Бастнесит

Бастнезит — это группа редкоземельных фторкарбонатов. полезные ископаемые который включает в себя бастнезит-(Ce), бастнезит-(La) и бастнезит-(Y), причем каждый тип назван в честь доминирующего редкоземельного элемента, который он содержит (церий, лантан и иттрий соответственно). Эти минералы обычно имеют коричневый, красновато-коричневый или желтоватый цвет и имеют стекловидный или смолистый блеск. Они в основном встречаются в богатых карбонатом гидротермальные месторождения, часто ассоциируется с другими редкоземельными минералами, такими как монацит и ксенотим.

История и открытия
Бастнесит был впервые обнаружен в 1838 году в Бастнесе, Швеция, откуда и произошло его название. Он был обнаружен в хвостах шахт Бастнеса, которые в основном добывались для медь и кобальт. Уникальные свойства бастнезита, такие как высокое содержание церия и других редкоземельных элементов, привели к повышенному интересу к минералу. С момента своего открытия бастнезит депозиты были обнаружены в других местах по всему миру, включая Китай, США и Мадагаскар.

Значение в контексте редкоземельных элементов
Бастнезит является важнейшим источником редкоземельные элементы (РЗЭ), особенно легкие редкоземельные элементы (LREE), такие как церий, лантан и неодим. Эти элементы необходимы для различных высокотехнологичных приложений, включая производство постоянных магнитов, каталитических преобразователей и люминофоров для освещения и дисплеев. Месторождения бастнезита имеют важное значение, поскольку они часто содержат высокие концентрации РЗЭ, что делает их экономически выгодными для добычи и переработки. Минерал становится все более важным из-за растущего спроса на РЗЭ в технологиях возобновляемой энергии, электронике и других передовых отраслях. В результате бастнезит играет ключевую роль в глобальных цепочках поставок критически важных материалов.

Химический состав и структура бастнезита

Химический состав
Бастнезит — это фторкарбонатный минерал с общей химической формулой (REE)CO3F\text{(REE)}\text{CO}_3\text{F}(REE)CO3​F, где «REE» представляет собой редкоземельные элементы, в первую очередь церий (Ce), лантан (La) и иттрий (Y). Конкретный состав может варьироваться в зависимости от доминирующего редкоземельного элемента, что приводит к различным разновидностям минерала:

• Бастназит-(Ce): CeCO3F\text{CeCO}_3\text{F}CeCO3​F
• Бастнясит-(Ла): LaCO3F\text{LaCO}_3\text{F}LaCO3​F
• Бастнясит-(Y): YCO3F\text{YCO}_3\text{F}YCO3​F

В дополнение к этим основным элементам, бастнезит может также содержать следовые количества других редкоземельных элементов, таких как неодим (Nd), празеодим (Pr) и самарий (Sm). Наличие фтора (F) в его структуре отличает его от других редкоземельных минералов, таких как монацит и ксенотим, которые являются фосфатами.

Кристальная структура
Бастнезит кристаллизуется в гексагональной кристаллической системе, в частности в пространственной группе P63/mmcP6_3/mmcP63​/mmc. Его структура состоит из слоев катионов редкоземельных элементов (таких как Ce, La или Y), координированных с атомами кислорода из карбонатных групп (CO32−\text{CO}_3^{2-}CO32−​), причем плоскости карбоната чередуются со слоями, содержащими атомы фтора. Карбонатные группы являются тригональными плоскими, и каждый катион РЗЭ окружен девятью атомами кислорода, образуя трехшапочную тригонально-призматическую координационную геометрию.

Эта слоистая структура обеспечивает значительную гибкость в составе минерала, размещая различные редкоземельные элементы в кристаллической решетке. Присутствие фтора дополнительно стабилизирует структуру, влияя на физические свойства минерала, такие как его относительная мягкость (твердость по Моосу 4–4.5) и его свойства спайности.

Структурные последствия
Уникальная структура бастнезита способствует его важности как источника редкоземельных элементов. Присутствие в решетке крупных катионов, таких как церий и лантан, позволяет относительно легко извлекать эти элементы во время добычи и переработки. Кроме того, устойчивость минерала в гидротермальных средах делает его прекрасным индикатором геологических процессов, связанных с концентрациями редкоземельных элементов, что способствует пониманию образования руд РЗЭ.

Геологическое распространение бастнезита

Типы вкладов
Бастнезит в основном встречается в двух типах месторождений: первичный и вторичный.

