Die Vanta Handanalysatoren zur Röntgenfluoreszenz-Analysatoren von Olympus liefern Echtzeitdaten zu geologischen Proben, die Seltene Erden (SE) enthalten. Die 17 Elemente, die zu den Metallen der Seltenen Erden gehören, sind für die grüne Energiewende und die Produktion in fast allen Industriezweigen von entscheidender Bedeutung, sodass die heimische Produktion dieser Metalle erhöht werden muss.1 Folglich ist es von großem Wert, diese Materialien in Echtzeit identifizieren zu können. Die Vanta RFA-Handanalysatoren zeichnen sich durch hervorragende Nachweisgrenzen aus und können eine hohe Anzahl Seltener Erden quantifizieren, sodass eine effektive Erkundung und Identifizierung von Seltenen Erden vor Ort möglich ist.
Die Suche nach Lagerstätten mit hochwertigen Seltenen Erden ist für die Bergbau- und Explorationsindustrie von großem Interesse, da diese Elemente in einer Vielzahl von Produkten Verwendung finden, beispielsweise in umweltfreundlichen Technologien, Unterhaltungselektronik, medizinischen Bildgebungsgeräten und Verteidigungswaffen. Die jüngsten wirtschaftlichen Veränderungen haben viele Regionen dazu veranlasst, nach heimischen Vorkommen von Seltenen Erden zu suchen und diese Erze im eigenen Land zu verarbeiten.2
Die 17 Elemente der Seltenen Erden kommen häufig vor, insbesondere in thorium- (Th) und uranhaltigen (U) Mineralien. Die Olympus RFA-Software umfasst die Seltenen Erden Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd) sowie Scandium (Sc), Yttrium (Y), Thorium (Th), Uran (U), Cäsium (Cs) und Barium (Ba).
Die Leistung des RFA-Handanalysators bei Seltenen Erden und verwandten Elementen
Die nachstehenden Diagramme veranschaulichen die Leistung der Vanta RFA-Handanalysatoren bei einer Reihe von zertifizierten Referenzmaterialien (CRMs) in verschiedenen Kits, die von Ore Research and Exploration Assay Standards (OREAS) bereitgestellt werden. Die außergewöhnliche Genauigkeit und Präzision der von den Vanta RFA-Handanalysatoren berechneten Konzentrationen im Vergleich zu den CRM-Daten zeigen, dass die Vanta Analysatoren hervorragende, hochwertige Daten über SE-haltige Erze und Lagerstätten liefern können.
Abbildung 1. Die Leistung des Vanta RFA-Handanalysators bei Seltenen Erden und verwandten Elementen im Vergleich zu Standards unter Verwendung verschiedener von OREAS bereitgestellter Kits.
Der Vanta RFA-Handanalysator zeigte bei einer Vielzahl von Erzproben, einschließlich Fluorcarbonaten und Sekundärphosphaten, eine hohe Leistungsfähigkeit. Bei den Fluorkarbonaten handelt es sich in der Regel um Bastnäsit, aus dem Yttrium, Cer und Lanthan gewonnen wird, während die Phosphate in der Regel Monazit sind, das neben Lanthan, Cer, Praseodym und Neodym auch die schwereren Seltenen Erden Samarium und Gadolinium sowie das schwach radioaktive Thorium enthält. In den einzelnen Diagrammen ist ersichtlich, dass der Vanta Analysator sowohl bei Bastnäsit als auch bei Monazit genau und präzise arbeitet, wie die Steigungen der Elemente und der R2-Wert nahe bei 1 zeigen.
Beide SE-haltigen Mineralien sind weltweit in ähnlichen Formen zu finden. Verschiedene Minen und Lagerstätten, darunter die weltberühmte Bayan-Obo-Mine, die Mountain-Pass-Mine, Lemhi Pass und Elk Creek, weisen eine ähnliche Geologie und Mineralisierung auf wie die getesteten Standards.3 Die Mountain-Pass-Mine in Kalifornien enthält beispielsweise Gneise, eine bestimmte Art von metamorphem Gestein, die ein ähnliches Alter haben wie mehrere OREAS-Proben.
