Bastnäsite is een groep zeldzame aardfluorcarbonaat mineralen dat bastnäsite-(Ce), bastnäsite-(La) en bastnäsite-(Y) omvat, waarbij elk type is vernoemd naar het dominante zeldzame aarde-element dat het bevat (respectievelijk cerium, lanthaan en yttrium). Deze mineralen zijn doorgaans bruin, roodbruin of gelig van kleur en hebben een glasachtige tot harsachtige glans. Ze worden voornamelijk gevonden in carbonaatrijke hydrothermische afzettingen, vaak geassocieerd met andere zeldzame aardmineralen zoals monaziet en xenotiem.

Geschiedenis en ontdekking
Bastnäsite werd voor het eerst ontdekt in 1838 in Bastnäs, Zweden, waar het zijn naam aan ontleent. Het werd geïdentificeerd in de slibresten van de Bastnäs-mijnen, die voornamelijk werden ontgonnen voor koper en kobalt. De unieke eigenschappen van bastnäsite, zoals het hoge gehalte aan cerium en andere zeldzame aardelementen, leidden tot een toegenomen interesse in het mineraal. Sinds de ontdekking ervan is bastnäsite deposito's zijn ook op andere locaties over de hele wereld aangetroffen, waaronder in China, de Verenigde Staten en Madagaskar.

Belang in de context van zeldzame aardelementen
Bastnäsite is een cruciale bron van zeldzame aardelementen (REE's), met name lichte zeldzame aardmetalen (LREE's) zoals cerium, lanthaan en neodymium. Deze elementen zijn essentieel voor verschillende hightechtoepassingen, waaronder de productie van permanente magneten, katalysatoren en fosfor voor verlichting en displays. Bastnäsite-afzettingen zijn belangrijk omdat ze vaak hoge concentraties REE's bevatten, waardoor ze economisch rendabel zijn voor mijnbouw en verwerking. Het mineraal is steeds belangrijker geworden vanwege de groeiende vraag naar REE's in hernieuwbare energietechnologieën, elektronica en andere geavanceerde industrieën. Als gevolg hiervan speelt bastnäsite een sleutelrol in wereldwijde toeleveringsketens voor kritieke materialen.

Chemische samenstelling en structuur van Bastnäsiet

Chemische samenstelling
Bastnäsite is een fluorcarbonaatmineraal met de algemene chemische formule (REE)CO3F\text{(REE)}\text{CO}_3\text{F}(REE)CO3​F, waarbij “REE” staat voor zeldzame aardelementen, voornamelijk cerium (Ce), lanthaan (La) en yttrium (Y). De specifieke samenstelling kan variëren op basis van het dominante zeldzame aardelement, wat resulteert in verschillende variëteiten van het mineraal:

  • Bastnäsiet-(Ce): CeCO3F\tekst{CeCO}_3\tekst{F}CeCO3​F
  • Bastaard-(La): LaCO3F\tekst{LaCO}_3\tekst{F}LaCO3​F
  • Bastaard-(Y): YCO3F\tekst{YCO}_3\tekst{F}YCO3​F

Naast deze primaire elementen kan bastnäsite ook sporen van andere zeldzame aardelementen bevatten, zoals neodymium (Nd), praseodymium (Pr) en samarium (Sm). De aanwezigheid van fluor (F) in de structuur onderscheidt het van andere zeldzame aardmineralen zoals monaziet en xenotime, die fosfaten zijn.

Kristal structuur
Bastnäsite kristalliseert in het hexagonale kristalsysteem, specifiek in de ruimtegroep P63/mmcP6_3/mmcP63​/mmc. De structuur bestaat uit lagen van zeldzame aardkationen (zoals Ce, La of Y) gecoördineerd aan zuurstofatomen van de carbonaatgroepen (CO32−\text{CO}_3^{2-}CO32−​), waarbij de carbonaatvlakken afwisselen met lagen die fluoratomen bevatten. De carbonaatgroepen zijn trigonaal planair en elk REE-kation is omgeven door negen zuurstofatomen die een trigecapte trigonale prismatische coördinatiegeometrie vormen.

Deze gelaagde structuur zorgt voor aanzienlijke flexibiliteit in de samenstelling van het mineraal, waardoor verschillende zeldzame aardelementen in het kristalrooster passen. De aanwezigheid van fluor stabiliseert de structuur verder, wat de fysieke eigenschappen van het mineraal beïnvloedt, zoals de relatieve zachtheid (Mohs-hardheid van 4–4.5) en de splijteigenschappen.

