Bastanäsite

Bastnäsite è un gruppo di fluorocarbonati di terre rare minerali che include bastnäsite-(Ce), bastnäsite-(La) e bastnäsite-(Y), con ogni tipo che prende il nome dall'elemento dominante delle terre rare che contiene (rispettivamente cerio, lantanio e ittrio). Questi minerali sono tipicamente di colore marrone, bruno-rossastro o giallastro e hanno una lucentezza da vetrosa a resinosa. Si trovano principalmente in depositi idrotermali, spesso associato ad altri minerali di terre rare come la monazite e la xenotime.

Storia e scoperta
La bastnäsite fu scoperta per la prima volta nel 1838 a Bastnäs, in Svezia, da cui deriva il suo nome. Fu identificata nei residui delle miniere di Bastnäs, che venivano estratte principalmente per rame e cobaltoLe proprietà uniche della bastnäsite, come l'elevato contenuto di cerio e di altri elementi delle terre rare, hanno portato a un crescente interesse per il minerale. Sin dalla sua scoperta, la bastnäsite depositi sono stati trovati in altre località del mondo, tra cui Cina, Stati Uniti e Madagascar.

Importanza nel contesto degli elementi delle terre rare
La bastnäsite è una fonte cruciale di elementi delle terre rare (REE), in particolare gli elementi delle terre rare leggere (LREE) come cerio, lantanio e neodimio. Questi elementi sono essenziali per varie applicazioni high-tech, tra cui la produzione di magneti permanenti, convertitori catalitici e fosfori per illuminazione e display. I depositi di bastnäsite sono significativi perché spesso contengono alte concentrazioni di terre rare, rendendoli economicamente sostenibili per l'estrazione e la lavorazione. Il minerale è diventato sempre più importante a causa della crescente domanda di terre rare nelle tecnologie delle energie rinnovabili, nell'elettronica e in altre industrie avanzate. Di conseguenza, la bastnäsite svolge un ruolo chiave nelle catene di fornitura globali per materiali critici.

Composizione chimica e struttura della bastnäsite

Composizione chimica
Bastnäsite è un minerale fluorocarbonato con la formula chimica generale (REE)CO3F\text{(REE)}\text{CO}_3\text{F}(REE)CO3​F, dove "REE" rappresenta gli elementi delle terre rare, principalmente cerio (Ce), lantanio (La) e ittrio (Y). La composizione specifica può variare in base all'elemento dominante delle terre rare, dando origine a diverse varietà del minerale:

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

Oltre a questi elementi primari, la bastnäsite può contenere anche tracce di altri elementi delle terre rare come neodimio (Nd), praseodimio (Pr) e samario (Sm). La presenza di fluoro (F) nella sua struttura la distingue da altri minerali delle terre rare come monazite e xenotime, che sono fosfati.

Struttura di cristallo
La bastnäsite cristallizza nel sistema cristallino esagonale, in particolare nel gruppo spaziale P63/mmcP6_3/mmcP63​/mmc. La sua struttura è costituita da strati di cationi di terre rare (come Ce, La o Y) coordinati ad atomi di ossigeno dai gruppi carbonatici (CO32−\text{CO}_3^{2-}CO32−​), con i piani carbonatici alternati a strati contenenti atomi di fluoro. I gruppi carbonatici sono planari trigonali e ogni catione REE è circondato da nove atomi di ossigeno che formano una geometria di coordinazione prismatica trigonale tricappata.

Questa struttura stratificata consente una notevole flessibilità nella composizione del minerale, accogliendo vari elementi delle terre rare nel reticolo cristallino. La presenza di fluoro stabilizza ulteriormente la struttura, influenzando le proprietà fisiche del minerale, come la sua relativa morbidezza (durezza Mohs di 4-4.5) e le sue proprietà di scissione.

Implicazioni strutturali
La struttura unica della bastnäsite contribuisce alla sua importanza come fonte di elementi delle terre rare. La presenza di grandi cationi come cerio e lantanio nel reticolo consente un'estrazione relativamente facile di questi elementi durante l'estrazione e la lavorazione. Inoltre, la stabilità del minerale in ambienti idrotermali lo rende un eccellente indicatore dei processi geologici associati alle concentrazioni di elementi delle terre rare, contribuendo alla comprensione della formazione del minerale REE.

