Trenutno stanje raziskav in obeti reagentov za predelavo mineralov redkih zemelj

Reagenti za predelavo mineralov redkih zemelj: zbiralniki, depresanti, sredstva za penjenje in izpiranje za učinkovito in trajnostno predelavo

Elementi redkih zemelj (REE) imajo vrsto izjemnih fizikalnih in kemijskih lastnosti, zaradi česar so kritični v različnih aplikacijah, od elektronike do vojaške uporabe. Države, kot so Kitajska, ZDA, Japonska in Avstralija, jih priznavajo kot bistvene minerale. Vendar pa so redki zemeljski minerali bogati v raznolikosti, vendar nizke stopnje in so pogosto tesno povezani s podobnimi minerali jalovine. Njihovo bogatenje je v veliki meri odvisno od napredka reagentov za predelavo mineralov.

Ta članek je namenjen učinkovitemu izkoriščanju virov redkih zemelj. Povzema trenutno stanje raziskav in razvoja flotacijski reagenti za rude redkih zemelj na osnovi mineralov, vključno z zbiralniki, depresanti, aktivatorji in penilci, skupaj z njihovimi flotacijskimi mehanizmi. Vključno z reagenti za kemično obogatitev ionskih rud redkih zemelj sredstva za izpiranje in sredstva za obarjanje, so prav tako obravnavani, kar zajema njihov status raziskav in mehanizme izpiranja. Poleg tega trenutno stanje flotacija redkih zemelj zbiralcev je ocenjena in bodoče raziskovalne usmeritve za Predelava mineralov redkih zemelj reagenti se analizirajo. Namen tega pregleda je zagotoviti referenco za podjetja in strokovnjake, ki se ukvarjajo s predelavo mineralov redkih zemelj in razvojem reagentov.

0 Predstavitev

Elementi redkih zemelj (REE) vključujejo skandij, itrij in vseh 15 lantanoidov, skupaj 17 elementov. Ti elementi izkazujejo vrsto izjemnih fizikalnih in kemijskih lastnosti, zaradi česar so kritični v različnih civilnih in vojaških sektorjih, vključno z medicinsko, energetsko in obrambno industrijo. Pogosto jih imenujejo "industrijski vitamini", "čudežni elementi", "kmetijski hormoni" in "vojne kovine", ki jih države, kot so Združene države, Kitajska, Japonska, Avstralija, Kanada in Evropska unija, priznavajo kot ključne minerale. Po podatkih Geološkega zavoda Združenih držav Amerike (USGS) od leta 2022 svetovne zaloge oksida redkih zemelj (REO) znašajo približno 120 milijonov ton, predvsem skoncentriranih na Kitajskem (36.7 %), Vietnamu (18.3 %), Braziliji (17.5 %), Rusiji (17.5 %), Indiji (5.8 %) in Avstraliji (3.3 %).

Med največjimi svetovnimi rudniki redkih zemelj so kitajska nahajališča Bayan Obo, Maoniuping in Ganzhou, rudnik Mountain Pass v ZDA, rudnika Araxa in Minasu v Braziliji, nahajališče Strange Lake v Kanadi, nahajališče Mount Weld v Avstraliji in nahajališče Zandkopsdrift v Južni Afriki. Poleg tega so južne kitajske province, vključno z Jiangxi, Guangdong, Fujian in Yunnan, dom za več kot 170 visokokakovostnih nahajališč redkih zemelj z adsorpcijo ionov, ki služijo kot globalni primarni vir srednje in težkih redkozemeljskih elementov.

Identificiranih je bilo več kot 250 vrst mineralov redkih zemelj, pri čemer bastnezit ((Ce, La)(CO3)F), monacit ((Ce, La)PO4), ksenotim (YPO4), itrialit (Y2FeBe(SiO4)2O2) in fergusonit (YNbO4) predstavljajo več kot 95 % vseh rud redkih zemelj na osnovi mineralov. Vendar pa so te rude pogosto povezane s kremenom, fluoritom, baritom, glinencem, kalcitom in drugimi silikatnimi jalovskimi minerali, zaradi česar nastanejo rude nizke vsebnosti, ki jih je težko ločiti. Kot taka obogatenje rud redkih zemelj pogosto zahteva kombinacijo gravitacijske separacije, magnetne separacije in flotacije za nadgradnjo rud nizke vsebnosti v industrijske koncentrate za taljenje. V primeru ionsko adsorpcijskih rud redkih zemelj se elementi redkih zemelj adsorbirajo kot ioni na mineralnih površinah ali znotraj kristalnih plasti, kar zahteva kemično obdelavo za ekstrakcijo oksidov redkih zemelj.