Structurele implicaties
De unieke structuur van bastnäsite draagt ​​bij aan het belang ervan als bron van zeldzame aardmetalen. De aanwezigheid van grote kationen zoals cerium en lanthaan in het rooster zorgt voor relatief eenvoudige extractie van deze elementen tijdens de mijnbouw en verwerking. Bovendien maakt de stabiliteit van het mineraal in hydrothermale omgevingen het een uitstekende indicator van geologische processen die verband houden met concentraties van zeldzame aardmetalen, wat bijdraagt ​​aan het begrip van de vorming van zeldzame aardmetalen erts.

Geologisch voorkomen van Bastnäsite

Soorten stortingen
Bastnäsiet wordt voornamelijk in twee soorten afzettingen gevonden: primair en secundair.

  1. Primaire stortingen:
    Primaire bastnäsietafzettingen worden geassocieerd met carbonatiet- en alkalische stollingscomplexen. Deze afzettingen vormen zich wanneer zeldzame aardelementen worden geconcentreerd door magmatische processen, met name in carbonaatrijke magma's. Naarmate deze magma's afkoelen en kristalliseren, vormt bastnäsiet zich als een primair mineraal, vaak samen met andere zeldzame aardmineralen zoals monaziet en xenotiem. Carbonatietcomplexen, die zeldzame stollingsgesteenteformaties zijn die voornamelijk uit carbonaatmineralen bestaan, zijn de belangrijkste primaire bronnen van bastnäsiet. Voorbeelden van dergelijke afzettingen zijn de Bayan Obo-afzetting in China en de Berg Pasbetaling in de Verenigde Staten.
  2. Secundaire stortingen:
    Secundaire bastnäsietafzettingen vormen zich via de verwering en wijziging van primaire afzettingen. Wanneer primaire carbonatiet of alkalische rotsen ondergaan chemische verwering, bastnäsite kan geconcentreerd zijn in restbodems of alluviale placers. Deze secundaire afzettingen worden doorgaans gevonden in gebieden waar de primaire afzettingen zijn blootgesteld aan langdurige verwering. In dergelijke gevallen kan bastnäsite samen met andere verweerde mineralen worden gevonden in lateritische bodems of in stroombeddingen waar zware mineralen zich ophopen.

Belangrijke wereldwijde locaties
Bastnäsite wordt op verschillende belangrijke locaties wereldwijd gevonden, waar het vaak wordt gedolven als primaire bron van zeldzame aardelementen. De belangrijkste wereldwijde afzettingen omvatten:

  • China:
    China is 's werelds grootste producent van bastnäsite en andere zeldzame aardelementen. De belangrijkste afzetting bevindt zich in Bayan Obo in Binnen-Mongolië, wat de grootste bekende bastnäsite-afzetting ter wereld is. Deze afzetting bevindt zich in een gigantisch carbonatietcomplex en is een belangrijke bron van lichte zeldzame aardelementen zoals cerium, lanthaan en neodymium. Andere opmerkelijke Chinese afzettingen zijn de Weishan- en Mianning-afzettingen.
  • Verenigde Staten:
    De Bergpas afzetting in Californië is een van de meest prominente bastnäsite afzettingen buiten China. Mountain Pass werd ontdekt in de jaren 1940 en was een toonaangevende wereldwijde bron van zeldzame aardmetalen van de jaren 1960 tot begin jaren 2000. De afzetting is geassocieerd met een carbonatiet-intrusie en bevat hoge concentraties van lichte zeldzame aardmetalen. Na een periode van sluiting werd de mijnbouw in Mountain Pass in 2012 hervat om te voldoen aan de groeiende vraag naar zeldzame aardmetalen.
  • Canada:
    Canada herbergt verschillende bastnäsite-houdende afzettingen, met name in carbonatietcomplexen. Opmerkelijke voorbeelden zijn de Nechalacho storting in de Northwest Territories en de Vreemd meer afzetting in Quebec. Deze afzettingen zijn belangrijke bronnen van zowel lichte als zware zeldzame aardmetalen en worden onderzocht op mogelijke ontwikkeling om de wereldwijde levering van zeldzame aardmetalen te diversifiëren.
  • Madagascar:
    De Ambatofinandrahana afzetting in Madagaskar bevat aanzienlijke concentraties bastnasiet geassocieerd met carbonatiet en alkali stollingsgesteentenDeze afzetting, hoewel niet zo groot als die in China of de Verenigde Staten, draagt ​​bij aan de wereldwijde aanvoer van zeldzame aardmetalen.
  • Groenland:
    Groenland is de thuisbasis van de Kvanefjeld en Tanbreez afzettingen, die bastnäsite en andere zeldzame aardmetalen bevatten. Deze afzettingen maken deel uit van het alkalische complex van Ilímaussaq en zijn rijk aan zowel lichte als zware zeldzame aardmetalen. De afzettingen van Groenland trekken internationale aandacht vanwege hun potentieel als nieuwe bronnen van zeldzame aardmetalen.
  • Australië:
    In Australië wordt bastnäsiet op verschillende locaties aangetroffen, waaronder de Berg Weld afzetting in West-Australië. Mount Weld is een van de meest hoogwaardige zeldzame aardenafzettingen ter wereld en wordt actief gedolven. De afzetting bevindt zich in een diep verweerde carbonatiet en is opmerkelijk vanwege de hoge concentraties van zowel lichte als zware zeldzame aarden.