1. Первичные депозиты:
   Первичные месторождения бастнезита связаны с карбонатитовыми и щелочными магматическими комплексами. Эти месторождения образуются, когда редкоземельные элементы концентрируются магматическими процессами, особенно в богатых карбонатами магмах. По мере того, как эти магмы остывают и кристаллизуются, бастнезит образуется как первичный минерал, часто вместе с другими редкоземельными минералами, такими как монацит и ксенотим. Карбонатитовые комплексы, которые представляют собой редкие магматические горные породы, состоящие в основном из карбонатных минералов, являются наиболее значительными первичными источниками бастнезита. Примерами таких месторождений являются месторождение Баян-Обо в Китае и Гора Пройти депозит в США.
2. Вторичные депозиты:
   Вторичные отложения бастнезита образуются в результате выветривание и изменение первичных месторождений. Когда первичный карбонатит или щелочной горные породы подвергаются химическому выветриванию, бастнезит может концентрироваться в остаточных почвах или аллювиальных россыпях. Эти вторичные отложения обычно встречаются в регионах, где первичные отложения подвергались длительному выветриванию. В таких случаях бастнезит может быть найден вместе с другими выветренными минералами в латеритных почвах или в руслах рек, где накапливаются тяжелые минералы.

Основные мировые локации
Бастнезит встречается в нескольких ключевых местах по всему миру, где его часто добывают как основной источник редкоземельных элементов. Основные мировые месторождения включают:

• Китай:
  Китай является крупнейшим в мире производителем бастнезита и других редкоземельных элементов. Наиболее значительное месторождение находится в После Обо во Внутренней Монголии, которая является крупнейшим известным месторождением бастнезита в мире. Это месторождение находится в гигантском карбонатитовом комплексе и является основным источником легких редкоземельных элементов, таких как церий, лантан и неодим. Другие известные китайские месторождения включают месторождения Вэйшань и Мяньнин.
• Соединенные Штаты:
  Команда Горный перевал Месторождение в Калифорнии является одним из самых известных месторождений бастнезита за пределами Китая. Открытое в 1940-х годах, Mountain Pass было ведущим мировым источником редкоземельных элементов с 1960-х до начала 2000-х годов. Месторождение связано с интрузией карбонатита и содержит высокие концентрации легких редкоземельных элементов. После периода закрытия добыча на Mountain Pass возобновилась в 2012 году, чтобы удовлетворить растущий спрос на редкоземельные элементы.
• Канада:
  Канада имеет несколько месторождений бастнезита, особенно в карбонатитовых комплексах. Известные примеры включают Нехалахо месторождение в Северо-Западных территориях и Странное озеро Месторождение в Квебеке. Эти месторождения являются значительными источниками как легких, так и тяжелых редкоземельных элементов, и они изучаются для потенциальной разработки с целью диверсификации мировых поставок редкоземельных элементов.
• Мадагаскар:
  Команда Амбатофинандрахана Месторождение на Мадагаскаре содержит значительные концентрации бастнезита, связанного с карбонатитом и щелочными породами. Магматические породыЭто месторождение, хотя и не такое большое, как в Китае или США, вносит свой вклад в мировые поставки редкоземельных элементов.
• Гренландия:
  Гренландия является домом для Kvanefjeld и Танбриз Месторождения, содержащие бастнезит и другие редкоземельные минералы. Эти месторождения являются частью щелочного комплекса Илимауссак и богаты как легкими, так и тяжелыми редкоземельными элементами. Месторождения Гренландии привлекают международное внимание из-за их потенциала в качестве новых источников редкоземельных элементов.
• Австралия:
  В Австралии бастнезит встречается в нескольких местах, включая Маунт Велд Месторождение в Западной Австралии. Маунт-Велд — одно из самых богатых месторождений редкоземельных металлов в мире, его активно разрабатывают. Месторождение находится в глубоко выветренном карбонатите и отличается высокой концентрацией как легких, так и тяжелых редкоземельных элементов.

Эти местоположения подчеркивают геологическое разнообразие бастнезита, начиная от первичных залежей в карбонатитовых комплексах до вторичных концентраций в выветренных почвах и аллювиальных отложениях. Глобальное распределение бастнезита имеет решающее значение для поставок редкоземельных элементов, особенно в мире, который все больше зависит от этих материалов для высокотехнологичных приложений и технологий возобновляемой энергии.

Применение и использование бастназита

Источник редкоземельных элементов для различных отраслей промышленности
Бастнезит является одним из основных источников легких редкоземельных элементов (LREE), таких как церий, лантан и неодим, которые имеют решающее значение для различных высокотехнологичных и промышленных применений. Эти редкоземельные элементы, извлеченные из бастнезита, используются в нескольких ключевых отраслях:

• Электроника:
  Редкоземельные элементы из бастнезита, такие как неодим и празеодим, необходимы для производства высокопроизводительных магнитов, используемых в электронных устройствах, таких как смартфоны, наушники и жесткие диски компьютеров. Церий и лантан также используются в производстве специального стекла для оптических линз и датчиков камер, а также в полировальных порошках для облагораживания стеклянных поверхностей.
• Магниты:
  Одним из важнейших направлений использования редкоземельных элементов из бастнезита является производство неодим-железо-бор (NdFeB) магниты. Эти магниты являются самым сильным типом постоянных магнитов, доступных на рынке, и широко используются в различных приложениях, включая двигатели электромобилей, ветровые генераторы и жесткие диски. Неодим, извлеченный из бастнезита, является критически важным компонентом в этих мощных магнитах из-за его высокой магнитной силы и устойчивости к размагничиванию.
• Стекло и керамика:
  Оксид церия, полученный из бастнезита, используется для полировки и обесцвечивания стекла. Он служит в качестве полирующего агента для прецизионной оптики и стеклянных поверхностей. Кроме того, церий и лантан используются для улучшения оптические свойства стекла, делая его более устойчивым к ультрафиолетовому излучению и повышая его прозрачность. В керамике эти элементы способствуют производству специализированных стеклянных и керамических изделий с высокой устойчивостью к тепловому удару и химической коррозии.

Роль в технологиях возобновляемой энергии
Бастнезит играет важную роль в развитии технологий возобновляемой энергии благодаря содержащимся в нем редкоземельным элементам:

• Ветряные турбины:
  Редкоземельные элементы, такие как неодим и диспрозий, которые можно получить из бастнезита, необходимы для производства постоянных магнитов, используемых в генераторах ветряных турбин. Эти магниты имеют решающее значение для эффективности и надежности ветряных турбин с прямым приводом, которым не требуется редуктор, и, таким образом, они требуют меньшего обслуживания и обладают более высокой эффективностью. Это сделало редкоземельные элементы незаменимыми для роста ветроэнергетики как устойчивого источника энергии.
• Электромобили (EV):
  Неодим из бастнезита используется в производстве мощных, легких магнитов, необходимых для двигателей электромобилей (ЭМ). Эти редкоземельные магниты обеспечивают высокий крутящий момент и эффективную работу, которые имеют решающее значение для работы ЭМ. Растущее внедрение ЭМ в рамках глобальных усилий по сокращению выбросов углерода увеличило спрос на бастнезит как источник редкоземельных элементов.
• Солнечные панели:
  Некоторые редкоземельные элементы, получаемые из бастнезита, такие как лантан и церий, используются в специальных покрытиях и люминофорах для солнечных панелей. Эти материалы могут повысить эффективность фотоэлектрических элементов за счет улучшения поглощения и коэффициентов преобразования света, тем самым способствуя более эффективному сбору солнечной энергии.

Использование в катализаторах и люминофорах
Редкоземельные элементы, полученные из бастнезита, также используются в производстве катализаторов и люминофоров:

• Катализаторы:
  Церий, редкоземельный элемент, извлекаемый из бастнезита, широко используется в автомобильных каталитических нейтрализаторах. Эти катализаторы помогают снизить вредные выбросы от транспортных средств, преобразуя токсичные газы, такие как оксид углерода (CO), углеводороды (HC) и оксиды азота (NOx), в менее вредные вещества, такие как диоксид углерода (CO₂) и азот (N₂). Катализаторы на основе церия также используются в нефть промышленности для каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем (FCC), процесса, который расщепляет крупные молекулы углеводородов на более ценные компоненты бензина и дизельного топлива.
• Люминофоры:
  Редкоземельные элементы, такие как европий, тербий и иттрий, часто встречающиеся в месторождениях бастнезита, являются ключевыми компонентами фосфоров. Эти материалы используются в производстве светодиодов (LED), люминесцентных ламп и экранов для телевизоров, компьютеров и смартфонов. Люминофоры, изготовленные из редкоземельных элементов, обеспечивают яркое, долговечное и энергоэффективное освещение и дисплеи.

Бастнезит — важнейший минерал для многочисленных высокотехнологичных и промышленных применений. Он является основным источником редкоземельных элементов, которые необходимы для производства передовой электроники, мощных магнитов, стеклянных и керамических изделий, технологий возобновляемой энергии, автомобильных катализаторов и люминофоров для освещения и дисплеев. Поскольку глобальный спрос на эти приложения продолжает расти, важность бастнезита как стратегического ресурса в цепочке поставок редкоземельных элементов, вероятно, будет расти, что подчеркивает его важную роль в современных технологиях и решениях в области устойчивой энергетики.

Переработка и очистка бастнезита

Обработка и очистка бастнезита для извлечения редкоземельных элементов (РЗЭ) включает несколько стадий, включая добычу, обогащение, химическую экстракцию, разделение и очистку. Из-за его сложного минералогияПереработка бастнезита требует применения специализированных технологий для эффективного извлечения ценных редкоземельных элементов при минимальном воздействии на окружающую среду.

