notkun þess getur valdið umhverfis- og öryggisáhyggjum. Þess vegna eru vísindamenn virkir að leita að öruggari valkostum.

2.3 Tannín og sterkja

Tannín og sterkja eru dæmi um lífræn lækkandi efni sem notuð eru við flot á sjaldgæfum jörðum. Tannín, unnin úr plöntuefnum, eru notuð til að bæla niður göngusteinefni eins og barít og flúorít. Vélbúnaður þeirra felur í sér fléttun með málmjónum á yfirborði steinefna, sem dregur úr viðhengi safnara.

Sterkja er almennt notuð sem lækkandi lyf fyrir hematít og önnur járnberandi steinefni við flot á sjaldgæfum jarðefnum. Samspil sterkju og steinefna er venjulega eðlisfræðilegt, þar sem sterkjusameindir aðsogast á yfirborð steinefna og koma í veg fyrir virkni safnara.

2.4 Ný þunglyndislyf

Þróun nýrra þunglyndislyfja er viðvarandi rannsóknarsvið í floti sjaldgæfra jarðvegs. Þessi nýju hvarfefni miða að því að bæta sértækni og draga úr umhverfisáhrifum flotferlisins. Dæmi um nýlega þróun eru breytt sterkja, tilbúnar fjölliður og lífræn niðurbrjótanleg lífræn þvagræsiefni.

3 froðuvélar fyrir sjaldgæfa jarðarflot

Froða gegnir mikilvægu hlutverki við að búa til stöðugt froðu í flotfrumum, sem gerir kleift að aðskilja sjaldgæf jarðefni úr efnum úr gangtegundum. Froða hefur áhrif á stærð kúla, froðustöðugleika og flothreyfileika. Algengustu froðuvélarnar í floti með sjaldgæfum jörðu eru alkóhól-undirstaða og eter-undirstaða hvarfefni.

3.1 Áfengisfroðarar

Froðuefni sem byggir á áfengi, eins og metýlísóbútýlkarbínól (MIBC) og furuolía, eru mikið notaðar við flot á steinefnum, þar á meðal flot á sjaldgæfum jörðum. Þessar froðuvélar hjálpa til við að mynda litlar, stöðugar loftbólur sem auka flot fínna agna.

Áfengisfroðarar eru tiltölulega ódýrir og áhrifaríkir, en árangur þeirra getur verið mismunandi eftir þáttum eins og pH, steinefnasamsetningu og milliverkunum hvarfefna.

3.2 Eter-undirstaða froðarar

Eter-undirstaða froðuefni, eins og pólýprópýlen glýkól eter (td DF-250), eru einnig almennt notaðir við flot á sjaldgæfum jarðvegi. Þessar froðuvélar hafa tilhneigingu til að framleiða fínni loftbólur og stöðugri froðu samanborið við froðuvélar sem eru byggðar á áfengi. Hins vegar geta eter-undirstaða froðutæki verið dýrari og gæti þurft nákvæma skammtastýringu.

3.3 Novel Frothers

Rannsóknir á nýjum froðutækjum fyrir flot á sjaldgæfum jörðum beinast að því að bæta sértækni og froðustöðugleika en lágmarka umhverfisáhrifin. Þar á meðal eru lífbrjótanlegar froðuvélar og froðuvélar með bættri viðnám gegn tilvist olíu og annarra aðskotaefna í flotgosinu.

4 útskolunarhvarfefni fyrir jónaupptöku, sjaldgæf jarðvegsgrýti

Jón-aðsog sjaldgæf jarðvegs málmgrýti eru einstök að því leyti að sjaldgæf jarðefni frumefnin aðsogast á yfirborð leirsteinda frekar en að vera læst í steinefnabyggingum. Þessi málmgrýti eru venjulega unnin með því að nota útskolun frekar en flot. Útskolunarefni gegna mikilvægu hlutverki í þessu ferli með því að afsoga sjaldgæfu jarðarjónirnar frá leirflötunum.

4.1 Ammóníumsúlfatskolun

Ammóníumsúlfat er algengasta útskolunarefnið fyrir jónaðsog sjaldgæfra jarðvegsgrýti. Ammóníumjónirnar í lausn skiptast við sjaldgæfu jarðarjónirnar á yfirborði leirsteinanna og losa þær í lausn. Þessi aðferð er mikið notuð vegna tiltölulega lágs kostnaðar og einfaldleika.

Hins vegar getur útskolun ammóníumsúlfat valdið verulegum umhverfisvandamálum, sérstaklega hvað varðar ammóníumjónamengun. Unnið er að því að þróa umhverfisvænni valkosti.