Deze locaties benadrukken de geologische diversiteit van bastnäsite-voorkomens, variërend van primaire afzettingen in carbonatietcomplexen tot secundaire concentraties in verweerde bodems en alluviale afzettingen. De wereldwijde distributie van bastnäsite is cruciaal voor de levering van zeldzame aardelementen, vooral in een wereld die steeds afhankelijker wordt van deze materialen voor hightechtoepassingen en hernieuwbare energietechnologieën.

Toepassingen en gebruik van Bastnäsite

Bron van zeldzame aardmetalen voor verschillende industrieën
Bastnäsite is een van de primaire bronnen van lichte zeldzame aardmetalen (LREE's) zoals cerium, lanthaan en neodymium, die cruciaal zijn voor verschillende hightech- en industriële toepassingen. Deze zeldzame aardmetalen die uit bastnäsite worden gewonnen, worden in verschillende belangrijke industrieën gebruikt:

  • Elektronica:
    Zeldzame aardelementen uit bastnäsite, zoals neodymium en praseodymium, zijn essentieel voor de productie van hoogwaardige magneten die worden gebruikt in elektronische apparaten zoals smartphones, koptelefoons en computerharde schijven. Cerium en lanthaan worden ook gebruikt bij de productie van speciaal glas voor optische lenzen en camerasensoren, evenals in polijstpoeders voor het verfijnen van glasoppervlakken.
  • Magneten:
    Een van de belangrijkste toepassingen van zeldzame aardelementen uit bastnäsiet is de productie van neodymium-ijzer-boor (NdFeB) magneten. Deze magneten zijn het sterkste type permanente magneten dat beschikbaar is en worden veel gebruikt in verschillende toepassingen, waaronder elektrische voertuigmotoren, windturbinegeneratoren en harde schijven. Neodymium gewonnen uit bastnäsite is een kritisch onderdeel in deze krachtige magneten vanwege de hoge magnetische sterkte en de weerstand tegen demagnetisatie.
  • Glas en keramiek:
    Ceriumoxide, verkregen uit bastnäsite, wordt gebruikt bij het polijsten en ontkleuren van glas. Het dient als polijstmiddel voor precisie-optica en glasoppervlakken. Daarnaast worden cerium en lanthaan gebruikt om de optische eigenschappen van glas, waardoor het beter bestand is tegen ultraviolet licht en de helderheid ervan wordt verbeterd. In keramiek dragen deze elementen bij aan de productie van gespecialiseerde glas- en keramische producten met een hoge weerstand tegen thermische schokken en chemische corrosie.

Rol in hernieuwbare energietechnologieën
Bastnäsite speelt een belangrijke rol in de ontwikkeling van technologieën voor hernieuwbare energie dankzij de zeldzame aardmetalen die het bevat:

  • Windturbines:
    Zeldzame aardmetalen zoals neodymium en dysprosium, die uit bastnäsite kunnen worden gewonnen, zijn essentieel voor de productie van permanente magneten die worden gebruikt in de generatoren van windturbines. Deze magneten zijn cruciaal voor de efficiëntie en betrouwbaarheid van direct-drive windturbines, die geen versnellingsbak nodig hebben en dus minder onderhoud en een hogere efficiëntie bieden. Dit heeft zeldzame aardmetalen onmisbaar gemaakt voor de groei van windenergie als duurzame energiebron.
  • Elektrische voertuigen (EV's):
    Neodymium uit bastnäsite wordt gebruikt bij de productie van krachtige, lichtgewicht magneten die essentieel zijn voor motoren van elektrische voertuigen (EV's). Deze zeldzame-aardemagneten leveren een hoog koppel en efficiënte prestaties, die essentieel zijn voor de werking van EV's. De groeiende acceptatie van EV's als onderdeel van wereldwijde inspanningen om koolstofemissies te verminderen, heeft de vraag naar bastnäsite als bron van zeldzame-aarde-elementen doen toenemen.
  • Zonnepanelen:
    Sommige zeldzame aardelementen verkregen uit bastnäsite, zoals lanthaan en cerium, worden gebruikt in specifieke coatings en fosforen voor zonnepanelen. Deze materialen kunnen de efficiëntie van fotovoltaïsche cellen verbeteren door de lichtabsorptie en conversiepercentages te verbeteren, en zo bijdragen aan een effectievere oogst van zonne-energie.