Presenza geologica di Bastnäsite

Tipi di depositi
La bastnäsite si trova principalmente in due tipi di depositi: primario e secondario.

1. Depositi primari:
   I depositi primari di bastnäsite sono associati a complessi ignei alcalini e carbonatitici. Questi depositi si formano quando gli elementi delle terre rare vengono concentrati da processi magmatici, in particolare nei magmi ricchi di carbonato. Quando questi magmi si raffreddano e cristallizzano, la bastnäsite si forma come minerale primario, spesso insieme ad altri minerali delle terre rare come la monazite e lo xenotime. I complessi di carbonatite, che sono rare formazioni rocciose ignee composte principalmente da minerali carbonatici, sono le fonti primarie più significative di bastnäsite. Esempi di tali depositi includono il deposito di Bayan Obo in Cina e il La Montagna Deposito del pass negli Stati Uniti.
2. Depositi secondari:
   I depositi secondari di bastnäsite si formano attraverso il agenti atmosferici e alterazione di depositi primari. Quando carbonatite primaria o alcalina rocce subiscono alterazione chimica, la bastnäsite può essere concentrata in terreni residui o placer alluvionali. Questi depositi secondari si trovano in genere in regioni in cui i depositi primari sono stati esposti a un'alterazione prolungata. In tali casi, la bastnäsite può essere trovata insieme ad altri minerali alterati in terreni lateritici o in letti di corsi d'acqua in cui si accumulano minerali pesanti.

Principali sedi globali
La bastnäsite si trova in diverse località chiave in tutto il mondo, dove viene spesso estratta come fonte primaria di elementi di terre rare. I principali depositi globali includono:

• Cina:
  La Cina è il più grande produttore al mondo di bastnäsite e di altri elementi delle terre rare. Il deposito più significativo si trova a Bayan Obo nella Mongolia Interna, che è il più grande deposito di bastnäsite conosciuto al mondo. Questo deposito è ospitato in un gigantesco complesso di carbonatite ed è una delle principali fonti di elementi leggeri delle terre rare come cerio, lantanio e neodimio. Altri notevoli depositi cinesi includono i depositi di Weishan e Mianning.
• Stati Uniti:
  La Passo di montagna deposito in California è uno dei più importanti depositi di bastnäsite al di fuori della Cina. Scoperto negli anni '1940, Mountain Pass è stata una delle principali fonti globali di terre rare dagli anni '1960 ai primi anni 2000. Il deposito è associato a un'intrusione di carbonatite e contiene alte concentrazioni di terre rare leggere. Dopo un periodo di chiusura, l'attività estrattiva è ripresa a Mountain Pass nel 2012 per soddisfare la crescente domanda di terre rare.
• Canada:
  Il Canada ospita diversi depositi contenenti bastnäsite, in particolare nei complessi carbonatitici. Esempi degni di nota includono Nechalacho deposito nei Territori del Nord-Ovest e il Lago Strano deposito in Quebec. Questi depositi sono fonti significative di elementi di terre rare sia leggere che pesanti e sono oggetto di esplorazione per un potenziale sviluppo volto a diversificare la fornitura globale di terre rare.
• Madagascar:
  La Ambatofinandrahana il deposito in Madagascar contiene concentrazioni significative di bastnäsite associata a carbonatite e alcalino rocce igneeQuesto deposito, sebbene non sia grande quanto quelli della Cina o degli Stati Uniti, contribuisce alla fornitura globale di elementi di terre rare.
• Groenlandia:
  La Groenlandia ospita il Kvanefjeld e Tanbreez depositi, che contengono bastnäsite e altri minerali contenenti terre rare. Questi depositi fanno parte del complesso alcalino di Ilímaussaq e sono ricchi di terre rare sia leggere che pesanti. I depositi della Groenlandia stanno attirando l'attenzione internazionale per il loro potenziale come nuove fonti di terre rare.
• Australia:
  In Australia, la bastnäsite si trova in diverse località, tra cui Montare la saldatura deposito nell'Australia Occidentale. Mount Weld è uno dei depositi di terre rare di grado più elevato al mondo ed è attivamente sfruttato. Il deposito è ospitato in una carbonatite profondamente alterata ed è notevole per le sue alte concentrazioni di elementi di terre rare sia leggeri che pesanti.

