O que são elementos de terras raras? Um guia para mineração e análise de ETR

Os elementos de terras raras (ETRs) são a espinha dorsal de muitas das tecnologias de ponta que prometem tornar nosso mundo mais inteligente e sustentável. No entanto, atender à crescente demanda por terras raras não é fácil, devido aos desafios na sua extração e processamento.

Neste blog, abordaremos o que são os elementos de terras raras, por que estão se tornando cada vez mais importantes e como as empresas de mineração podem superar os desafios da mineração desses elementos usando análise elementar de ponta.

Fatos principais

• Os elementos de terras raras, também conhecidos como “metais de terras raras” ou “terras raras”, são dezessete elementos metálicos que compreendem quinze lantanídeos, além do escândio e do ítrio.
• Os elementos de terras raras não são raros em quantidade, mas são chamados de “raros” devido à dificuldade de extraí-los dos seus minérios, o que contribuiu para a escassez de minas de ETRs em todo o mundo.
• A análise elementar abrangente e precisa, como a análise de fluorescência de raios-X (FRX) de alta potência, pode auxiliar na exploração, extração e processamento de elementos de terras raras.

O que são elementos de terras raras?

Os elementos de terras raras, às vezes chamados de “metais de terras raras” ou “terras raras”, são um conjunto de dezessete elementos metálicos que compreendem os quinze lantanídeos, além do escândio e do ítrio.

Eles são uma parte essencial de muitos dispositivos de alta tecnologia, como smartphones e motores e baterias de veículos elétricos (VE), tornando-os cada vez mais valiosos, especialmente à medida que mais países se comprometem com a transição energética. No entanto, os desafios na mineração e processamento de terras raras significam que poucos países têm a infraestrutura necessária para atender a essa demanda.

Elementos de terras raras na tabela periódica

A maioria dos elementos de terras raras aparece na tabela periódica como elementos 58–71. Apenas o Lantânio (La), Ítrio (Y) e Escândio (Sc) não aparecem nesta linha.

Por que os elementos de terras raras são chamados de “raros”?

Os elementos de terras raras na verdade não são “raros” devido à escassez na natureza. Na verdade, são aproximadamente tão abundantes quanto metais como cobre e zinco. No entanto, são chamados de “terras raras” por alguns motivos:

1. Baixa concentração. Apesar de serem relativamente abundantes, os elementos de terras raras não costumam ocorrer em altas concentrações. Isso torna o processo de mineração ineficiente, já que é necessário muito poder para extrair uma quantidade relativamente pequena de elementos de terras raras.
2. Alta estabilidade química. Os metais de terras raras também são difíceis de extrair porque são muito estáveis quimicamente, o que significa que é necessário processamento de alta intensidade para separar os metais de seus minérios.
3. Riscos durante o processamento. A necessidade de processamento de alta intensidade, combinada à natureza frequentemente perigosa dos elementos de terras raras, significa que existem muitas preocupações de segurança associadas à mineração desses elementos.
4. Falta de infraestrutura. Esses desafios significam que existem poucos lugares no mundo com a infraestrutura em funcionamento para extrair elementos de terras raras em grande escala.

Por que os elementos de terras raras são tão importantes agora?

Os elementos de terras raras são tão importantes agora porque são essenciais para a fabricação de muitas tecnologias que são essenciais para a transição energética.

A Agência Internacional de Energia prevê que na produção de energia de baixo carbono e veículos elétricos, a demanda por neodímio sozinha pode aumentar em mais de 600%, de 4.900 toneladas em 2020 para 37.700 toneladas em 2040.

Outras terras raras também são importantes em tecnologia sustentável. Por exemplo:

• As turbinas eólicas costumam usar ímãs contendo elementos de terras raras como praseodímio, disprósio e térbio, juntamente com o neodímio.
• Motores de VE usam neodímio e samário e, às vezes, também térbio e disprósio.
• Painéis solares às vezes utilizam disprósio e cério para aumentar a eficiência e durabilidade de suas células solares de película fina.

Onde no mundo os elementos de terras raras podem ser encontrados?