Darüber hinaus zeigen große öffentlich zugängliche Datenmengen, wie die Vanta RFA-Handanalysatoren aussagekräftige Daten mit teilweise aufbereiteten und unaufbereiteten Proben erzeugen können. Sie können einige dieser Daten in den folgenden Ressourcen einsehen:
- Handanalysatoren für die Röntgenfluoreszenzanalyse für Bodenuntersuchungen: Geochemie von Gesteinsausstrichen, Böden und Sedimenten
- Handanalysatoren für die Röntgenfluoreszenzanalyse bei Explorationsbohrungen: Umkehrspülung, Rotary-Verfahren (RAB) und Diamantkernbohrung
- RFA-Handanalysatoren für die Analyse von Gold (Au) und dessen Begleitelementen bei der Gesteinsexploration und Kartierung von Erzvorkommen
Abbau und Verarbeitung von Seltenen Erden
Viele Länder haben zwar seit Jahrzehnten keine Seltenen Erden mehr im eigenen Land abgebaut, doch in jüngster Zeit wird der Abbau und die Verarbeitung dieser wertvollen Materialien vielerorts vorangetrieben. Mehrere Bergbau- und Aufbereitungsanlagen wie die Mountain-Pass-Mine in Ostkalifornien, die Round-Top-Mine in Westtexas, die Elk-Creek-Mine in Nebraska, die White-Mesa-Mühle in Utah und die Bear-Lodge-Minen in Wyoming enthalten hochwertige Vorkommen von Seltenen Erden.3 Von den 160 bekannten Mineralien, die Seltene Erden enthalten, werden vor allem vier zu diesem Zweck abgebaut: Bastnäsit, Laterit-Tone, Monazit und Loparit. Manchmal werden auch andere Mineralien wie Apatit, Gadolinit und Xenotim als Quelle verwendet.
Seltene Erden sind zwar technisch gesehen nicht „selten“, aber sie kommen in der Regel nicht in großen Konzentrationen oder Adern vor wie Gold (Au) oder andere Mineralien. Das macht es schwierig, diese Elemente zu identifizieren und abzubauen. Außerdem ist die Aufbereitung von SE-haltigen Erzen eine einzigartige und weitgehend chemisch-technische Aufgabe, die weitaus komplexer ist als die Aufbereitung von Gold und Erzen mit unedlen Metallen. Der Vanta RFA-Handanalysator kann Seltene Erden bis in den zweistelligen ppm-Bereich nachweisen und ist damit das ideale Gerät für die schnelle Identifizierung dieser wertvollen Elemente vor Ort. Außerdem kann der Vanta Analysator die Konzentration von SE-Oxiden vor Ort berechnen, wie unten dargestellt. Abbildung 2:
Abbildung 2. Der Vanta RFA-Handanalysator berechnet die Konzentration von gängigen SE-haltigen Mineralien.
Nicht nur die Identifizierung in polymetallischen Erzen kann schwierig sein, auch die Verarbeitung dieser Elemente kann mit zusätzlichen Herausforderungen verbunden sein. Die Entfernung und Reinigung der Seltenen Erden aus dem Erz (weniger als 10 % Seltene Erden), um ein brauchbares Material (mehr als 60 % Seltene Erden) zu erhalten, erfolgt normalerweise mithilfe magnetischer, elektrostatischer oder gravimetrischer Verfahren. Dann werden verschiedene Nicht-Seltene-Erden-Erze mit Säure aufgelöst oder mittels Erwärmung entfernt, sodass eine Kombination von Seltenen-Erden-Erzen übrig bleibt, die durch andere chemische Verfahren als Metalle extrahiert werden können. Der RFA-Handanalysator kann in jeder Phase dieses Aufreinigungsprozesses eingesetzt werden, um die Seltenen-Erden-Erze oder SE-haltigen Verbindungen, die während des Prozesses entfernt werden, wie Kalzit, Kieselerde oder Magnetit zu quantifizieren. Diese Verfahren, von denen viele nach dem Zweiten Weltkrieg von der US-Atomenergiekommission entwickelt wurden, können Seltene Erden mit einem Reinheitsgrad von über 99,9 % produzieren.4, 5
Yttrium als Hinweis auf SE-Oxide
