Minerały ziem rzadkich - nowoczesne tworzywa mineralne

W 1787 roku C.A. Arrhenius opisał minerał znaleziony w okolicy Ytterb, nazywając go ytterbitem. Obecnie minerał ten nosi nazwę gadolinitu. Pole lantanu w układzie okresowym pierwiastków obejmuje w rzeczywistości 15 pierwiastków o bardzo zbliżonej charakterystyce chemicznej. Dzięki zamkniętej zewnętrznej orbicie elektronowej (poziom 6s) i różnicowaniu się przez rozbudowę niezewnętrznych powłok elektronowych w poziomach 4f (bez Lantanu) i 5d (La, Gd, Lu) są one stosunkowo mało aktywne chemicznie w środowisku naturalnym. Rzadko kreują własne minerały i dla ich przemysłowego przetwórstwa należy je ekstrahować z bardzo ubogich kopalin, mimo że nie są tak rzadkie w skorupie ziemskiej, jak się powszechnie uważa.

Przyjęto, iż pierwiastki ziem rzadkich to lantanowce (Charewicz 1990), obejmujące pierwistki od La (57) do Lu(71) oraz Y (39), Sc (21), i Th (90). Odbiega ta klasyfikacja od geochemicznej, jest natomiast uzasadniona podobieństwem zachowań w przetwórstwie surowców i aplikacji. Podobieństwo chemiczne utrudnia ich ekstrakcję, prowadzoną zazwyczaj metodami hydrometalurgicznymi oraz oczyszczaniem do wymaganego poziomu czystości w postaci metalicznej lub tlenkowej. Głównym nośnikiem ziem rzadkich w skorupie ziemskiej są skały karbonatytowe z najważniejszym minerałem bastnasyt (CeFeCO3), piaski plażowe z monacytami (Ce, Y)PO4 oraz rudy apatytowe i fosforytowe z ksenotymem (YPO4). Przeróbka hydrometalurgiczna surowca polega kolejno na poddawaniu rudy działaniu wodorotlenku sodu, filtracji, działaniu mocnych kwasów nieorganicznych (HCl lub HNO3), pośredniej operacji eliminującej towarzyszący zazwyczaj ziemiom rzadkim tor, ekstrakcji roztworu chlorkowego lub azotanowego do wymagającej czystości. Kolejno następuje kalcynacja dla otrzymania wysokiej jakości tlenków (Brzyska 1987).

Warto zauważyć, iż wymienione minerały ziem rzadkich należą do grupy minerałów ciężkich i w badaniach poszukiwawczych tych minerałów można je z łatwością wyseparować w trakcie rozdzielania minerałów cieżkich z pomoca cieczy ciężkich. Po wykonaniu tego typu badań z cieczami ciężkimi warto przygotować preparaty na płytkach ciężkich i przyjrzeć się skałdowi petrograficznemu czyli wykonać analizę petrograficzną uzyskanego koncentratu. Płytkich cienkie z ang. thin sections (thin sections preparation) mogą być przygotowane w laboratorium oraz następnie analizowane w spolaryzowanym świetle przechodzącym tak by dowiedzieć się na temat składu petrograficznego preparatu lub analizowane za pomocą mikrosondy elektronowej tak by dostarczyć informacji na temat skąłdu chemicznego. Badania apatytów warto wykonywać za pomocą mikrosondy lub ablacji laserowej która ma znacznie większą czułość badań.

Ogromne znaczenie tej grupy pierwiastków dla nowoczesnych technologii materiałów i wysokie ceny ustabilizowały poziom opłacalności przetwórstwa surowców naturalnych zawierających powyżej 2 % koncentracji ziem rzadkich. Dotyczy to surowców kopalnych. Przemysłowe procesy przetwórstwa uboższych surowców zawierających ziemie rzadkie prowadzą często do wtórenej koncentracji tych pierwiastków w odpadach przemysłowych. Tak tworzą się antropogeniczne złoża ziem rzadkich. Przykładem są apatyty z półwyspu kolskiego zawierające 0,8% sumy ziem rzadkich i itru. Koncentrat apatytowy, przetwarzany na kwas fosforanowy metodą gipsową w zakładach chemicznych „Wizów” twory odpad przemysłowy w postaci fosfogipsu. Bilans podziały ziem rzadkich obliczony w Politechnicze Krakowskiej dla procesu rocznego przetwórstwa ok 120 000 ton koncentratu apatytowego z Półwyspu Kolskiego wykazał że około 80% wprowadzonej z koncentratem masy 960 ton LN2O3 przechodzi do fosfogipsu.

Wykonana w 1987 roku dokumentacja geologiczna zrzutu fosfogipsowego zweryfikowała poziom koncentracji Ln2O3 w odpadzie na średnio 0,62 % czyli w dokumentowanej masie złoża antropogenicznego stanowi to 8 286 t Ln2O3. Zawartość ta pokryłaby zapotrzebowanie Polski na dwa podstawowe pierwiastki ziem rzadkich na 30 lat. Niestety stosowanie bardzo silnych kwasów do ekstrakcji ziem rzadkich znacząco podnosi koszt produkcji. Analiza genezy powstania złóż siarki rodzimej z okolic Tarnobrzega nasunęła koncepcję posłużenia się procesami biologicznymi czyli tzw. BRS (bakteryjna redukcja siarczanów). Opracowano technologię odzysku ziem rzadkich z siarczanów w technologii dwustopniowego procesu bakteryjnego. Zakładem przetwórczym wytwarzającym koncentrat Ln2O3 jest w tym przypadku biotechnologiczna oczyszczalnia gnojowicy.

Minerały ziem rzadkich Nadprzewodniki Perowskity