Kim loại

Địa chất của các nguyên tố đất hiếm

Địa chất của các nguyên tố đất hiếm



Tái xuất bản từ: Tiền gửi nguyên tố đất hiếm của Hoa Kỳ, Báo cáo điều tra khoa học USGS 2010-5220Tác giả Keith R. Long, Bradley S. Van Gosen, Nora K. Foley và Daniel Cordier.

Bản đồ nguyên tố đất hiếm: Các huyện nguyên tố đất hiếm ở Hoa Kỳ chủ yếu nằm ở phía tây. Bản đồ này hiển thị vị trí của các vị trí sản xuất tiềm năng - bản đồ phóng to để xem tất cả các vị trí.

Các yếu tố đất hiếm không phải là "hiếm"

Một số khía cạnh địa chất của sự xuất hiện tự nhiên của các nguyên tố đất hiếm ảnh hưởng mạnh mẽ đến việc cung cấp nguyên liệu nguyên tố đất hiếm. Các yếu tố địa chất này được trình bày dưới dạng tuyên bố về các sự kiện tiếp theo là một cuộc thảo luận chi tiết.

Mặc dù các nguyên tố đất hiếm tương đối phong phú trong lớp vỏ Trái đất, chúng hiếm khi tập trung vào các mỏ quặng có thể khai thác.

Nồng độ trung bình ước tính của các nguyên tố đất hiếm trong vỏ Trái đất, dao động từ khoảng 150 đến 220 phần triệu (bảng 1), vượt quá nhiều kim loại khác được khai thác ở quy mô công nghiệp, chẳng hạn như đồng (55 phần mỗi triệu) và kẽm (70 phần triệu). Tuy nhiên, không giống như hầu hết các cơ sở khai thác thương mại và kim loại quý, các nguyên tố đất hiếm hiếm khi được tập trung vào các mỏ quặng có thể khai thác.

Nồng độ nguyên tố đất hiếm

Nồng độ chính của các nguyên tố đất hiếm có liên quan đến các loại đá lửa hiếm gặp, cụ thể là đá kiềm và carbonatit. Nồng độ có thể hữu ích của các khoáng chất mang REE cũng được tìm thấy trong các mỏ sa khoáng, các cặn tồn dư được hình thành từ sự phong hóa sâu của đá lửa, đá cuội, trầm tích vàng đồng oxit sắt và phốt phát biển (Bảng 2).


Bảng 1: Sự phong phú của các nguyên tố đất hiếm

Nguyên tố đất hiếmWedephol
(1995)
Lide
(1997)
McGill
(1997)
Lanthanum30395 đến 18
Ngũ cốc6066.520 đến 46
Praseodymium6.79.23,5 đến 5,5
Neodymium2741.512 đến 24
Samarium5.37.054,5 đến 7
Châu Âu1.320,14 đến 1,1
Gadolium46.24,5 đến 6,4
Terbium0.651.20,7 đến 1
Chứng khó tiêu3.85.24,5 đến 7,5
Holmium0.81.30,7 đến 1,2
Erbium2.13.52,5 đến 6,5
Thulium0.30.520,2 đến 1
Ytterbium23.22,7 đến 8
Lutetium0.350.80,8 đến 1,7
Yttri243328 đến 70
Vụ bê bối16225 đến 10
Toàn bộ184.3242.17

Bảng 1. Ước tính sự phong phú của vỏ các nguyên tố đất hiếm. Các nguyên tố đất hiếm được liệt kê theo thứ tự tăng dần số nguyên tử; yttri (Y) được bao gồm với các yếu tố này vì nó có chung điểm tương đồng về hóa học và vật lý với lanthanides. Đơn vị đo, phần triệu.