Queste località evidenziano la diversità geologica delle occorrenze di bastnäsite, che vanno dai depositi primari nei complessi di carbonatite alle concentrazioni secondarie nei terreni alterati e nei depositi alluvionali. La distribuzione globale di bastnäsite è fondamentale per la fornitura di elementi di terre rare, soprattutto in un mondo sempre più dipendente da questi materiali per applicazioni ad alta tecnologia e tecnologie di energia rinnovabile.

Applicazioni e usi della bastnäsite

Fonte di elementi di terre rare per vari settori industriali
La bastnäsite è una delle principali fonti di elementi di terre rare leggere (LREE) come cerio, lantanio e neodimio, che sono essenziali per varie applicazioni industriali e high-tech. Questi elementi di terre rare estratti dalla bastnäsite sono utilizzati in diversi settori chiave:

• Elettronica:
  Gli elementi delle terre rare della bastnäsite, come il neodimio e il praseodimio, sono essenziali per la produzione di magneti ad alte prestazioni utilizzati in dispositivi elettronici come smartphone, cuffie e dischi rigidi dei computer. Il cerio e il lantanio sono utilizzati anche nella fabbricazione di vetri speciali per lenti ottiche e sensori delle fotocamere, nonché nelle polveri lucidanti per la rifinitura delle superfici in vetro.
• magneti:
  Uno degli usi più importanti degli elementi delle terre rare della bastnäsite è nella produzione di magneti al neodimio-ferro-boro (NdFeB).. Questi magneti sono il tipo più forte di magneti permanenti disponibili e sono ampiamente utilizzati in varie applicazioni, tra cui motori di veicoli elettrici, generatori di turbine eoliche e unità disco rigido. Il neodimio estratto dalla bastnäsite è un componente fondamentale in questi potenti magneti grazie alla sua elevata forza magnetica e alla resistenza alla smagnetizzazione.
• Vetro e Ceramica:
  L'ossido di cerio, ottenuto dalla bastnäsite, è utilizzato nella lucidatura e nella decolorazione del vetro. Serve come agente lucidante per ottiche di precisione e superfici in vetro. Inoltre, il cerio e il lantanio sono utilizzati per migliorare la proprietà ottiche del vetro, rendendolo più resistente alla luce ultravioletta e migliorandone la trasparenza. Nella ceramica, questi elementi contribuiscono alla produzione di prodotti specializzati in vetro e ceramica con elevata resistenza allo shock termico e alla corrosione chimica.

Ruolo nelle tecnologie delle energie rinnovabili
La bastnäsite svolge un ruolo fondamentale nel progresso delle tecnologie di energia rinnovabile grazie ai suoi elementi di terre rare:

• Turbine eoliche:
  Gli elementi delle terre rare come il neodimio e il disprosio, che possono essere ricavati dalla bastnäsite, sono essenziali per la produzione di magneti permanenti utilizzati nei generatori delle turbine eoliche. Questi magneti sono cruciali per l'efficienza e l'affidabilità delle turbine eoliche a trasmissione diretta, che non richiedono un riduttore e quindi offrono una manutenzione ridotta e un'efficienza maggiore. Ciò ha reso gli elementi delle terre rare indispensabili per la crescita dell'energia eolica come fonte di energia sostenibile.
• Veicoli elettrici (EV):
  Il neodimio ricavato dalla bastnäsite viene utilizzato nella produzione di magneti potenti e leggeri, essenziali per i motori dei veicoli elettrici (EV). Questi magneti in terre rare forniscono coppia elevata e prestazioni efficienti, fondamentali per il funzionamento dei veicoli elettrici. La crescente adozione dei veicoli elettrici come parte degli sforzi globali per ridurre le emissioni di carbonio ha aumentato la domanda di bastnäsite come fonte di elementi di terre rare.
• Pannelli solari:
  Alcuni elementi delle terre rare ottenuti dalla bastnäsite, come il lantanio e il cerio, sono utilizzati in rivestimenti e fosfori specifici per pannelli solari. Questi materiali possono aumentare l'efficienza delle celle fotovoltaiche migliorando l'assorbimento della luce e i tassi di conversione, contribuendo così a una raccolta più efficace dell'energia solare.