Ne glede na to, ali gre za rude redkih zemelj na osnovi mineralov ali ionov, je uporaba reagentov za bogatenje ključna pri določanju kakovosti izdelka, pridobivanje redkih zemelj stopnje, učinkovitost proizvodnje, stroške in vpliv na okolje.

Ta članek se osredotoča na učinkovito obogatitev virov redkih zemelj in ponuja podroben pregled vrst, mehanizmov in napredka raziskav flotacijskih reagentov (zbiralnikov, penilcev, regulatorjev) za rude redkih zemelj na osnovi mineralov, kot tudi reagentov za kemično bogatenje (sredstva za izluževanje, sredstva za obarjanje) za rude redkih zemelj ionskega tipa. Predstavlja tudi prihodnje smernice za raziskave in razvoj reagentov za predelavo mineralov redkih zemelj, s ciljem zagotoviti referenco za podjetja in raziskovalce, ki se ukvarjajo z ločevanjem redkih zemelj ali razvojem industrijskih reagentov.

1 Flotacijski zbiralci redkih zemelj

Zbiralniki igrajo ključno vlogo pri flotaciji redkih zemelj s spreminjanjem površinske hidrofobnosti ciljnih mineralov, zaradi česar se lažje pritrdijo na mehurčke in izboljšajo njihove flotacijske lastnosti. Na podlagi funkcionalnih skupin lahko zbiralnike za flotacijo redkih zemelj razvrstimo v hidroksamske kisline, maščobne kisline, fosfonske kisline in druge reagente. 1.1 Zbiralniki hidroksamske kisline

Zbiralniki hidroksamske kisline, razviti v osemdesetih letih prejšnjega stoletja, so najpogosteje uporabljeni reagenti pri flotaciji redkih zemelj. Hidroksamske kisline, znane tudi kot oksimi, obstajajo v dveh izomernih oblikah: oksim (keto struktura) in hidroksamska kislina (enolna struktura), pri čemer prevladuje oksim. Oba izomera med flotacijo disociirata in tvorita enake anione.

Običajni zbiralniki hidroksamske kisline, ki se uporabljajo pri flotaciji redkih zemelj, vključujejo C7-C9 alkil hidroksamsko kislino, 2-hidroksi-3-naftohidroksamsko kislino (H205), 1-hidroksi-2-naftohidroksamsko kislino (H203), salicilno hidroksamsko kislino (L102), cikloalkil hidroksamsko kislino, benziloksamsko kislina, oktil malonska hidroksamska kislina (OMHA) in drugi modificirani ali mešani produkti hidroksamske kisline, kot so H316 (modificiran H205), P8 (predvsem hidroksinaftohidroksamska kislina), LF8# (98 % hidroksinaftohidroksamska kislina) in zbiralnik 103 (salicilna hidroksamska kislina). Medtem ko hidroksamske kisline kažejo dobro selektivnost za redke zemeljske elemente, jih je med flotacijo pogosto treba segrevati, kar povzroči višje stroške energije, njihova sinteza pa je lahko tudi draga.

1.2 Zbiralci maščobnih kislin

Zbiralniki maščobnih kislin se uporabljajo pri flotaciji redkih zemelj od leta 1950, ko je bila oleinska kislina uspešno uporabljena na Mountain Passu v Združenih državah. Na Kitajskem so se v šestdesetih letih prejšnjega stoletja začele sistematične študije o uporabi oleinske kisline in oksidiranega parafinskega mila za flotacijo redkih zemelj.

Zbiralniki maščobnih kislin so pridobljeni iz naravnih rastlinskih ali živalskih olj, ki so običajno sestavljeni iz mešanice C10-C20 nasičenih in nenasičenih karboksilnih kislin ali soli. Običajni reagenti vključujejo oleinsko kislino, natrijev oleat, talovo olje, oksidirano parafinsko milo, olje Bacchusovega sadja, ftalate, naftensko kislino in oksidirane naftne derivate. Vendar imajo zbiralniki maščobnih kislin nižjo selektivnost za redke zemeljske minerale in pogosto zahtevajo dodajanje depresivov in prilagoditev temperature, da se doseže učinkovito ločevanje.