Da eine vollständige Analyse aller 17 Seltenen Erden (mit dem RFA-Handanalysator) entweder unmöglich oder (mit ICP) zu langsam und zu teuer ist, ist es sinnvoll, Methoden zu entwickeln, mit denen die Gesamtkonzentration der Seltenen Erden vor Ort in Echtzeit bestimmt werden kann. Ähnlich wie eine Reihe ausgewählter Elemente, z. B. Arsen, Kupfer, Blei und Zink, als Hinweis für Goldvorkommen dienen, kann Yttrium (Y) verwendet werden, um ein analoges Ziel mit Seltenerdoxiden zu erreichen, vorausgesetzt, das gesuchte SE-Mineral enthält Y in einer nachweisbaren Menge in seiner Zusammensetzung. Mithilfe der CRMs kann die Yttriumkonzentration mit der Gesamtkonzentration an Seltenerdoxid verglichen werden. Wenn man die Y-Konzentration auf der horizontalen Achse und die Gesamtkonzentration an Seltenerdoxid auf der vertikalen Achse aufträgt, zeigt sich, dass die Y-Konzentration die Gesamtkonzentration an Seltenerdoxid gut vorhersagen kann. Ein ähnlicher Zusammenhang wurde bei der Untersuchung ähnlicher Proben in aktiven SE-Projekten festgestellt, z. B. dem Lofdal Heavy Rare-Earths Project im Norden Namibias, wo das vorherrschende Seltene-Erden-Mineral Xenotim (YPO4) ist, das in vielen Erzen mit schweren Seltenen Erden angereichert ist. Mithilfe der PseudoElements-Funktion des Vanta RFA-Handanalysators von Olympus kann die Gesamtkonzentration an Seltenerdoxid vor Ort in Echtzeit berechnet werden. Alle Berechnungen können während einer Prüfung auf dem Gerät durchgeführt werden, wie in Abbildung 4 dargestellt. Recycling von Seltenen Erden mit dem RFA-HandanalysatorDa Seltene Erden teuer sind, gewinnt ihr Recycling aus Konsumgütern und anderen Technologien, z. B. Katalysatoren, zunehmend an Bedeutung.6 Aufgrund der hohen Komplexität aktueller Elektronikkomponenten ist es jedoch schwierig geworden, diesen Prozess rentabel zu gestalten. Moderne Mobiltelefone enthalten zum Beispiel bis zu 65 Elemente, was herkömmliche Recyclingverfahren erschwert. Glücklicherweise kann der Vanta Analysator eine ganze Reihe von Elementen von Magnesium (Mg) bis Uran (U), einschließlich der Seltenen Erden, scannen, um die Identifizierung und das Recycling von Seltenen Erden aus Elektronik, Autos und anderen Konsum- und Industriegütern zu erleichtern. Durch das Recycling von Seltenen Erden können diese für verschiedene Zwecke wiederverwendet werden, z. B. als Magnete für umweltfreundliche Technologien und Konsumgüter.7 |
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Literaturnachweis
- Schulz, K.J., DeYoung, J.H., Seal, R.R. and Bradley, D.C. eds., 2018. Critical Mineral Resources of the United States: Economic and Environmental Geology and Prospects for Future Supply. Geological Survey.
- Long, K.R., Van Gosen, B.S., Foley, N.K. and Cordier, D., 2012. The principal rare earth elements deposits of the United States: A summary of domestic deposits and a global perspective. In Non-Renewable Resource Issues (S. 131-155). Springer, Dordrecht.
- Van Gosen, B.S., Verplanck, P.L. and Emsbo, P., 2019. Rare earth element mineral deposits in the United States (No. 1454). US Geological Survey.
- Frank H. Spedding, Harley A. Wilhelm, Wayne H. Keller, Donald H. Ahmann, Adrian H. Daane, Clifford C. Hach, and Robert P. Ericson. Industrial Engineering Chemistry 1952 44 (3), 553-556
- Spedding, F.H., 1949. Large-scale separation of rare-earth salts and the preparation of the pure metals. Discussions of the Faraday Society, 7, S. 214-231.
- Bleiwas, D.I., 2013. Potential for recovery of cerium contained in automotive catalytic converters.
- Goonan, T.G., 2011. Rare earth elements: End use and recyclability (S. 15). Reston: US Department of the Interior, US Geological Survey.