Utilizzo nei catalizzatori e nei fosfori
Gli elementi delle terre rare derivati ​​dalla bastnäsite vengono utilizzati anche nella produzione di catalizzatori e fosfori:

• Catalizzatori:
  Il cerio, un elemento delle terre rare estratto dalla bastnäsite, è ampiamente utilizzato nei convertitori catalitici per autoveicoli. Questi catalizzatori aiutano a ridurre le emissioni nocive dei veicoli convertendo i gas tossici, come il monossido di carbonio (CO), gli idrocarburi (HC) e gli ossidi di azoto (NOx), in sostanze meno nocive come l'anidride carbonica (CO₂) e l'azoto (N₂). I catalizzatori a base di cerio sono utilizzati anche nella petrolio settore del cracking catalitico fluido (FCC), un processo che scompone le grandi molecole di idrocarburi in componenti più preziosi della benzina e del gasolio.
• Fosfori:
  Gli elementi delle terre rare come europio, terbio e ittrio, spesso presenti nei depositi di bastnäsite, sono componenti chiave dei fosfori. Questi materiali sono utilizzati nella produzione di diodi ad emissione luminosa (LED), lampade fluorescenti e schermi per televisori, computer e smartphone. I fosfori realizzati con elementi delle terre rare forniscono illuminazione e display luminosi, duraturi ed efficienti dal punto di vista energetico.

La bastnäsite è un minerale cruciale per numerose applicazioni high-tech e industriali. È una fonte primaria di terre rare essenziali per la produzione di elettronica avanzata, magneti potenti, prodotti in vetro e ceramica, tecnologie di energia rinnovabile, catalizzatori per automobili e fosfori per illuminazione e display. Poiché la domanda globale per queste applicazioni continua a crescere, l'importanza della bastnäsite come risorsa strategica nella catena di fornitura di terre rare probabilmente aumenterà, sottolineando il suo ruolo critico nella tecnologia moderna e nelle soluzioni energetiche sostenibili.

Lavorazione e raffinazione della bastnäsite

La lavorazione e la raffinazione della bastnäsite per estrarre elementi di terre rare (REE) comportano diverse fasi, tra cui estrazione, arricchimento, estrazione chimica, separazione e purificazione. Grazie alla sua complessità mineralogia, la lavorazione della bastnäsite richiede tecniche specializzate per recuperare in modo efficiente i preziosi elementi delle terre rare riducendo al minimo l'impatto ambientale.

1. Estrazione mineraria e arricchimento

• Mining:
  La bastnäsite viene solitamente estratta da miniere a cielo aperto o sotterranee, a seconda della profondità del giacimento e delle caratteristiche geologiche. Una volta estratto, il minerale grezzo viene trasportato in un impianto di lavorazione per un ulteriore trattamento.
• Beneficiamento:
  Il primo passaggio nella lavorazione del minerale di bastnäsite è l'arricchimento, che mira a concentrare i minerali delle terre rare e rimuovere materiali indesiderati come silicati e carbonati. Ciò si ottiene tramite una combinazione di metodi fisici come frantumazione, macinazione e flottazione.
  • Frantumazione e macinazione: Il minerale viene frantumato in piccole particelle per liberare il minerale bastnäsite dalla roccia circostante. Segue la macinazione, che riduce ulteriormente la dimensione delle particelle per migliorare l'efficienza dei successivi processi di separazione.
  • Flottazione: Il minerale macinato viene sottoposto a flottazione con schiuma, dove vengono aggiunti prodotti chimici (collettori, schiumogeni e modificatori) per legare selettivamente le particelle di bastnäsite alle bolle d'aria. Le bolle salgono in superficie, formando una schiuma che può essere rimossa, concentrando la bastnäsite e scartando il materiale di scarto. Ciò si traduce in un concentrato ricco di bastnäsite che in genere contiene il 60-70% di ossidi di terre rare (REO).