Verjame se, da flotacija mineralov redkih zemelj z uporabo maščobnih kislin vključuje kombinacijo fizikalne adsorpcije, kemične adsorpcije in površinskih kemičnih reakcij.

1.3 Zbiralniki fosfonske kisline

Zbiralniki fosfonske kisline (—P=O) in fosfonatov (—O—P=O) kažejo močnejšo flotacijsko zmogljivost za kovinske minerale v primerjavi z zbiralniki hidroksamske in maščobne kisline. Vendar imajo zbiralniki fosfonske kisline na splošno manjšo selektivnost.

Trenutno uporabljeni zbiralniki fosfonske kisline pri flotaciji redkih zemelj vključujejo stiren fosfonsko kislino, p-toluen fosfonsko kislino, benzil fosfonsko kislino, α-hidroksibenzil fosfonsko kislino in komercialne izdelke, kot sta P538 in Flotinor 1682.

1.4 Drugi zbiratelji

Razen hidroksamskih kislin, maščobnih kislin in fosfonskih kislin se raziskujejo številni novi zbiralniki za izboljšanje učinkovitosti in selektivnosti flotacije redkih zemelj. Nekateri od njih vključujejo sulfonate, tiofosfate in kvarterne amonijeve soli.

• Sulfonati: Poročali so, da sulfonati kažejo dobro selektivnost in učinkovitost v flotacijskih procesih, vendar je njihova uporaba pri flotaciji mineralov redkih zemelj še vedno v zgodnjih fazah.

• Tiofosfati: Ti zbiralniki se pogosto uporabljajo pri flotaciji sulfidnih mineralov, vendar raziskave o njihovi uporabi pri flotaciji redkih zemelj še potekajo.

• Kvartarne amonijeve soli: Te spojine so bile raziskane zaradi njihove zmožnosti flotacije nesulfidnih mineralov in poročali so o določenem uspehu pri flotaciji redkih zemelj. Delujejo preko elektrostatične privlačnosti z negativno nabitimi mineralnimi površinami.

Raziskovalci nenehno eksperimentirajo z novimi reagenti za povečanje učinkovitosti flotacije mineralov redkih zemelj, pri čemer se osredotočajo tako na izboljšanje stopenj izkoristka kot tudi na zmanjšanje vpliva teh kemikalij na okolje.

2 depresivi za flotacijo redkih zemelj

Depresanti so bistveni pri flotaciji mineralov redkih zemelj za selektivno zaviranje mineralov jalovega izvora, s čimer izboljšajo selektivnost in izkoristek ciljnih mineralov redkih zemelj. Primarni jalovinski minerali, povezani z rudami redkih zemelj, kot so kremen, kalcit in barit, pogosto kažejo podobno flotacijsko obnašanje, zaradi česar je njihova selektivna inhibicija ključna.

Pogosti depresivi pri flotaciji redkih zemelj vključujejo vodno steklo (natrijev silikat), natrijev fluorid, tanine in škrob.

2.1 Natrijev silikat (vodno steklo)

Natrijev silikat, splošno znan kot vodno steklo, je eden najpogosteje uporabljenih depresivov pri flotaciji redkih zemelj. Uporablja se za zaviranje silikatnih mineralov, kot sta kremen in glinenec. Mehanizem depresivnega delovanja natrijevega silikata se na splošno pripisuje tvorbi silicijeve plasti na površini jalovinskih mineralov, ki preprečuje adsorpcijo kolektorja.

Vodno steklo je učinkovit in poceni depresiv, vendar lahko na njegovo učinkovitost vplivajo dejavniki, kot so pH, koncentracija ionov in odmerek reagenta. Raziskovalci raziskujejo modificirane silikate in druge kemične dodatke za izboljšanje selektivnosti vodnega stekla.

2.2 Natrijev fluorid

Natrijev fluorid se uporablja za zmanjševanje kalcita v postopkih flotacije redkih zemelj. Njegov depresivni učinek temelji na reakciji med fluoridnimi ioni in kalcijevimi ioni, pri čemer se na površini minerala tvori netopen film kalcijevega fluorida, ki preprečuje adsorpcijo zbiralnika.

Vendar pa je natrijev fluorid zelo strupena snov in njegova uporaba lahko povzroči okoljske in varnostne pomisleke. Posledično raziskovalci aktivno iščejo varnejše alternative.

