Đất hiếm là gì?
Nguyên tố đất hiếm tiếng anh gọi là Rare Earth Elements – REE, là nhóm nguyên tố hiếm có hàm lượng ít trong vỏ Trái đất và rất khó tách ra từng nguyên tố riêng biệt. Cụ thể, hiện có khoảng 17 nguyên tố đất hiếm như sau:
Xeri (Ce), dysprosi (Dy), erbi (Er), europi (Eu), gadolini (Gd), holmi (Ho), lantan (La), luteti (Lu), neodymi (Nd), praseodymi (Pr), promethi (Pm), samari (Sm), scandi (Sc), terbium (Tb), thuli (Tm), ytterbi (Yb) và yttri (Y).
Liệu đất hiếm có thực sự hiếm như tên gọi của chúng hay không? Trên thực tế, chúng được tìm thấy ở khắp nơi trên bề mặt vỏ trái đất. Tuy nhiên, chúng thường được phân bố với trữ lượng thấp, khó khăn và đắt đỏ trong khai thác. Chúng có thể được tìm thấy ở trong các lớp trầm tích, các mỏ quặng và cát đen.
Máy phân tích XRF trong xác định nguyên tố đất hiếm
Máy phân tích huỳnh quang tia X (pXRF) di động Olympus Vanta™ cung cấp dữ liệu thời gian thực về các mẫu địa chất có chứa các nguyên tố đất hiếm (REE). Mười bảy nguyên tố này rất quan trọng đối với cuộc cách mạng năng lượng xanh và sản xuất trong hầu hết mọi ngành công nghiệp, thúc đẩy nhu cầu tăng cường sản xuất các kim loại này.1 Do đó, có yêu cầu rất lớn trong việc xác định các vật liệu này trong thời gian thực. Máy phân tích Vanta pXRF có giới hạn phát hiện vượt trội và nguyên tố REE có thể định lượng ở mức cao, cho phép thăm dò và xác định hiệu quả REE ngay ngoài hiện trường.
Ngành công nghiệp khai thác và thăm dò mong muốn tìm kiếm các mỏ có REE giá trị cao vì những vật liệu này được sử dụng trong nhiều loại sản phẩm, bao gồm công nghệ xanh, điện tử tiêu dùng, máy chụp ảnh y tế và vũ khí quốc phòng. Những thay đổi gần đây đã thúc đẩy nhiều khu vực tìm kiếm quặng REE và xử lý các loại quặng này trong nước. 2
Hiệu suất pXRF trên REE và các nguyên tố liên quan
Các biểu đồ bên dưới minh họa hiệu suất vượt trội của máy phân tích Vanta pXRF trên nhiều loại vật liệu tham chiếu được chứng nhận (CRM) trong các bộ dụng cụ khác nhau do Tiêu chuẩn khảo nghiệm thăm dò và nghiên cứu quặng (OREAS) cung cấp. Độ chính xác vượt trội giữa dữ liệu CRM và nồng độ được tính toán từ máy phân tích Vanta pXRF cho thấy cách máy phân tích Vanta có thể cung cấp dữ liệu tuyệt vời, chất lượng cao về quặng và mỏ chứa REE.
Máy phân tích Vanta pXRF đã thể hiện hiệu suất cao đối với nhiều loại mẫu quặng, bao gồm fluorocarbonat và phốt phát thứ cấp. Các fluorocacbonat nói chung ở dạng bastnasite, một nguồn cung cấp yttri, xeri và lantan, trong khi các phốt phát thường ở dạng monazite, chứa lantan, xeri, praseodymium và neodymium, cùng với REEs samarium và gadolinium và thori phóng xạ yếu. Như được biểu thị bằng các biểu đồ ở mỗi cấp độ, Vanta thực hiện phân tích chính xác trên cả bastnasite và monazite, như được chỉ ra bởi hệ số góc của các nguyên tố và R2 gần bằng 1.