Đá Igneous kiềm và Magmas

Đá lửa có tính kiềm hình thành từ việc làm lạnh magma có nguồn gốc từ mức độ nhỏ của đá nóng chảy một phần trong lớp phủ của Trái đất. Sự hình thành của đá kiềm rất phức tạp và không được hiểu đầy đủ nhưng có thể được coi là một quá trình địa chất chiết xuất và tập trung các yếu tố không phù hợp với cấu trúc của các khoáng vật tạo đá thông thường.

Các magma kiềm thu được rất hiếm và được làm giàu một cách bất thường trong các nguyên tố như zirconium, niobium, strontium, barium, lithium và các nguyên tố đất hiếm. Khi các magma này bay lên lớp vỏ Trái đất, thành phần hóa học của chúng trải qua những thay đổi hơn nữa để đáp ứng với sự thay đổi của áp suất, nhiệt độ và thành phần của các loại đá xung quanh. Kết quả là sự đa dạng đáng kinh ngạc của các loại đá được làm phong phú về các yếu tố kinh tế, bao gồm các nguyên tố đất hiếm. Các mỏ khoáng sản liên quan đến các loại đá này khá đa dạng và khó phân loại, trong đó các đặc điểm riêng biệt của các mỏ này và sự hiếm có của chúng có thể dẫn đến các phân loại chỉ có một hoặc một vài ví dụ đã biết.

Bản đồ địa chất nguyên tố đất hiếm: Bản đồ địa chất tổng quát của hầu hết khu vực nguyên tố đất hiếm Mountain Pass, miền nam California. Chỉ có một thiểu số đại diện của hàng trăm đê shonkinite, syenite và carbonatite được hiển thị. Các đê rộng rãi andesitic và rhyolitic, của Mesozoi hoặc đại học, không được hiển thị. Từ USGS Báo cáo tệp mở 2005-1219. Bản đồ phóng to.

Phân loại quặng đất hiếm

Phân loại quặng liên quan đến đá kiềm cũng gây tranh cãi. Bảng 2 trình bày một phân loại tương đối đơn giản theo các loại tương tự đối với các khoản tiền gửi liên quan đến đá lửa không chứa kiềm. Một số loại đá kiềm khác thường lưu trữ, hoặc có liên quan đến quặng của REE là carbonatite và phoscorite, đá lửa có thành phần chủ yếu là khoáng vật cacbonat và phốt phát. Carbonatite, và đặc biệt là phoscorite, tương đối hiếm, vì chỉ có 527 carbonatite được biết đến trên thế giới (Woolley và Kjarsgaard, 2008). Nồng độ kinh tế của các khoáng chất chứa REE xảy ra trong một số loại đá kiềm, skarn và trầm tích thay thế carbonate liên quan đến xâm nhập kiềm, tĩnh mạch và đê cắt các phức hợp igneous kiềm và đá xung quanh, và đất và các sản phẩm phong hóa khác của đá kiềm.

Bảng tuần hoàn của REE: Các nguyên tố đất hiếm là 15 nguyên tố chuỗi lanthanide, cộng với yttri. Scandium được tìm thấy trong hầu hết các trầm tích nguyên tố đất hiếm và đôi khi được phân loại là nguyên tố đất hiếm. Hình ảnh bởi.

Tiền gửi đất hiếm

Phong hóa của tất cả các loại đá mang lại trầm tích được lắng đọng trong nhiều môi trường khác nhau, chẳng hạn như suối và sông, bờ biển, quạt phù sa và đồng bằng châu thổ. Quá trình xói mòn tập trung các khoáng chất dày đặc hơn, đáng chú ý nhất là vàng, vào các mỏ được gọi là các giả dược. Tùy thuộc vào nguồn gốc của các sản phẩm xói mòn, một số khoáng chất chứa các nguyên tố đất hiếm, như monazite và xenotime, có thể được tập trung cùng với các khoáng chất nặng khác.

