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Seltene Erden

Flotationszelle
Flotationszelle

Flotation ist ein Trennverfahren, bei dem
in Wasser dispergierte oder suspendierte
Stoffe durch anhaftende Gasblasen;
an die Wasseroberfläche transportiert;
und dort mit einer Räume...

Dhatfield

Gewinnung

Die Trennung der Seltenen Erden voneinander ist sehr aufwändig.

Die reinen Metalle werden überwiegend durch Schmelzflusselektrolyse der Chloride bzw. Fluoride gewonnen. Vorher müssen die entsprechenden Verbindungen jedoch aus den Erzen, die neben anderen Verbindungen immer Gemische der Seltenen Erden enthalten, über zum Teil aufwendige Trennverfahren separiert werden. Im ersten Schritt werden die Erze durch Behandlung mit Laugen oder Säuren aufgeschlossen, zum Teil werden die Erze, wie z.B. Monazit, auch einer Hochtemperaturchlorierung unterworfen, wobei ein Gemisch von Chloriden entsteht. In einem weiteren Schritt werden die aus dem aufgeschlossenen Material gewonnenen Salze einem Trennverfahren unterworfen.

Die Förderung und die Extraktion der Seltenen Erden bedeuten extreme Belastungen für die Umwelt. Bei der Extraktion der Seltenen Erden werden große Mengen von Schwefelsäure benutzt. Im Laufe dieser Prozesse werden großflächige Gebiete geschädigt und die Luft verschmutzt.



Fraktionierte Kristallisation


Ein Verfahren, welches die unterschiedliche Löslichkeiten berücksichtigt. Hierbei werden schwerlösliche Salze einer fraktionierten Fällung oder Kristallisation von Salzlösungen unterworfen. Dies war zu Anfang die bevorzugte Methode und sie wurde schon früh für die Trennung der seltenen Erden im Labormaßstab verwendet.


Ionenaustauscher


Erst die Einführung der Ionenchromatographie machte es möglich, die REE im industriellen Maßstab zu trennen. Hierbei werden bevorzugt Kationenaustauscher verwendet. Die Elution aus der Trennsäule erfolgt dabei mit Komplexbildnern wie EDTA oder Nitrilotriessigsäure.


SX/EW-Verfahren


(Lösungsmittelextraktion (Solvent Extraction) und Elektrolytische Raffination (Electrowinning / Electro extraction)
Das SX/SW-Verfahren ist ein zweistufiger Prozess, wobei in der ersten Stufe Seltenerd-Ionen aus niedriggradigen Lösungen (Laugen) in konzentrierte Elektrolyte überführt werden und in einer zweiten Stufe die Trennung von REE-Metallen durch Elektroraffination (Schmelzflusselektrolyse) erfolgt, wobei sich durch elektrischen Strom eine (unreine) Anode löst und an der Kathode selektiv nur das gereinigte Metall abscheidet.

Lösungsmittelextraktion

Ein Komplexbildner, der zusammen mit einem Lösungsmittel verwendet wird, überführt im Gegenstrom die gelösten Salze der REE aus einer wässrigen in eine organische Phase. Als Extraktionsmittel werden Tri-n-butyl-phosphat, Di(2-ethylhexyl)phosphorsäure oder langkettige qauternäre Ammoniumsalze eingesetzt. Die Abtrennung der Seltenen Erden aus den Lösungen erfolgt dann durch Fällung als Oxalate, Hydroxide oder Carbonate, die zu den Oxiden verglüht werden. Durch Lösen in Mineralsäuren werden dann die entsprechenden Salze der einzelnen Elemente hergestellt. Eines dieser Lösungsmittel, wie es z.Bsp. bei der Extraktion von Eu(III) und Y(III) sowie von Ag, Cd und Zn in einem Salzsäuresystem in Maoniuping (China) benutzt wird, ist Cyanex 301 (Dialky1dithiophosphininsäure).

Gewinnung Seltener Erden aus Loparit
Gewinnung Seltener Erden aus Loparit

Gewinnung Seltener Erden durch SX-Prozesse; (Lösungsmittelextraktion); Dieses Flussdiagramm wurde adaptiert nach; dem flow diagram "Loparite refinery (Irtysh,; Kasakstan and Sillamjae, Estonia); PP...

Castor S. B. and Hedrick, J. B.
Gewinnung Seltener Erden aus Bastnäsit
Gewinnung Seltener Erden aus Bastnäsit

Aufbereitung Flotation und SX von Bastnäsit-Erz
zur Gewinnung Seltener Erden;
Dieses Flussdiagramm wurde adaptiert nach
dem flow diagram "General bastnesite
beneficiation flow diagr...

J.B. Hedrick

Elektroraffination


Die Schmelzflusselektrolyse ist ein Elektrolyseverfahren, bei dem kein wässriges Medium, sondern eine heiße Salzschmelze als Elektrolyt dient. Sie dient zur Herstellung bzw. Gewinnung von Aluminium, aller Alkalimetalle, der meisten Erdalkalimetalle und der REE, außerdem auch von einigen Kunststoffen. Das Verfahren liefert auch Fluor und Chlor (Beispielhaft ist die Schmelzflusselektrolyse im Hall-Héroult-Prozess beschrieben).

In der Produktion nutzt man häufig Elektrolysezellen, bei denen die eine Elektrode (meist Kathode) im Boden eingelassen ist, die andere Elektrode (Anode) taucht parallel zur ersteren in die Salzschmelze. Als Zellmaterialien eignen sich Beton, Steinzeug, Schamott, Porzellan oder Glas. Als Elektrodenmaterialien können Kohle oder Eisen dienen.

Um die Salze zu schmelzen, benötigt man sehr hohe Temperaturen: z. Bsp. benötigt man für die Herstellung der Metalle der REE Ce, La und Nd Temperaturen zwischen 800-900o . Zur Herabsetzung der oft hohen Schmelztemperatur werden vielfach Salzgemische statt der reinen Salze verwendet (Bildung eines Eutektikums). Besonders beliebte Salzzusätze sind KCl und CaF2.



Literatur

  • Baker Cannington Kershaw, J., 2008; , Electro-Metallurgy, BiblioBazaar, LLC,
  • Duan,W., Cao,P., Zhu,Y., 2010; Extraction of rare earth elements from their oxides using organophosphorus reagent complexes with HNO3 and H2O in supercritical CO2. Journal of Rare Earths Vol.28 NO.2 Page: 221-226
  • Mackenzie, M., 2008, The solvent extraction of some major metals - an overview; Henkel Australia Pty ltd
  • Minango,R., Bwalya, R., Bukunkwe, D., Grinbaum, B.; 2005; Development of a novel three-step SX-process to recover copper from an acidic solution; The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy , VOLUME 105
  • Popov, K.I., , Stojan S. Djokić, S.S., Grgur, B.N., , 2002; Fundamental Aspects of Electrometallurgy, p. 1, Springer,
  • Turanova, A.N., Karandashevb, V.K., Kharitonovc, A.V., Yarkevichc, A.N., Safronovac,Z.V., 2000; Extraction of Scandium, Rare Earth Elements, and Yttrium from nitric acid solutions by selected diphosphine dioxides; Vol. 18, Issue 6, pages 1109-1134
  • Zhang, Li-Qing; Wang, Zhi-Chang; Tong, Shu-Xun; Lei, Peng-Xiang; Zou, Wei; 2004; Rare earth extraction from bastnaesite concentrate by stepwise carbochlorination-chemical vapor transport-oxidation .

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