A maioria dos elementos de terras raras do mundo vem da China. O país possui estimadas 44 milhões de toneladas de metais de terras raras em reserva – isso é cerca de 38% do total das reservas globais, mais do que qualquer outro país. A China também é, de longe, o maior produtor mundial de elementos de terras raras, responsável por quase 70% da produção global de ETRs em 2024.

Esse domínio se deve não apenas aos substanciais recursos naturais da China, mas também aos seus baixos custos de mão de obra, subsídios governamentais e políticas ambientais mais relaxadas, que compensam os custos associados à extração e processamento de metais de terras raras.

Esses custos historicamente impediram outros países de aproveitar integralmente suas reservas de elementos de terras raras. Por exemplo, embora o Vietnã e o Brasil tenham a segunda e a terceira maiores reservas de metais de terras raras, com 22 milhões de toneladas e 21 milhões de toneladas respectivamente, cada um produz apenas cerca de 1.000 toneladas de terras raras por ano.

Corpos governamentais ao redor do mundo estão agora se esforçando para reduzir sua dependência em relação à China para elementos de terras raras, acelerando projetos de mineração local de elementos de terras raras. Dois exemplos são os Estados Unidos e a União Europeia.

Para que servem os elementos de terras raras?

Os elementos de terras raras são usados na produção de muitas tecnologias avançadas, notadamente motores de VE e ímãs para turbinas eólicas offshore. Também são usados em outras áreas de aplicação – aqui está um resumo completo das aplicações de elementos de terras raras.

Os desafios da análise de elementos de terras raras durante a mineração

A caracterização elementar efetiva é crítica para a mineração de elementos de terras raras. Seja durante a exploração, extração ou processamento, é essencial saber quais elementos estão presentes e em quais quantidades, a fim de adaptar suas operações e garantir um produto final forte.

Existem alguns desafios principais que surgem ao analisar elementos de terras raras:

1. Diversidade geológica. Os elementos de terras raras são encontrados em uma variedade de ambientes geológicos – por exemplo, elementos de terras raras podem ser encontrados em areias de praia, como em Kerala, Índia, ou em depósitos de argila como aqueles em Guangxi, China. Isso significa que não há um processo analítico ou fluxo de trabalho único para mineração de metais de terras raras.
2. Similaridade elementar. A maioria dos elementos de terras raras é quimicamente muito semelhante; frequentemente ocorrem juntos e geralmente em concentrações muito baixas. Isso torna desafiador analisá-los usando uma técnica como a FRX convencional, pois a sobreposição espectral pode obscurecer os resultados. Portanto, você precisa de FRX de alta potência para alcançar uma análise clara.
3. Riscos de segurança para operadores. A análise poderosa pode às vezes apresentar riscos de saúde e segurança para os operadores – por exemplo, no caso da análise de plasma acoplado indutivamente (ICP) – e os próprios elementos são frequentemente radioativos, apresentando mais riscos à segurança do operador.
4. Ciclos de feedback longos. A complexidade e a infraestrutura extensa necessária para a caracterização de elementos de terras raras significam que os métodos de análise são frequentemente demorados e ocorrem a uma distância do local de extração, prolongando o ciclo de feedback para o monitoramento e otimização do processo.

No entanto, existem instrumentos que podem superar esses desafios.

Métodos de análise para cada estágio da mineração de metais de terras raras

Cada estágio da mineração de elementos de terras raras tem diferentes necessidades analíticas. Aqui estão as técnicas analíticas e os instrumentos que os profissionais de metais de terras raras devem considerar para cada etapa do processo.

Exploração de elementos de terras raras

A portabilidade é um fator chave na análise elementar durante a exploração de elementos de terras raras, ajudando a investigar diversos locais geológicos.

No entanto, os instrumentos convencionais de FRX portáteis geralmente têm tensões máximas do tubo de raios X de 50kV. Isso significa que, embora esses instrumentos possam medir terras raras leves, têm dificuldade em medir elementos de terras raras pesados de forma prática devido à excitação inadequada e sobreposições espectrais com metais comuns como ferro e níquel.