2.3 Tanini in škrob

Tanini in škrob so primeri organskih depresivov, ki se uporabljajo pri flotaciji redkih zemelj. Tanini, pridobljeni iz rastlinskih materialov, se uporabljajo za zniževanje mineralov gangue, kot sta barit in fluorit. Njihov mehanizem vključuje kompleksiranje s kovinskimi ioni na površini mineralov, kar zmanjša pritrditev zbiralnika.

Škrob se običajno uporablja kot depresor za hematit in druge minerale, ki vsebujejo železo, pri flotaciji mineralov redkih zemelj. Interakcija med škrobom in minerali je običajno fizična, pri čemer se molekule škroba adsorbirajo na površino mineralov in preprečujejo zbiralno delovanje.

2.4 Novi depresivi

Razvoj novih depresivov je stalno področje raziskav na področju flotacije redkih zemelj. Namen teh novih reagentov je izboljšati selektivnost in zmanjšati vpliv postopka flotacije na okolje. Primeri nedavnega razvoja vključujejo modificirane škrobe, sintetične polimere in biorazgradljive organske depresante.

3 penilci za flotacijo redkih zemelj

Penilci igrajo ključno vlogo pri ustvarjanju stabilne pene v flotacijskih celicah, kar omogoča ločevanje redkih zemeljskih mineralov od jalovskih materialov. Penilci vplivajo na velikost mehurčkov, stabilnost pene in kinetiko flotacije. Najpogosteje uporabljena sredstva za penjenje pri flotaciji redkih zemelj so reagenti na osnovi alkohola in etra.

3.1 Penilci na osnovi alkohola

Penilci na osnovi alkohola, kot sta metil izobutil karbinol (MIBC) in borovo olje, se pogosto uporabljajo pri flotaciji mineralov, vključno s flotacijo redkih zemelj. Ti penilci pomagajo ustvariti majhne, ​​stabilne mehurčke, ki izboljšajo flotacijo drobnih delcev.

Penilci na osnovi alkohola so razmeroma poceni in učinkoviti, vendar se lahko njihova učinkovitost razlikuje glede na dejavnike, kot so pH, mineralna sestava in interakcije reagentov.

3.2 Penilci na osnovi etra

Penilci na osnovi etra, kot so polipropilen glikol etri (npr. DF-250), se prav tako pogosto uporabljajo pri flotaciji redkih zemelj. Ti penilniki običajno proizvajajo drobnejše mehurčke in stabilnejšo peno v primerjavi s penilci na osnovi alkohola. Vendar so lahko penilci na osnovi etra dražji in lahko zahtevajo natančno kontrolo odmerjanja.

3.3 Novel Frothers

Raziskave novih penilcev za flotacijo redkih zemelj se osredotočajo na izboljšanje selektivnosti in stabilnosti pene ob zmanjševanju vpliva na okolje. Ti vključujejo biološko razgradljive penilnike in penilnike z izboljšano odpornostjo na prisotnost olj in drugih onesnaževal v flotacijski brozgi.

4 reagenti za luženje za ionsko adsorpcijske rude redkih zemelj

Rude redkih zemelj z ionsko adsorpcijo so edinstvene v tem, da se elementi redkih zemelj adsorbirajo na površini glinenih mineralov, namesto da bi bili zaklenjeni v mineralnih strukturah. Te rude se običajno predelujejo z izpiranjem in ne s flotacijo. Sredstva za izpiranje igrajo ključno vlogo v tem procesu z desorpcijo ionov redkih zemelj s površin gline.

4.1 Izpiranje z amonijevim sulfatom

Amonijev sulfat je najpogosteje uporabljeno izlužilno sredstvo za ionsko adsorpcijske rude redkih zemelj. Amonijevi ioni v raztopini se izmenjujejo z ioni redkih zemelj na površini glinenih mineralov in jih sproščajo v raztopino. Ta metoda se pogosto uporablja zaradi svoje relativno nizke cene in enostavnosti.

Vendar lahko izpiranje amonijevega sulfata povzroči pomembne okoljske težave, zlasti v smislu onesnaževanja z amonijevimi ioni. Prizadevajo si za razvoj okolju prijaznejših alternativ.