4.2 Natríumklóríð og magnesíumsúlfatskolun

Natríumklóríð og magnesíumsúlfat hafa verið rannsökuð sem valkostur við ammóníumsúlfat. Þessi hvarfefni vinna með svipuðum jónaskiptaaðferðum en hafa þann kost að vera minna skaðleg umhverfinu. Hins vegar hafa þeir tilhneigingu til að vera minna árangursríkar hvað varðar batahlutfall og frekari rannsókna er þörf til að hámarka notkun þeirra.

4.3 Lífræn útskolunarefni

Verið er að skoða lífræn útskolunarefni, eins og sítrónusýra og EDTA, sem umhverfisvæna valkosti við hefðbundin ólífræn útskolunarefni. Þessi lífrænu efnasambönd geta í raun klóað sjaldgæfar jarðarjónir, sem gerir það auðveldara að vinna þær úr málmgrýti. Hins vegar er kostnaður við þessi hvarfefni takmarkandi þáttur fyrir útbreiðslu þeirra.

5 útfellingarefni fyrir jónaupptöku, sjaldgæf jarðvegsgrýti

Þegar sjaldgæfar jarðarjónir hafa skolast út í lausn þarf að fella þær út og endurheimta þær. Útfellingarefni eru notuð til að mynda sjaldgæf jarðefnasambönd sem hægt er að skilja frá útskolunarlausninni.

5.1 Ammóníumbíkarbónat

Ammóníumbíkarbónat er almennt notað til að fella út sjaldgæfar jarðvegsjónir úr útskolunarlausnum sem sjaldgæfar jarðvegskarbónöt. Þetta hvarfefni er áhrifaríkt og tiltölulega ódýrt, en það getur framleitt mikið magn af afrennsli sem inniheldur ammoníum, sem hefur í för með sér umhverfisáskoranir.

5.2 Oxalsýra

Oxalsýra er mikið notuð til að fella út sjaldgæf jörð frumefni sem sjaldgæf jörð oxalöt, sem síðan er hægt að brenna til að framleiða sjaldgæf jörð oxíð. Oxalsýra er mjög áhrifarík en getur verið dýrari en ammóníumbíkarbónat. Að auki þarf meðhöndlun oxalsýru varkárra öryggisráðstafana vegna eituráhrifa hennar.

5.3 Ný útfellingarefni

Rannsóknir standa yfir til að þróa sértækari og umhverfisvænni útfellingarefni fyrir endurheimt sjaldgæfra jarðar. Þar á meðal eru lífrænar sýrur, niðurbrjótanleg hvarfefni og jónaskiptaresín.

6 Framtíðarstefnur og horfur

Framtíð hvarfefna til vinnslu sjaldgæfra jarðefna steinefna liggur í þróun sértækari, skilvirkari og umhverfisvænni hvarfefna. Lykilsvið fyrir framtíðarrannsóknir eru:

• Þróun grænna hvarfefna: Umhverfisáhrif flot- og útskolunarefna eru stórt áhyggjuefni, sérstaklega í tengslum við vinnslu sjaldgæfra jarðvegs. Það er vaxandi þörf fyrir þróun lífbrjótanlegra, óeitraðra hvarfefna sem geta komið í stað hefðbundinna efna eins og ammóníumsúlfats og oxalsýra.

• Framfarir í sértækni: Nýir söfnunartæki, sýklalyf og froðuvélar eru nauðsynlegar til að auka valhæfni flots á sjaldgæfum jarðvegi, sérstaklega fyrir lággæða og flókna málmgrýti. Þetta felur í sér könnun á nýjum sameindabyggingum og breytingum á núverandi hvarfefnum.

• Verðlækkun: Hár kostnaður við suma sjaldgæfa jarðefnavinnslu hvarfefni, einkum hýdroxamsýrur og fosfónsýrur, er takmarkandi þáttur fyrir útbreidda notkun þeirra. Framtíðarrannsóknir ættu að einbeita sér að myndun hagkvæmari valkosta eða að bæta skilvirkni núverandi hvarfefna til að draga úr kröfum um skammta.

• Sjálfbær umhverfi: Með auknum reglum um allan heim sem miða að því að draga úr umhverfisáhrifum námuvinnslu, er þróun umhverfislega sjálfbærrar vinnslutækni fyrir sjaldgæfa jarðveg að verða mikilvægari. Þetta felur í sér að lágmarka notkun skaðlegra efna og draga úr myndun úrgangs og mengunar.

Að lokum er vinnsla sjaldgæfra jarðefna steinefna mjög háð notkun efnafræðilegra hvarfefna og áframhaldandi rannsóknir eru nauðsynlegar til að bæta skilvirkni, sértækni og sjálfbærni þessara hvarfefna. Þróun nýrra, grænni hvarfefna mun skipta sköpum fyrir framtíð nýtingar sjaldgæfra jarðar, þar sem alþjóðleg eftirspurn eftir þessum mikilvægu steinefnum heldur áfram að aukast.