O PowerHouse da SciAps ajuda a superar esses obstáculos. Projetado especificamente para exploração de elementos de terras raras, o PowerHouse oferece:

• Um tubo de raios X em miniatura de 80kV
• A capacidade de medir tanto terras raras leves quanto pesadas e elementos de caminho
• Medições para 25 outros elementos importantes para mineração e exploração
• Conexão à nuvem, além de duas câmeras
• Uma vida útil da bateria superior a seis horas
• Segurança e interface intuitiva para operadores

Isso ajuda a fechar o ciclo de feedback durante a exploração, permitindo que você analise depósitos no campo sem esperar por resultados do laboratório.

Saiba mais sobre o SciAps PowerHouse aqui.

Extração de elementos de terras raras

No ponto de extração, é importante para os operadores de mineração ter uma compreensão geral do conteúdo de seus minérios para adaptar suas etapas de processo ou, se necessário, ajustar o conteúdo de sua mistura bruta.

A análise online é fundamental aqui. Embora não ofereça a mesma precisão que os métodos baseados em laboratório, oferece insights instantâneos que podem ajudar os operadores a identificar tendências nos minérios que chegam em suas linhas de processo, ajudando-os a ajustar suas técnicas de processamento.

Os analisadores de correia cruzada CNA Pentos ou CNA³ são fortes candidatos para esse tipo de análise, oferecendo:

• Análise eficaz de ativação de nêutrons rápida e térmica pulsada (PFTNA)
• Análise de alta frequência do grosso de seu material bruto
• Insights sobre seus minérios sem a necessidade de operadores se aproximarem de materiais potencialmente perigosos na linha de processo
• Sistema de proteção de radiação automatizado (ARPS) para proteger seus trabalhadores

Saiba mais sobre a gama CNA aqui.

Processamento de elementos de terras raras

Finalmente, os minérios de terras raras requerem processamento intenso para separar e purificar seus componentes. A análise eficiente e frequente ou até em tempo real pode ajudar a otimizar esses processos e reduzir custos, ajudando a ampliar as margens de lucro para as minas de elementos de terras raras. Aqui estão três métodos de análise a considerar:

1. Epsilon Xflow. O Epsilon Xflow é um analisador FRX de dispersão de energia online (EDXRF) projetado para análise elementar em tempo real de líquidos. Ele oferece vantagens significativas para o processamento de terras raras, por exemplo, monitorando continuamente as soluções usadas para lixiviar os elementos de terras raras. Isso ajuda a otimizar reagentes, minimizando custos e impactos ambientais.
2. Zetium. Nosso instrumento FRX de dispersão de comprimento de onda (WDXRF) Zetium permite a análise precisa e reprodutível de múltiplos elementos em amostras sólidas. Isso é útil durante o controle de qualidade final de concentrados e óxidos raros, ajudando a garantir que atendem às especificações de pureza e às necessidades dos clientes. No entanto, não é adequado para todos os ETRs.
3. Aeris. Nosso sistema compacto de difração de raios X (XRD) é especialmente útil durante o beneficiamento, ajudando operadores a monitorar mudanças na mineralogia em processos como lixiviação química e flotação.

Métodos de análise para mineração de elementos de terras raras: Tabela resumo

Com pressa? Aqui está um panorama rápido dos métodos de análise disponíveis para mineração de elementos de terras raras.

Análise personalizada para sua mina de elementos de terras raras

Os elementos de terras raras estão em crescente demanda. À medida que a transição energética e o desenvolvimento tecnológico continuam em velocidade máxima, países ao redor do mundo estão intensificando a pressão sobre a mineração de metais de terras raras.

Para acompanhar essa demanda, os profissionais que mineram terras raras precisam de ferramentas precisas para ajudá-los a analisar seus materiais e otimizar seus processos. Na Malvern Panalytical, temos a expertise e o portfólio abrangente necessários para não apenas potencializar seus processos, mas para criar uma solução de mineração personalizada para o seu local de extração de elementos de terras raras.

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