Cả hai khoáng chất chứa REE đều có thể được tìm thấy ở dạng tương tự trên toàn thế giới. Nhiều mỏ khác nhau, bao gồm mỏ Bayan Obo nổi tiếng thế giới, mỏ Mountain Pass, Lemhi Pass và Elk Creek, có địa chất và quá trình khoáng hóa tương tự với các tiêu chuẩn đã được thử nghiệm. 3 Ví dụ, mỏ Mountain Pass ở California có chứa gneisses, một loại đá quặng có cùng độ tuổi với một số mẫu OREAS.
Khai thác và Chế biến REE
Nhiều quốc gia đã không khai thác REE trong nước trong nhiều thập kỷ, cho tới gần đây đã có những nỗ lực mới thúc đẩy khai thác và xử lý các vật liệu có giá trị này. Nhiều cơ sở khai thác và nhà máy chế biến, chẳng hạn như các cơ sở tại mỏ Mountain Pass ở miền đông California, mỏ Round Top ở Tây Texas, mỏ Elk Creek ở Nebraska, White Mesa Mill ở Utah và các mỏ Bear Lodge ở Wyoming cho tới các mỏ REE chất lượng cao.3 Trong khi có 160 loại khoáng sản đã biết có chứa đất hiếm, thì có 4 loại chủ yếu được khai thác cho mục đích này: bastnaesit, đất sét đá ong, monazite và loparite. Các khoáng chất khác như apatit, gadolinite và xenotime đôi khi được sử dụng.
Mặc dù các nguyên tố đất hiếm không phải là “hiếm” về mặt kỹ thuật, nhưng chúng thường không được tìm thấy ở nồng độ cao hoặc mạch lớn như vàng (Au) hoặc các khoáng chất khác. Điều này gây khó khăn cho việc xác định và khai thác các nguyên liệu này. Ngoài ra, xử lý quặng đất hiếm là một quá trình xử lý hóa học độc đáo, phức tạp hơn nhiều so với xử lý Au và quặng kim loại cơ bản. Máy phân tích Vanta pXRF có thể phát hiện REE ở mức ppm hai con số, khiến nó trở thành công cụ lý tưởng để nhận dạng nhanh chóng, tại chỗ các nguyên tố có giá trị này. Hơn nữa, máy phân tích Vanta có thể tính toán nồng độ của các oxit đất hiếm tại hiện trường, như minh họa bên dưới. Hình 2.
Mặc dù việc xác định quặng đa kim loại có thể khó khăn, nhưng việc xử lý các vật liệu này có thể gây ra nhiều thách thức hơn. Việc loại bỏ và tinh chế đất hiếm từ quặng tự nhiên của chúng (ít hơn 10% quặng đất hiếm kết hợp) thành vật liệu có thể sử dụng được (hơn 60% quặng đất hiếm) thường có thể được thực hiện bằng các quy trình từ tính, tĩnh điện hoặc sử dụng trọng trực/ly tâm. Từ đây, nhiều loại quặng đất hiếm khác nhau được hòa tan bằng axit hoặc nung nóng, để lại một tổ hợp quặng đất hiếm có thể được chiết xuất ở trạng thái kim loại bằng các quy trình hóa học khác. XRF di động có thể được sử dụng ở mỗi giai đoạn của quy trình tinh chế này để định lượng quặng đất hiếm hoặc các hợp chất dồi dào trong đất được loại bỏ trong quá trình xử lý, chẳng hạn như canxit, silica hoặc quặng sắt từ. Các quy trình này hầu hết được phát triển bởi Ủy ban Năng lượng Nguyên tử Hoa Kỳ sau Thế chiến II, 4, 5
Sử dụng Yttrium như một công cụ dẫn đường tới oxit đất hiếm
Do việc phân tích đầy đủ tất cả mười bảy nguyên tố REE là gần như bất khả thi (trong trường hợp sử dụng pXRF) hoặc quá chậm và tốn kém (trong trường hợp sử dụng ICP), nên sẽ rất có lợi khi tìm ra các phương pháp xác định tổng nồng độ đất hiếm tại hiện trường cho kết quả tức thì. Tương tự như cách các nguyên tố chọn lọc, chẳng hạn như asen, đồng, chì và kẽm có thể được sử dụng làm công cụ dẫn đường để phát hiện vàng, yttri (Y) có thể được sử dụng để đạt được mục tiêu tương tự với các oxit đất hiếm (REO), miễn là khoáng chất REE mục tiêu có Y ở mức có thể phát hiện được trong thành phần của quặng.