Gebruik in katalysatoren en fosforen
Van bastnasiet afkomstige zeldzame aardelementen worden ook gebruikt bij de productie van katalysatoren en fosforen:

  • katalysatoren:
    Cerium, een zeldzaam aardelement dat uit bastnäsiet wordt gewonnen, wordt veel gebruikt in katalysatoren voor auto's. Deze katalysatoren helpen schadelijke emissies van voertuigen te verminderen door giftige gassen, zoals koolmonoxide (CO), koolwaterstoffen (HC) en stikstofoxiden (NOx), om te zetten in minder schadelijke stoffen zoals koolstofdioxide (CO₂) en stikstof (N₂). Op cerium gebaseerde katalysatoren worden ook gebruikt in de petroleum industrie voor vloeistofkatalytisch kraken (FCC), een proces dat grote koolwaterstofmoleculen afbreekt tot waardevollere benzine- en dieselcomponenten.
  • Fosforen:
    Zeldzame aardmetalen zoals europium, terbium en yttrium, vaak gevonden in bastnäsite-afzettingen, zijn belangrijke componenten in fosforen. Deze materialen worden gebruikt bij de productie van lichtgevende diodes (LED's), fluorescentielampen en beeldschermen voor televisies, computers en smartphones. Fosforen gemaakt van zeldzame aardmetalen zorgen voor heldere, langdurige en energiezuinige verlichting en beeldschermen.

Bastnäsite is een cruciaal mineraal voor talloze hightech- en industriële toepassingen. Het is een primaire bron van zeldzame aardmetalen die essentieel zijn voor de productie van geavanceerde elektronica, krachtige magneten, glas- en keramische producten, technologieën voor hernieuwbare energie, autokatalysatoren en fosforen voor verlichting en displays. Naarmate de wereldwijde vraag naar deze toepassingen blijft groeien, zal het belang van bastnäsite als strategische hulpbron in de toeleveringsketen van zeldzame aardmetalen waarschijnlijk toenemen, wat zijn cruciale rol in moderne technologie en duurzame energieoplossingen onderstreept.

Verwerking en verfijning van Bastnäsiet

De verwerking en verfijning van bastnäsite om zeldzame aardelementen (REE's) te extraheren, omvat verschillende fasen, waaronder mijnbouw, verrijking, chemische extractie, scheiding en zuivering. Vanwege de complexiteit mineralogieVoor de verwerking van bastnäsiet zijn gespecialiseerde technieken nodig om de waardevolle zeldzame aardmetalen efficiënt terug te winnen en tegelijkertijd de impact op het milieu tot een minimum te beperken.

1. Mijnbouw en verrijking

  • Mining:
    Bastnäsite wordt doorgaans gewonnen uit dagbouw- of ondergrondse mijnen, afhankelijk van de diepte en geologische kenmerken van de afzetting. Na winning wordt het ruwe erts naar een verwerkingsfaciliteit getransporteerd voor verdere behandeling.
  • Beneficiatie:
    De eerste stap in de verwerking van bastnäsite-erts is verrijking, die gericht is op het concentreren van de zeldzame aardmineralen en het verwijderen van ongewenste materialen zoals silicaten en carbonaten. Dit wordt bereikt door een combinatie van fysieke methoden zoals breken, vermalen en floteren.
    • Breken en malen: Het erts wordt vermalen tot kleine deeltjes om het bastnäsietmineraal te bevrijden van het omringende gesteente. Dit wordt gevolgd door vermalen, wat de deeltjesgrootte verder verkleint om de efficiëntie van de daaropvolgende scheidingsprocessen te verbeteren.
    • Flotatie: Het gemalen erts wordt onderworpen aan schuimflotatie, waarbij chemicaliën (collectors, schuimers en modifiers) worden toegevoegd om de bastnäsitedeeltjes selectief aan luchtbellen te hechten. De bellen stijgen naar het oppervlak en vormen een schuim dat kan worden afgeschept, waardoor de bastnäsite wordt geconcentreerd en het afvalmateriaal wordt weggegooid. Dit resulteert in een bastnäsiterijk concentraat dat doorgaans 60-70% zeldzame aardoxiden (REO's) bevat.