2. Estrazione chimica e decomposizione

• Tostatura e lisciviazione acida:
  Il concentrato di bastnäsite viene spesso tostato ad alte temperature (600-800°C) per rimuovere carbonati, fluoruri e qualsiasi minerale di ganga rimanente. Questo processo converte anche il cerio, un componente principale della bastnäsite, dal suo stato trivalente (Ce^3+) al suo stato tetravalente (Ce^4+), il che ne facilita la rimozione nelle fasi successive. Dopo la tostatura, il materiale viene sottoposto a lisciviazione acida (tipicamente con acido cloridrico o acido solforico) per sciogliere gli elementi delle terre rare in soluzione, lasciando indietro le impurità insolubili.
• Precipitazione ed estrazione con solvente:
  Il percolato, che contiene una miscela di cloruri di terre rare, subisce diverse fasi di precipitazione per rimuovere elementi indesiderati come ferro, alluminio, e calcio. La soluzione purificata viene quindi trattata utilizzando estrazione mediante solvente, un processo in cui i solventi organici si legano selettivamente a specifici elementi delle terre rare, separandoli in base alle loro diverse affinità chimiche. Questo processo viene ripetuto più volte per ottenere un elevato livello di separazione e purezza per ogni singolo elemento delle terre rare.

3. Separazione e Purificazione

• Scambio ionico:
  Dopo l'estrazione con solvente, la soluzione rimanente può essere ulteriormente raffinata utilizzando tecniche di scambio ionico. Le resine a scambio ionico adsorbono selettivamente specifici ioni di terre rare dalla soluzione, consentendo l'ulteriore separazione di elementi strettamente correlati come neodimio e praseodimio. Questo metodo è particolarmente utile per ottenere elevati livelli di purezza necessari per applicazioni specializzate, come nell'elettronica e nell'ottica.
• Calcinazione e Riduzione:
  I composti di terre rare separati vengono quindi precipitati, filtrati ed essiccati per produrre ossidi di terre rare. Questi ossidi possono essere ulteriormente raffinati tramite calcinazione, un processo che prevede il riscaldamento ad alte temperature per rimuovere qualsiasi umidità residua, materiali organici o altre impurità. Per produrre terre rare metalliche, gli ossidi vengono sottoposti a un processo di riduzione, come l'elettrolisi o la riduzione metallotermica, in genere utilizzando calcio o alluminio.

4. Considerazioni ambientali
La lavorazione della bastnäsite per estrarre elementi di terre rare comporta la gestione di sostanze chimiche pericolose e la generazione di rifiuti significativi, tra cui acque reflue acide, residui radioattivi (se è presente torio) e materiali di scarto solidi. Per mitigare questi impatti:

• Gestione dei rifiuti: I residui derivanti dalla flottazione, i residui di lisciviazione e gli effluenti dei processi di estrazione con solventi devono essere gestiti con attenzione per prevenire la contaminazione ambientale.
• Riciclaggio e recupero: Sviluppare sistemi a circuito chiuso per riciclare i reagenti e recuperare le terre rare dai flussi di rifiuti è sempre più importante per ridurre il consumo di risorse e la produzione di rifiuti.
• Manipolazione degli elementi radioattivi: In alcuni depositi di bastnäsite, il torio o uranio possono essere presenti in piccole quantità, richiedendo misure speciali per lo smaltimento sicuro e il contenimento dei materiali radioattivi.

Conclusione

L'elaborazione e la raffinazione della bastnäsite per estrarre elementi di terre rare è un processo complesso e articolato in più fasi che prevede l'arricchimento fisico, l'estrazione chimica e sofisticate tecniche di separazione. Sebbene il processo richieda molta energia e risorse, i progressi nelle tecnologie di estrazione e raffinazione continuano a migliorare l'efficienza, l'economicità e l'impatto ambientale dell'elaborazione della bastnäsite, che è fondamentale per mantenere una fornitura sostenibile di elementi di terre rare essenziali per le industrie moderne e le tecnologie di energia rinnovabile.