Gli analizzatori a fluorescenza a raggi X portatile (pXRF) Vanta™ Olympus forniscono i dati in tempo reale relativi ai campioni geologici contenenti elementi di terre rare (REE - rare-earth elements). Questi diciassette elementi sono fondamentali per la rivoluzione energetica verde e la produzione praticamente in qualunque industria, in questo modo si ha la necessità di incrementare la produzione nazionale di questi metalli. Di conseguenza esiste una domanda per l'identificazione di questi materiali in tempo reale. Gli analizzatori pXRF Vanta hanno dei limiti di rilevabilità straordinari e un elevato numero di REE quantificabili, permettendo un'efficace attività esplorativa e identificativa di REE sul campo.
La ricerca di giacimenti con REE di elevato valore è auspicabile per il settore minerario e esplorativo visto che questi materiali sono usati in un'ampia gamma di prodotti come: tecnologia verde, componentistiche elettroniche, dispositivi di imaging medici e armi di difesa. I recenti cambiamenti economici hanno indotto numerosi paesi a individuare e sfruttare i giacimenti di REE, trattando questi minerali a livello nazionale.2
I diciassette REE si trovano in genere associati al torio (Th) e all'uranio (U). Il software degli analizzatori pXRF Olympus software include i quasi REE come il lantanio (La), il cerio (Ce), il praseodimio (Pr), il neodimio (Nd) oltre allo scandio (Sc), l'ittrio (Y), il torio (Th), l'uranio (U), il cesio (Cs) e il bario (Ba).
Le prestazioni degli analizzatori pXRF sugli REE e degli elementi associati
I grafici riportati di seguito mostrano le straordinarie prestazioni degli analizzatori pXRF Vanta su diversi tipi di materiali di riferimento certificati (CRM - certified reference material) in diversi kit forniti dall'OREAS (ore research and exploration assay standards). L'eccezionale accuratezza e precisione nella corrispondenza tra i dati CRM e le concentrazioni calcolate dagli analizzatori pXRF Vanta mostrano come gli analizzatori Vanta possono fornire degli eccellenti dati di alta qualità riferibili ai giacimenti e ai minerali contenenti REE.
Figura 1. Le prestazioni degli analizzatori pXRF Vanta di elementi di terre rare e degli elementi associati prendendo come termine comparativo i campioni di riferimento attraverso diversi kit forniti da OREAS.
L'analizzatore pXRF Vanta ha dimostrato delle elevate prestazioni per diversi tipi di campioni minerali, inclusi i fluorocarbonati e i fosfati secondari. I fluorocarbonati sono in genere riferibili alla bastnasite, contenente ittrio, cerio e lantanio, mentre i fosfati sono in genere riferibili alla monazite, contenente lantanio, cerio, praseodimio e neodimio, insieme agli REE più pesanti come il samario e il gadolinio, oltre al torio, leggermente radioattivo. Come illustrato nei grafici a ogni livello, il Vanta ha delle prestazioni accurate e precise in corrispondenza della bastnasite e della monazite, come indicato dalle pendenze degli elementi e dall'R2 vicino a 1.
Entrambi i minerali contenenti REE possono essere trovati con forme simili a livello globale. In diversi giacimenti e miniere, come la miniera Bayan Obo, la miniera Mountain Pass, il Lemhi Pass e il Elk Creek, famosi a livello internazionale, sono presenti delle situazioni geologiche e di mineralizzazione simili a quelle dei campioni di riferimento analizzati.3 Nella miniera Mountain Pass in California, per esempio, è presente gneiss, un specifico tipo di roccia metamorfica, di un'epoca simile a quella dei campioni OREAS.
Inoltre molti dati disponibili pubblicamente mostrano come gli analizzatori pXRF Vanta possano produrre dei dati di alta qualità su campioni non preparati o parzialmente preparati. Attraverso i seguenti link è possibile consultare questi dati:
- Analizzatore XRF portatile per le analisi del suolo: Geochimica di affioramenti rocciosi, suoli e sedimenti
- Tecnologia XRF portatile per i sondaggi esplorativi: Circolazione inversa, getto d'aria rotante e perforazione con punta diamantata
- Tecnologia XRF portatile per il rilevamento dell'oro (Au) e dei rispettivi elementi indicatori per le esplorazioni minerarie e le analisi di orientamento ai depositi minerali (vectoring)
Estrazione e trattamento di REE
Sebbene per decenni in numerosi paesi non siano stati estratti i REE, recentemente stato dato un nuovo impulso all'estrazione e al trattamento di questi materiali preziosi. Diversi sistemi minerari e impianti di trattamento (es: miniera di Mountain Pass nella California orientale, miniera di Round Top nel Texas occidentale, miniera di Elk Creek in Nebraska, impianto di White Mesa Mill in Utah e le miniere di Bear Lodge in Wyoming) possiedono giacimenti di REE di elevata qualità.3 Sebbene esistano 160 minerali noti che contengono terre rare, sono principalmente quattro quelli estratti per questo scopo: bastnasite, argille lateritiche, monazite e loparite. Alcune volte vengono usati altri minerali come apatite, gadolinite e xenotime.