Nguồn không cần phải là đá lửa kiềm hoặc trầm tích đất hiếm liên quan. Nhiều loại đá trầm tích phổ biến, biến chất và thậm chí cũ hơn có chứa đủ monazite để tạo ra một sa khoáng chứa monazite. Kết quả là, monazite hầu như luôn được tìm thấy trong bất kỳ khoản đặt cọc nào. Tuy nhiên, các loại chất làm mềm có nồng độ monazit lớn nhất thường là loại chất khoáng nặng ilmenit, được khai thác cho các sắc tố oxit titan và các chất đánh dấu cassiterit, được khai thác cho thiếc.

Tiền gửi đất hiếm Iron Hill: Hướng nhìn về phía Tây Bắc của Đồi sắt, Hạt Gunnison, Colorado. Iron Hill được hình thành bởi một kho carbonatite lớn tạo thành trung tâm của một phức hợp xâm nhập kiềm. Tổ hợp này chứa nhiều tài nguyên khoáng sản, bao gồm titan, niobi, các nguyên tố đất hiếm và thori. Hình ảnh USGS.

Tiền gửi đất hiếm còn sót lại

Trong môi trường nhiệt đới, đá bị phong hóa sâu để tạo thành một lớp đất độc đáo bao gồm đá ong, một loại đất giàu sắt và nhôm, dày tới hàng chục mét. Các quá trình hình thành đất thường tập trung các khoáng chất nặng dưới dạng trầm tích còn lại, dẫn đến một lớp kim loại được làm giàu trên lớp vỏ bên dưới, không bị trầy xước.

Khi một mỏ đất hiếm trải qua thời tiết như vậy, nó có thể được làm giàu trong các nguyên tố đất hiếm ở nồng độ lợi ích kinh tế. Một loại tiền gửi đặc biệt của REE, loại hấp thụ ion, được hình thành bằng cách lọc các nguyên tố đất hiếm từ đá lửa dường như phổ biến và cố định các nguyên tố vào đất sét. Các khoản tiền gửi này chỉ được biết đến ở miền nam Trung Quốc và Kazakhstan và sự hình thành của chúng chưa được hiểu rõ.

Các nguyên tố đất hiếm trong Pegmatites

Trong số các pegmatit, một nhóm các đá lửa xâm nhập hạt rất thô, họ niobium-yttri-fluorine, bao gồm một số lượng lớn các loại phụ được hình thành trong các môi trường địa chất khác nhau. Những phân nhóm này là granit trong thành phần và thường được tìm thấy ngoại vi cho các xâm nhập granit lớn. Tuy nhiên, nói chung, các pegmatit chứa các nguyên tố đất hiếm thường nhỏ và chỉ có lợi cho kinh tế đối với người thu gom khoáng sản.

Các loại tiền gửi đất hiếm khác

Loại tiền gửi bằng đồng oxit sắt-sắt đã được công nhận là loại tiền gửi riêng biệt chỉ kể từ khi phát hiện ra khoản tiền gửi đập Olympic khổng lồ ở Nam Úc vào những năm 1980. Trầm tích đập Olympic là bất thường ở chỗ nó chứa một lượng lớn các nguyên tố đất hiếm và uranium. Một phương pháp kinh tế để phục hồi các nguyên tố đất hiếm từ các mỏ này chưa được tìm thấy. Nhiều loại tiền gửi khác thuộc loại này đã được xác định trên khắp thế giới, nhưng thông tin về nội dung các nguyên tố đất hiếm của chúng thường thiếu. Một lượng dấu vết của các nguyên tố đất hiếm cũng đã được xác định trong các trầm tích thay thế từ tính-apatit.

Bauxite Karst, đất giàu nhôm tích tụ trong đá vôi hang động (địa hình karst cơ bản) ở Montenegro và các nơi khác, được làm giàu trong các nguyên tố đất hiếm, nhưng nồng độ thu được không phải là lợi ích kinh tế (Maksimovic và Pantó, 1996). Điều tương tự cũng có thể nói đối với các mỏ photphat biển, có thể chứa tới 0,1% oxit REE (Altschuler và các loại khác, 1966). Do đó, việc thu hồi các nguyên tố đất hiếm như một sản phẩm phụ của sản xuất phân lân đã được nghiên cứu.