4.2 Izpiranje z natrijevim kloridom in magnezijevim sulfatom

Natrijev klorid in magnezijev sulfat sta bila raziskana kot alternativa amonijevemu sulfatu. Ti reagenti delujejo prek podobnih mehanizmov ionske izmenjave, vendar imajo to prednost, da so manj škodljivi za okolje. Vendar pa so ponavadi manj učinkoviti v smislu stopnje okrevanja, zato so potrebne nadaljnje raziskave za optimizacijo njihove uporabe.

4.3 Organska sredstva za izpiranje

Organska sredstva za izpiranje, kot sta citronska kislina in EDTA, se raziskujejo kot okolju prijazne alternative običajnim anorganskim reagentom za izpiranje. Te organske spojine lahko učinkovito kelirajo ione redkih zemelj, zaradi česar jih je lažje ekstrahirati iz rude. Vendar je cena teh reagentov omejevalni dejavnik za njihovo široko uporabo.

5 Sredstva za obarjanje za ionsko adsorpcijo rud redkih zemelj

Ko se ioni redkih zemelj izlužijo v raztopino, jih je treba oboriti in pridobiti. Sredstva za obarjanje se uporabljajo za tvorbo spojin redkih zemelj, ki jih je mogoče ločiti od izlužilne raztopine.

5.1 Amonijev bikarbonat

Amonijev bikarbonat se običajno uporablja za obarjanje ionov redkih zemelj iz raztopin za izpiranje kot karbonatov redkih zemelj. Ta reagent je učinkovit in razmeroma poceni, vendar lahko proizvede velike količine odpadne vode, ki vsebuje amonij, kar predstavlja okoljske izzive.

5.2 Oksalna kislina

Oksalna kislina se pogosto uporablja za obarjanje elementov redkih zemelj kot oksalatov redkih zemelj, ki jih je nato mogoče kalcinirati, da nastanejo oksidi redkih zemelj. Oksalna kislina je zelo učinkovita, vendar je lahko dražja od amonijevega bikarbonata. Poleg tega ravnanje z oksalno kislino zahteva skrbne varnostne ukrepe zaradi njene strupenosti.

5.3 Nova sredstva za obarjanje

Raziskave potekajo za razvoj bolj selektivnih in okolju nenevarnih sredstev za obarjanje za pridobivanje redkih zemelj. Sem spadajo organske kisline, biorazgradljivi reagenti in ionsko izmenjevalne smole.

6 Prihodnje smeri in obeti

Prihodnost reagentov za predelavo mineralov redkih zemelj je v razvoju selektivnejših, učinkovitejših in okolju prijaznejših reagentov. Ključna področja za prihodnje raziskave vključujejo:

• Razvoj zelenih reagentov: Vpliv reagentov za flotacijo in izpiranje na okolje je velika skrb, zlasti v kontekstu predelave redkih zemelj. Vedno večja je potreba po razvoju biorazgradljivih, nestrupenih reagentov, ki lahko nadomestijo tradicionalne kemikalije, kot sta amonijev sulfat in oksalna kislina.

• Izboljšanje selektivnosti: Za izboljšanje selektivnosti flotacije redkih zemelj so potrebni novi zbiralniki, depresorji in sredstva za penjenje, zlasti za nizko vsebnost in kompleksne rude. To vključuje raziskovanje novih molekularnih struktur in modifikacijo obstoječih reagentov.

• Zmanjšanje cene: Visoki stroški nekaterih reagentov za obdelavo redkih zemelj, zlasti hidroksamskih kislin in fosfonskih kislin, so omejevalni dejavnik za njihovo široko uporabo. Prihodnje raziskave bi se morale osredotočiti na sintezo cenovno dostopnejših alternativ ali na izboljšanje učinkovitosti obstoječih reagentov za zmanjšanje potreb po odmerkih.

• Okoljska trajnost: Z naraščajočimi predpisi po vsem svetu, katerih cilj je zmanjšati vpliv rudarskih dejavnosti na okolje, postaja razvoj okoljsko trajnostnih tehnologij predelave redkih zemelj vse pomembnejši. To vključuje zmanjšanje uporabe škodljivih kemikalij ter zmanjšanje nastajanja odpadkov in onesnaževanja.

Skratka, predelava mineralov redkih zemelj je močno odvisna od uporabe kemičnih reagentov in stalne raziskave so bistvene za izboljšanje učinkovitosti, selektivnosti in trajnosti teh reagentov. Razvoj novih, okolju prijaznejših reagentov bo ključnega pomena za prihodnost obogatenja redkih zemelj, saj svetovno povpraševanje po teh kritičnih mineralih še naprej narašča.