1. Добыча и обогащение

• Добыча:
  Бастнезит обычно добывают открытым способом или подземным способом, в зависимости от глубины месторождения и геологических характеристик. После извлечения сырая руда транспортируется на перерабатывающий завод для дальнейшей обработки.
• Бенефициация:
  Первым шагом в переработке бастнезитовой руды является обогащение, целью которого является концентрация редкоземельных минералов и удаление нежелательных материалов, таких как силикаты и карбонаты. Это достигается путем сочетания физических методов, таких как дробление, измельчение и флотация.
  • Дробление и измельчение: Руда дробится на мелкие частицы, чтобы освободить минерал бастнезит от окружающей породы. Затем следует измельчение, которое еще больше уменьшает размер частиц, чтобы повысить эффективность последующих процессов разделения.
  • Флотация: Измельченная руда подвергается пенной флотации, при которой добавляются химикаты (коллекторы, пенообразователи и модификаторы) для избирательного прикрепления частиц бастнезита к пузырькам воздуха. Пузырьки поднимаются на поверхность, образуя пену, которую можно снять, концентрируя бастнезит и удаляя отходы. В результате получается обогащенный бастнезитом концентрат, который обычно содержит 60-70% оксидов редкоземельных металлов (РЗМ).

2. Химическая экстракция и разложение

• Обжиг и кислотное выщелачивание:
  Концентрат бастнезита часто обжигают при высоких температурах (600-800°C) для удаления карбонатов, фторидов и любых оставшихся минералов пустой породы. Этот процесс также переводит церий, основной компонент бастнезита, из трехвалентного состояния (Ce^3+) в четырехвалентное состояние (Ce^4+), что облегчает его удаление на последующих этапах. После обжига материал подвергается кислотное выщелачивание (обычно с помощью соляной или серной кислоты) для растворения редкоземельных элементов в растворе, оставляя нерастворимые примеси.
• Осаждение и экстракция растворителем:
  Фильтрат, содержащий смесь хлоридов редкоземельных металлов, проходит несколько стадий осаждения для удаления нежелательных элементов, таких как железо, алюминий, и кальций. Очищенный раствор затем обрабатывается с использованием экстракция растворителем, процесс, в котором органические растворители селективно связываются с определенными редкоземельными элементами, разделяя их на основе их различного химического сродства. Этот процесс повторяется несколько раз для достижения высокого уровня разделения и чистоты для каждого отдельного редкоземельного элемента.

3. Разделение и очистка

• Ионный обмен:
  После экстракции растворителем оставшийся раствор может быть дополнительно очищен с использованием методов ионного обмена. Ионообменные смолы селективно адсорбируют определенные редкоземельные ионы из раствора, что позволяет проводить дальнейшее разделение близкородственных элементов, таких как неодим и празеодим. Этот метод особенно полезен для достижения высоких уровней чистоты, необходимых для специализированных применений, таких как электроника и оптика.
• Прокаливание и восстановление:
  Отделенные редкоземельные соединения затем осаждаются, фильтруются и сушатся для получения редкоземельных оксидов. Эти оксиды могут быть дополнительно очищены через обжиг, процесс, который включает нагревание их до высоких температур для удаления остаточной влаги, органических материалов или других примесей. Для получения металлических редкоземельных элементов оксиды подвергаются процесс сокращения, такие как электролиз или металлотермическое восстановление, обычно с использованием кальция или алюминия.

4. Экологические аспекты
Обработка бастнезита для извлечения редкоземельных элементов связана с обращением с опасными химикатами и образованием значительных отходов, включая кислотные сточные воды, радиоактивные остатки (если присутствует торий) и твердые отходы. Чтобы смягчить эти воздействия:

• Управление отходами: Необходимо тщательно утилизировать хвосты флотации, остатки выщелачивания и стоки процессов экстракции растворителем, чтобы предотвратить загрязнение окружающей среды.
• Переработка и восстановление: Разработка замкнутых систем для переработки реагентов и извлечения редкоземельных элементов из отходов становится все более важной для сокращения потребления ресурсов и образования отходов.
• Обращение с радиоактивными элементами: В некоторых месторождениях бастнезита торий или уран могут присутствовать в небольших количествах, требуя специальных мер по безопасной утилизации и локализации радиоактивных материалов.

Заключение

Обработка и очистка бастнезита для извлечения редкоземельных элементов — сложный многоступенчатый процесс, включающий физическое обогащение, химическую экстракцию и сложные методы разделения. Хотя этот процесс является энерго- и ресурсоемким, достижения в технологиях извлечения и очистки продолжают повышать эффективность, рентабельность и воздействие на окружающую среду обработки бастнезита, что имеет жизненно важное значение для поддержания устойчивого снабжения редкоземельными элементами, необходимыми для современных отраслей промышленности и технологий возобновляемой энергии.