Quặng của các nguyên tố đất hiếm rất phức tạp về mặt hóa học và hóa học và thường là chất phóng xạ.

Chế biến khoáng sản cho những thách thức

Trong nhiều mỏ kim loại cơ bản và quý, các kim loại được chiết xuất tập trung cao độ trong một pha khoáng, chẳng hạn như đồng trong chalcopyrite (CuFeS2) hoặc kẽm trong sphalerite (ZnS). Tách một pha khoáng duy nhất khỏi đá là một nhiệm vụ tương đối dễ dàng. Sản phẩm cuối cùng là một chất cô đặc thường được gửi đến một nhà máy để khai thác cuối cùng và tinh chế các kim loại. Kẽm, ví dụ, gần như hoàn toàn có nguồn gốc từ khoáng chất sphalerite, do đó ngành công nghiệp luyện và luyện kẽm toàn cầu đã phát triển một phương pháp xử lý chuyên môn cao về khoáng chất này. Do đó, sản xuất kẽm có lợi thế rõ rệt về chi phí khi sử dụng một công nghệ tiêu chuẩn duy nhất và việc phát triển mỏ kẽm mới là một quá trình thông thường.

Thực hành chế biến khoáng sản hiện nay có khả năng phân tách tuần tự nhiều giai đoạn khoáng sản nhưng không phải lúc nào cũng hiệu quả về mặt chi phí. Khi các yếu tố quan tâm được tìm thấy trong hai hoặc nhiều giai đoạn khoáng sản, mỗi giai đoạn đòi hỏi một công nghệ khai thác khác nhau, chế biến khoáng sản tương đối tốn kém. Nhiều trầm tích nguyên tố đất hiếm chứa hai hoặc nhiều pha mang yếu tố đất hiếm. Do đó, các nguyên tố đất hiếm lắng đọng trong đó các nguyên tố đất hiếm tập trung phần lớn trong một pha khoáng có lợi thế cạnh tranh. Cho đến nay, sản xuất của REE chủ yếu đến từ các mỏ khoáng sản một pha, như Bayan Obo (bastnasite), Mountain Pass (bastnasite), và các khoáng chất nặng (monazite).

Chế biến khoáng phức tạp

Các khoáng chất chứa các nguyên tố đất hiếm, một khi được tách ra, chứa tới 14 nguyên tố đất hiếm riêng lẻ (lanthanides và yttri) phải được tách ra và tinh chế thêm. Sự phức tạp của việc chiết xuất và tinh chế các nguyên tố đất hiếm được minh họa bằng một dòng chảy luyện kim cho mỏ Mountain Pass ở California (hình 2). Không giống như sunfua kim loại, là các hợp chất đơn giản về mặt hóa học, các khoáng chất mang REE khá phức tạp. Quặng sunfua kim loại cơ bản, như sphalerite (ZnS), thường được nấu chảy để đốt cháy lưu huỳnh và tách tạp chất khỏi kim loại nóng chảy. Kim loại thu được được tinh chế thêm đến độ tinh khiết bằng phương pháp điện phân. Mặt khác, các nguyên tố đất hiếm thường được chiết xuất và tinh chế thông qua hàng chục quá trình hóa học để tách các nguyên tố đất hiếm khác nhau và loại bỏ tạp chất.

Các tạp chất chính yếu trong các khoáng chất mang REE là thorium, tạo ra sự phóng xạ không mong muốn đối với quặng. Bởi vì các vật liệu phóng xạ rất khó khai thác và xử lý một cách an toàn, chúng được kiểm soát chặt chẽ. Khi một sản phẩm chất thải phóng xạ được sản xuất, các phương pháp xử lý đặc biệt phải được sử dụng. Chi phí xử lý và xử lý chất phóng xạ là một trở ngại nghiêm trọng đối với việc khai thác kinh tế các khoáng chất giàu phóng xạ của REE, đặc biệt là monazite, thường chứa một lượng đáng kể thorium. Trên thực tế, việc áp dụng các quy định chặt chẽ hơn về việc sử dụng khoáng chất phóng xạ đã đẩy nhiều nguồn monazite ra khỏi thị trường nguyên tố đất hiếm trong những năm 1980.

