Портативные рентгенофлуоресцентные анализаторы (РФА) Vanta™ Olympus позволяют в режиме реального времени получить данные о геологических пробах, содержащих редкоземельные элементы (РЗЭ). Поскольку эти семнадцать элементов имеют решающее значение для производства зеленой энергии почти во всех отраслях промышленности, необходимо увеличить внутреннее производство этих металлов1. Идентификация этих материалов в реальном времени рыночную ценность. РФ-анализаторы Vanta имеют оптимальные пределы обнаружения и позволяют количественно определять большое количество РЗЭ, что обеспечивает эффективную идентификацию РЗЭ в полевых условиях.
Поиск месторождений ценных РЗЭ важен для горнодобывающей и геологоразведочной промышленности, поскольку эти материалы используются в широком спектре продуктов, включая экологически чистые технологии, бытовую электронику, медицинское оборудование для диагностической визуализации и оборонительные системы. Недавние экономические изменения побудили многие регионы искать и использовать отечественные месторождения РЗЭ и перерабатывать эти металлы внутри страны.2
Семнадцать РЗЭ обычно группируются с торием (Th) и ураном (U). Программное обеспечение для портативных РФА Olympus идентифицирует следующие РЗЭ: лантан (La), церий (Ce), празеодим (Pr), неодим (Nd), а также скандий (Sc), иттрий (Y), торий (Th), уран (U), цезий (Cs) и барий (Ba).
Эффективность pXRF для РЗЭ и связанных с ними элементов
Приведенные ниже графики иллюстрируют исключительную производительность Vanta для сертифицированных стандартных образцов (CRM) в различных комплектах, поставляемых компанией OREAS (Ore Research and Exploration Assay Standards). Исключительная точность и прецизионность концентраций, полученных с помощью РФА Vanta, по отношению к данным CRM показывает насколько надежны анализаторы Vanta в предоставлении данных о рудах и месторождениях, содержащих РЗЭ.
Рис. 1. Производительность РФ-анализаторов Vanta для РЗЭ и связанных с ними элементов в сравнении со стандартами при использовании различных комплектов OREAS.
Портативные РФ-анализаторы Vanta продемонстрировали высокую эффективность для различных образцов руды, включая фторкарбонаты и вторичные фосфаты. Фторкарбонаты обычно представляют собой бастназит, источник иттрия, церия и лантана; а фосфаты обычно представляют собой монацит, который содержит лантан, церий, празеодим и неодим, наряду с более тяжелыми РЗЭ (самарием и гадолинием, и слаборадиоактивным торием). Как показывают графики на каждом уровне, Vanta обеспечивает высокую точность и прецизионность как для бастназита, так и для монацита, о чем свидетельствуют кривые элементов и значение R2, близкое к 1.
Оба минерала, содержащие РЗЭ, можно найти в сходных формах по всему миру. Различные рудники и месторождения, в том числе всемирно известный рудник Bayan Obo, рудники Mountain Pass, Lemhi Pass и Elk Creek имеют сходную с исследованными образцами геологию и минерализацию.3 Шахта Mountain Pass в Калифорнии, например, содержит гнейсы, особый тип метаморфической породы, того же возраста, что и несколько образцов OREAS.
Ресурсы в открытом доступе наглядно показывают, что портативный РФ-анализатор Vanta позволяет получить данные высокого качества для частично подготовленных и неподготовленных образцов. См. некоторые из этих данных здесь:
- Портативный РФА для оценки почвы: Геохимический анализ горных пород, почв и донных отложений
- Портативный РФА в разведочном бурении: Роторное бурение с обратной циркуляцией и алмазное бурение
- Портативный РФ-анализатор золота (Au) и спутников Au. Разведка полезных ископаемых и участков крупных месторождений
Добыча и переработка РЗЭ
Хотя многие страны десятилетиями не добывали РЗЭ внутри страны, в последнее время наблюдается стремление к добыче и переработке этих ценных металлов. Многочисленные горнодобывающие и перерабатывающие предприятия, такие как рудник Mountain Pass в Восточной Калифорнии, рудник Round Top в Западном Техасе, рудник Elk Creek в Небраске, завод White Mesa в Юте и рудники Bear Lodge в Вайоминге являются крупным источником редкоземельных элементов.3 Существует около 160 минералов, содержащих редкоземельные элементы, но четыре из них добываются главным образом для этой цели: бастнезит, латеритные глины, монацит и лопарит. Иногда используются другие минералы, такие как апатит, гадолинит и ксенотим.