Sử dụng CRM, nồng độ yttrium có thể được so sánh với tổng nồng độ oxit đất hiếm (TREO). Khi được vẽ với nồng độ Y trên trục hoành và nồng độ TREO trên trục tung, nồng độ Y được chứng minh là một yếu tố tuyệt vời giúp dự đoán nồng độ TREO tương ứng.
Một mối quan hệ tương tự đã được nhìn thấy khi thử nghiệm các mẫu từ các dự án REE đang khai thác, chẳng hạn như Dự án đất hiếm nặng Lofdal ở phía bắc Namibia, nơi khoáng sản đất hiếm chiếm ưu thế là xenotime (YPO4), được làm giàu trong nhiều loại đất hiếm nặng.
Sử dụng chức năng PseudoElements trên máy phân tích Olympus Vanta pXRF, nồng độ TREO có thể được tính toán và cho kết quả tức thì tại hiện trường. Tất cả các tính toán có thể được thực hiện trên thiết bị trong quá trình thử nghiệm, như thể hiện trong Hình 4.
Tái chế REE với thiết bị Phân tích pXRF
Do các nguyên tố đất hiếm đắt đỏ nên việc tái chế kim loại của chúng từ hàng tiêu dùng và các sản phẩm công nghệ khác, chẳng hạn như bộ chuyển đổi xúc tác khí thải, ngày càng trở nên quan trọng.6 Tuy nhiên, do độ phức tạp cao của các thiết bị điện tử hiện tại, việc này trở nên khó thực hiện với chi phí khiến nó khả thi. Ví dụ, điện thoại di động hiện đại chứa tới 65 nguyên tố, gây khó khăn cho các kỹ thuật tái chế truyền thống. May mắn thay, máy phân tích Vanta có thể quét toàn bộ các nguyên tố từ magiê (Mg) đến uranium (U), bao gồm cả đất hiếm, giúp dễ dàng xác định và tái chế đất hiếm từ đồ điện tử, ô tô cũng như hàng tiêu dùng và hàng công nghiệp khác. Tái chế REE cho phép chúng được tái sử dụng cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau, chẳng hạn như nam châm cho công nghệ xanh và hàng tiêu dùng. 7
Tài liệu tham khảo
- Schulz, K.J., DeYoung, J.H., Seal, R.R. and Bradley, D.C. eds., 2018. Critical Mineral Resources of the United States: Economic and Environmental Geology and Prospects for Future Supply. Geological Survey.
- Long, K.R., Van Gosen, B.S., Foley, N.K. and Cordier, D., 2012. The principal rare earth elements deposits of the United States: A summary of domestic deposits and a global perspective. In Non-Renewable Resource Issues (pp. 131-155). Springer, Dordrecht.
- Van Gosen, B.S., Verplanck, P.L. and Emsbo, P., 2019. Rare earth element mineral deposits in the United States (No. 1454). US Geological Survey.
- Frank H. Spedding, Harley A. Wilhelm, Wayne H. Keller, Donald H. Ahmann, Adrian H. Daane, Clifford C. Hach, and Robert P. Ericson. Industrial Engineering Chemistry 1952 44 (3), 553-556
- Spedding, F.H., 1949. Large-scale separation of rare-earth salts and the preparation of the pure metals. Discussions of the Faraday Society, 7, pp.214-231.
- Bleiwas, D.I., 2013. Potential for recovery of cerium contained in automotive catalytic converters.
- Goonan, T.G., 2011. Rare earth elements: End use and recyclability (p. 15). Reston: US Department of the Interior, US Geological Survey.