2. Chemische extractie en ontleding

  • Roosteren en zuuruitloging:
    Het bastnäsiteconcentraat wordt vaak geroosterd bij hoge temperaturen (600-800°C) om carbonaten, fluoriden en alle resterende ganguemineralen te verwijderen. Dit proces zet ook cerium, een belangrijk bestanddeel van bastnäsite, om van zijn driewaardige toestand (Ce^3+) naar zijn vierwaardige toestand (Ce^4+), wat de verwijdering ervan in de daaropvolgende stappen vergemakkelijkt. Na het roosteren wordt het materiaal onderworpen aan zure uitloging (meestal met zoutzuur of zwavelzuur) om de zeldzame aardmetalen op te lossen, terwijl de onoplosbare onzuiverheden achterblijven.
  • Neerslag en oplosmiddelextractie:
    Het percolaat, dat een mengsel van zeldzame aardchloriden bevat, ondergaat verschillende neerslagfasen om ongewenste elementen zoals ijzer, aluminium, en calcium. De gezuiverde oplossing wordt vervolgens behandeld met solventextractie, een proces waarbij organische oplosmiddelen selectief binden aan specifieke zeldzame aarde-elementen, en deze scheiden op basis van hun verschillende chemische affiniteiten. Dit proces wordt meerdere keren herhaald om een ​​hoog niveau van scheiding en zuiverheid te bereiken voor elk afzonderlijk zeldzame aarde-element.

3. Scheiding en zuivering

  • Ionenuitwisseling:
    Na oplosmiddelextractie kan de resterende oplossing verder worden verfijnd met behulp van ionenuitwisselingstechnieken. Ionenuitwisselingsharsen adsorberen selectief specifieke zeldzame aarde-ionen uit de oplossing, waardoor de verdere scheiding van nauw verwante elementen zoals neodymium en praseodymium mogelijk wordt. Deze methode is met name nuttig voor het bereiken van hoge zuiverheidsniveaus die nodig zijn voor gespecialiseerde toepassingen, zoals in elektronica en optica.
  • Calcinatie en reductie:
    De gescheiden zeldzame aardeverbindingen worden vervolgens neergeslagen, gefilterd en gedroogd om zeldzame aardeoxiden te produceren. Deze oxiden kunnen verder worden verfijnd door calcineren, een proces waarbij ze worden verhit tot hoge temperaturen om alle resterende vochtigheid, organische materialen of andere onzuiverheden te verwijderen. Om zeldzame metalen te produceren, worden de oxiden onderworpen aan een reductie proces, zoals elektrolyse of metallothermische reductie, meestal met behulp van calcium of aluminium.

4. Milieuoverwegingen
Het verwerken van bastnäsite om zeldzame aardelementen te extraheren, omvat het hanteren van gevaarlijke chemicaliën en het genereren van aanzienlijk afval, waaronder zuur afvalwater, radioactieve residuen (als thorium aanwezig is) en vaste afvalstoffen. Om deze effecten te beperken:

  • Afvalbeheer: Flotatieafval, residuen van uitloging en afvalwater van oplosmiddelextractieprocessen moeten zorgvuldig worden beheerd om verontreiniging van het milieu te voorkomen.
  • Recycling en terugwinning: Het ontwikkelen van gesloten systemen voor het recyclen van reagentia en het terugwinnen van zeldzame aardmetalen uit afvalstromen wordt steeds belangrijker om het verbruik van hulpbronnen en de afvalproductie te verminderen.
  • Omgaan met radioactieve elementen: In sommige bastnasietafzettingen is thorium of uranium kunnen in kleine hoeveelheden aanwezig zijn, waardoor speciale maatregelen nodig zijn voor de veilige verwijdering en insluiting van radioactieve stoffen.

Conclusie

Het verwerken en verfijnen van bastnäsite om zeldzame aardmetalen te extraheren is een complex, meerstaps proces dat fysieke verrijking, chemische extractie en geavanceerde scheidingstechnieken omvat. Hoewel het proces energie- en hulpbronintensief is, blijven ontwikkelingen in extractie- en raffinagetechnologieën de efficiëntie, kosteneffectiviteit en ecologische voetafdruk van bastnäsiteverwerking verbeteren, wat van vitaal belang is voor het behoud van een duurzame levering van zeldzame aardmetalen die essentieel zijn voor moderne industrieën en hernieuwbare energietechnologieën.

GERELATEERDE ARTIKELENMeer van auteur