Sebbene gli elementi di terre rare non siano tecnicamente "rari", non sono in genere disponibili in rilevanti concentrazioni o filoni come nel caso dell'oro (Au) o di altri minerali. Pertanto risultano complesse l'identificazione e l'estrazione di questi minerali. Inoltre il trattamento di minerali di terre rare rappresenta un'operazione particolare e prevalentemente di ingegneria chimica, molto più complessa del trattamento di minerali relativi ai metalli di base e all'oro. L'analizzatore pXRF Vanta è in grado di analizzare fino a concentrazioni di REE nell'ordine delle decine di ppm, rendendolo lo strumento ideale per una veloce identificazione in loco di questi elementi preziosi. Inoltre l'analizzatore Vanta può calcolare la concentrazione di ossidi di terre rare sul campo, come illustrato di seguito. Figura 2.
Figura 2. L'analizzatore pXRF Vanta calcola la concentrazione dei composti dei comuni minerali contenenti REE.
Mentre l'identificazione di minerali polimetallici può risultare complessa, il trattamento di questi materiali può presentare delle complessità supplementari. La rimozione e la purificazione delle terre rare dal loro minerale di origine (inferiore al 10% di minerale di terre rare combinato), ottenendo minerale sfruttabile (superiore al 60% di minerale di terre rare), possono in genere essere realizzate attraverso dei trattamenti magnetici, elettrostatici o gravimetrici. In seguito, diversi minerali non di terre rare vengono dissolti con acidi o con il calore, lasciando una combinazione di minerali di terre rare che possono essere estratti al loro stato metallico attraverso altri trattamenti chimici. Gli analizzatori XRF portatili possono essere usati in ogni fase del trattamento di purificazione per quantificare i minerali di terre rare o i composti abbondanti in terre rare che sono stati rimossi durante il trattamento (es: calcite, silice o magnetite). Questi trattamenti, molti dei quali sono stati sviluppati dalla Commissione per l'energia atomica degli Stati Uniti d'America dopo al seconda guerra mondiale, possono produrre REE con una purezza superiore al 99,9%.4, 5
Ittrio come elemento indicatore di ossidi di terre rare
Visto che un'analisi completa di tutti i diciassette REE può risultare o impossibile (nel caso degli analizzatori pXRF) o eccessivamente lenta e costosa (nel caso di ICP), è utile trovare metodi di determinazione della concentrazione totale di terre rare applicabili sul campo in tempo reale. In modo simile a come diversi elementi selezionati come arsenico, rame, piombo e zinco, possono essere usati come elementi indicatori per l'individuazione dell'oro, l'ittrio (Y) può essere usato per raggiungere un obiettivo analogo con gli ossidi di terre rare (REO - rare-earth oxides), dando per acquisito che il minerale REE target contenga nella sua composizione l'Y a una concentrazione rilevabile. Usando il CRM, la concentrazione di ittrio può essere confrontata alla concentrazione di ossido di terre rare totale (TREO - total rare-earth oxide). Quando si riporta su un grafico la concentrazione dell'Y sull'asse orizzontale e la concentrazioen del TREO sull'asse verticale, la concentrazione dell'Y risulta un eccezionale indicatore della concentrazione del TREO. Una simile correlazione è stata osservata analizzando campioni analoghi in progetti REE attivi, come il Lofdal Heavy Rare-Earths Project sviluppato nella Namibia settentrionale, dove il minerale di terre rare presente prevalentemente è il xenotime (YPO4), il quale è arricchito di terre rare pesanti. Utilizzando la funzione PseudoElements dell'analizzatore pXRF Vanta Olympus, la concentrazione del TREO può essere calcolata in tempo reale direttamente sul campo. Tutti i calcoli possono essere realizzati sull'analizzatore durant eun'analisi, come illustrato nella Figura 4. Riciclaggio di REE mediante analisi pXRFVisto che gli elementi di terre rare sono costosi, diventa sempre più importante riciclarne i loro metalli partendo dai prodotti di consumo e da altre componenti tecnologiche.6 Tuttavia, a causa dell'alta complessità dell'attuale componentistica elettronica, è complicato effettuare questa operazione a un costo sostenibile. Per esempio, i moderni telefoni cellulari contengono fino a 65 elementi, rendendo le classiche tecniche di riciclaggio di difficile applicazione. Fortunatamente, l'analizzatore Vanta può analizzare una serie completa di elementi, dal magnesio (Mg) all'uranio (U) (incluse le terre rare) semplificando l'identificazione e il riciclaggio di terre rare dalla componentistica elettronica a altri prodotti di consumo e industriali. Il riciclaggio di REE ne permette una riconversione per diversi usi come magneti per la tecnologia verde e prodotti di consumo.7 |
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Bibliografia
- 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 (pp. 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, pp.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 (p. 15). Reston: US Department of the Interior, US Geological Survey.