Хотя редкоземельные элементы технически не являются «редкими», они не встречаются в больших концентрациях или в жилах, как например, золото (Au) или другие минералы. Это затрудняет их идентификацию и добычу. Кроме того, переработка редкоземельных руд — уникальная задача, являющаяся частью химико-технологического процесса, поэтому гораздо сложнее переработки золотосодержащих руд и цветных металлов. РФ-анализатор Vanta способен обнаружить уровни РЗЭ вплоть до двузначных частей на миллион, что делает его идеальным инструментом для быстрой идентификации этих ценных элементов. Кроме того, анализатор Vanta может рассчитать концентрацию оксидов редкоземельных элементов в поле, как показано ниже. Рис. 2
Рис. 2. Портативный РФ-анализатор Vanta рассчитывает концентрацию соединений минералов, содержащих РЗЭ.
Если идентификация этих соединений в полиметаллической руде может быть затруднена, обработка этих материалов представляет еще большие проблемы. Извлечение и очистка редкоземельных элементов из их природной руды (менее 10% редкоземельной руды в совокупности) в пригодный для использования материал (более 60% редкоземельной руды) может осуществляться с помощью магнитных, электростатических или гравиметрических процессов. На данном этапе, различные нередкоземельные руды растворяются кислотой или нагреваются, оставляя комбинацию редкоземельных руд, которые можно извлечь в металлическом состоянии с помощью других химических процессов. Портативный РФА может использоваться на каждом этапе процесса очистки для количественного определения редкоземельных руд или соединений, содержащихся в большом количестве, которые удаляются в процессе, таких как кальцит, кремнезем или магнетит. Эти процессы, многие из которых были разработаны Комиссией по атомной энергии США после Второй мировой войны, могут производить РЗЭ с чистотой выше 99,9%.4, 5
Иттрий: индикатор оксидов редкоземельных металлов
Поскольку полный анализ всех семнадцати РЗЭ либо невозможен (в случае pXRF), либо занимает слишком много времени и ресурсов (в случае ICP), важно найти методы определения общей концентрации РЗЭ в полевых условиях в режиме реального времени. Подобно тому, как различные элементы, такие как мышьяк, медь, свинец и цинк, можно использовать в качестве индикаторов обнаружения золота, иттрий (Y) может использоваться для достижения аналогичной цели с оксидами РЗЭ при условии, что целевой минерал РЗЭ имеет в своем составе Y на обнаруживаемом уровне. С помощью CRM, концентрацию иттрия можно сравнить с общей концентрацией оксидов редкоземельных элементов (TREO). Если мы построим график с концентрацией Y по горизонтальной оси и концентрацией TREO по вертикальной оси, то мы увидим, что концентрация Y является отличным индикатором концентрации TREO. Похожая взаимосвязь наблюдалась при тестировании аналогичных образцов в действующих проектах РЗЭ, таких как Проект Лофдала по добыче тяжелых редкоземельных элементов в северной Намибии, где преобладающим редкоземельным минералом является ксенотим (YPO4), обогащенный тяжелыми редкоземельными элементами. Используя функции PseudoElements РФ-анализатора Vanta Olympus, концентрацию TREO можно рассчитать в реальном времени в полевых условиях. Все расчеты можно выполнить в приборе во время анализа, как показано на Рис. 4. Переработка РЗЭ с помощью портативных РФАПоскольку редкоземельные элементы являются достаточно дорогими, их переработка из потребительских товаров и других технологий, таких как каталитические нейтрализаторы, становится все более важной.6 Однако, из-за высокой сложности современной электроники стало трудно делать это по конкурентным рыночным ценам. Например, современные сотовые телефоны содержат до 65 элементов, что затрудняет использование традиционных методов переработки. К счастью, анализатор Vanta может сканировать полный набор элементов от магния (Mg) до урана (U), включая редкоземельные элементы, что упрощает идентификацию и переработку редкоземельных элементов из электроники, автомобилей и других потребительских и промышленных товаров. Переработка РЗЭ позволяет использовать их для различных целей, например, для экологически чистых технологий и товаров народного потребления.7 |
|
Библиография
- 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.