Việc luyện kim phức tạp của các nguyên tố đất hiếm được kết hợp bởi thực tế là không có hai quặng nào của REE thực sự giống nhau. Kết quả là, không có quy trình tiêu chuẩn để chiết xuất các khoáng chất mang REE và tinh chế chúng thành các hợp chất đất hiếm có thể bán được. Để phát triển mỏ nguyên tố đất hiếm mới, quặng phải được kiểm tra rộng rãi bằng cách sử dụng nhiều phương pháp chiết xuất đã biết và một chuỗi các bước xử lý tối ưu hóa duy nhất. So với một mỏ kẽm mới, quá trình phát triển các nguyên tố đất hiếm tốn nhiều thời gian và tiền bạc hơn.


Bảng 2: Phân loại tiền gửi khoáng chất mang đất yếu

HộiKiểuThí dụ
Đá lửa PeralkalineMagmatic (kiềm-ultrabasic)
Các đê pegmatit (kiềm-ultrabasic)
Các đê pegmatit (peralkaline)
Tĩnh mạch thủy nhiệt và stockworks
Núi lửa
Metasomatic-albitite
Lovozero, Nga
Khibina Massif, Nga
Motzfeldt, Greenland
Đèo Lemhi, Idaho
Brockman, Tây Úc
Miask, Nga
CarbonatitMa pháp
Đê điều và tĩnh mạch quay số
Tĩnh mạch thủy nhiệt và stockworks
Skarn
Thay thế đá carbonate
Metasomatic-fenite
Đèo núi, California
Đồi Kangakunde, Ma-la-uy
Gallina Mtns., New Mexico
Saima, Trung Quốc
Bayan Obo, Trung Quốc
Vịnh Magnet, Arkansas
Sắt oxit đồng vàngThay thế Magnetit-apatit
Hematit-nam châm breccia
Núi Eagle, California
Đập Olympic, Nam Úc
Người mắc bệnhAbyssal (nguyên tố đất hiếm nặng)
Abyssal (yếu tố đất hiếm ánh sáng)
Muscovite (nguyên tố đất hiếm)
Các nguyên tố đất hiếm-allanite-monazite
Các nguyên tố đất hiếm-euxenite
Các nguyên tố đất hiếm-gadolinite
Miarolitic-nguyên tố đất hiếm-topaz-beryl
Các nguyên tố đất hiếm Miarolitic-gadolinite-fergusonite
Aldan, Nga
Năm dặm, Ontario
Cây thông Spruce, Bắc Carolina
Nam Platte, Colorado
Topsham, Maine
Ytterby, Thụy Điển
Núi Antero, Colorado
Khu phức hợp Wasau, Wisconsin
Rò rỉ molybdenumLoại ClimaxClimax, Colorado
Biến tháiGneiss di cư
Các nguyên tố đất hiếm Urani
Thung lũng âm nhạc, California
Mary Kathleen, Queensland
Stratiform phosphate dưPhosphorit nền tảng
Liên kết với cacbonat
Đá ong kết hợp đá granit
Bauxite Baddeleyite
Bauxite Karst
Đông Nam Idaho
Núi hàn, Tây Úc
miền Nam Trung Quốc
Poços de Caldas, Brazil
Montenegro
PaleoplacerUraniferous pyritic thạch anh cuội kết
Thạch anh khối pyritic thạch anh
Hồ Elliot, Ontario
Witwatersrand, Nam Phi
Người đặtShoreline Ti-heavy khoáng sa khoáng
Tin dòng sa khoáng
Cooljarloo, Tây Úc
Malaysia