Der Trennungsprozess für die Aufbereitung von Seltenen Erden beginnt in der Regel mit einem Gemisch aus Seltenerd-Carbonat oder Oxid welches durch eine Säure, im allgemeinen Salzsäure oder Salpetersäure, gelöst wird, so dass die weitere Verarbeitung beginnen kann. Das Ausgangsmaterial, sagen wir in diesem Fall das Carbonat, hat Verunreinigungen, die durch den vorgeschalteten Extraktionskreislauf verursacht wurden als das Carbonat produziert wurde.
Es gibt viele Vorschriften für diese Ausgangsmaterialien, die in der Regel auf den Verunreinigungen basieren. Spezifische Trennanlagen wurden entwickelt, um diese Verunreinigungen zu bewältigen, so dass diese nicht in die Produkte gelangen. Eine der üblichen Verunreinigung ist bspw. Aluminium. Dies stellt ein potentielles Problem dar, da es mit einem ähnlichen Valenzzustand beim Lösungsprozess vorkommt wie Seltene Erden. Die Trennung durch Lösungsmittelextraktion kann hier problematisch sein.
Der Lösungsprozess, bei dem das Seltenerd-Carbonat mit der Säure reagiert ist der Zeitpunkt an dem man sich um das Aluminium kümmern kann. Dieser Schritt bietet ebenfalls die Möglichkeit sich um einige der radioaktiven Elemente, die evtl. ausgetreten sind, zu kümmern. Da das Strahlungsproblem zur Zeit ein aktuelles Thema ist, werde ich hierauf im Folgenden genauer eingehen.
Es ist eine geologisch Tatsache, dass Seltene Erden mit Uran und Thorium-haltigen Mineralien verbunden sind. Uran und Thorium sind radioaktiv und müssen dementsprechend behandelt werden. Einige Lagerstätten enthalten hohe Uran bzw. Thorium Vorkommen, andere wiederum geringe Vorkommen. Alle von ihnen bedürfen eines sorgfältigen Managements. An dieser Stelle muss ich die Wissenschaft einbeziehen. Ich werde es jedoch so einfach wie möglich halten. Für diejenigen, die mehr erfahren möchten: Suchen Sie nach “uranium decay chain”.
Uran und Thorium sind radioaktiv, sie zerfallen und geben Strahlung ab. Mit jedem Zerfall verwandelt sich ein Uran Molekül in ein anderes Molekül. Dieses neue Molekül wird Zerfallsprodukt genannt. Dieses ist ebenfalls radioaktiv und zerfällt. Es findet eine Zerfallskette statt bis das letzte Molekül die stabile Form von Blei annimmt. Der gleiche Vorgang tritt bei Thorium auf, obwohl hier unterschiedlich Tochterprodukte innerhalb der Zerfallskette hervorgebracht werden.
Ein weiteres Problem das zu beachten ist, ist dass über 99% des Uran als das Isotop Uran-238 (die Internet-Suche kann hier eine detaillierte Erklärung bieten) vorkommt. Das restliche Uran ist ein anderes Isotop, das Uran-235 genannt wird. Es ist ebenfalls radioaktiv und hat seine eigene Zerfallskette, die auch in stabilem Blei endet. Es treten also drei Zerfallsketten auf. Jede mit ihrer eigenen Sequenz von Zerfallsprodukten.
Die einzelnen Zerfallsprodukte verhalten sich chemisch anders als ihre Vorgänger, da sie ein anderes Element sind. Jene Elemente um die es gilt sich am meisten Sorgen zu machen sind die Zerfallsprodukte Radium, Radon, Protactinium, und Actinium. Es gibt weitere, die jedoch kurze Halbwertszeiten haben, das heißt, dass sie nicht wirklich lange genug existieren, um ein Qualitätsproblem darzustellen. Sie zerfallen schnell (manchmal in Mikrosekunden). Demnach muss sich sowohl um die langlebigen Zerfallsprodukte als auch die Eltern Uran und Thorium während des Prozess (offensichtlich auch aus EHS – Environmental Health and Safety Gründen) gekümmert werden.
Aus Verarbeitungssicht ist die Natur ein wenig auf unserer Seite. Radon ist ein Gas und wird in die Atmosphäre freigesetzt, und stellt somit kein Prozessproblem dar. Es ist jedoch ein EHS (Environmental Health and Safety) Thema, vor allem in Bergwerken unter Tage.
Der Prozess Uran und Thorium zu entfernen ist bekannt und passt in die Prozesse vor der Trennung. Es gibt einige Bleiisotope, die als Zerfallsprodukte in den Zerfallsketten auftreten, aber die meisten Kreisläufe verwenden Schwefelsäure und das ergibt Bleisulfat, das unlöslich ist und sich bspw. mit den Rückständen ablöst.
Die restlichen Zerfallsprodukte müssen identifiziert und durch den Kreislauf verfolgt werden. Hier gibt zum einen offensichtliche Qualitätsprobleme aber auch EHS. All diese sind jedoch zu managen und fallen unter international anerkannte Normen, trotzdem müssen sie ausfindig gemacht werden.
Zurück zur Trennung. Seltenerd-Carbonat hat definierte Grenzwerte für Uran und Thorium. Es wurde jedoch festgestellt, dass einige Zerfallsprodukte im Seltenerd-Carbonat auftreten können. Das kommt vor wenn sie nicht effektiv in den Verarbeitungsstufen vor der Abscheidung des Seltenerd-Carbonat entfernt wurden.
Der Auflösungsprozess (und die Pre-Lösungsmittelextraktionsstufen) bietet die Gelegenheit um kleine Lecke unter Kontrolle zu bringen. Natürlicherweise sind Minen mit geringen Mengen an Uran oder Thorium hiervon weniger betroffen, sollten sich der Eventualität jedoch trotzdem bewusst sein. Die Elemente die am ehesten während des Prozesses austreten sind Protactinium und Actinium – beides sind Zerfallsprodukte in der Uran-235-Zerfallsreihe.
Es handelt sich hier also nicht so sehr um ein Thorium-Problem. Wenn beim Erzabbau Uran anfällt haben Sie dann Glück wenn es sich um hochwertiges Uran und damit um ein wertvolles Nebenprodukt handelt. Dann müssen Sie allerdings Vorsichtmaßnahmen im Umgang mit diesen Zerfallsprodukten treffen.
Der Wissensstand bzgl. der chemischen Eigenschaften der beiden o.g. Zerfallsprodukte ist nicht klar definiert, aber ein vor kurzem veröffentlichter Forschungsbericht scheint darauf hinzuweisen, dass Protactinium in der Regel Praseodym folgt und Actinium im allgemeinen Lanthan folgt. Hier muss betont werden, dass dieses Level sehr gering sind und es bekannte Prozesslösungen gibt. Es stellt lediglich eine weitere Ebene der Prozess Komplikationen dar. Mit Prozess Komplikation steigt die Möglichkeit weiterer Kosten und eine erhöhte Wahrscheinlichkeit von Verlusten.
Wie ich bereits erwähnt habe, sind die Trennungsverfahren speziell für das Ausgangsmaterial, das sich den Anlagen befindet konzipiert worden. Die erste Stufe, die Auflösung der Seltenerd-Carbonat ist ein wichtiger Schritt, um den Prozess zu starten der unerwünschte Verunreinigungen, die zu einer höheren Wahrscheinlichkeit von Verlusten oder Reduzierungen bei der Produktqualität führen können, auszuschalten. Nächste Woche werde ich Ihnen eine vereinfachte Schaltungskonfiguration präsentieren, die Ihnen zeigen wird, wie HREO, MREO und LREO getrennt werden können.
