Was sind Seltene Erden? Ein Leitfaden zur REE-Gewinnung und -Analyse
Seltene Erden (REEs) sind das Rückgrat vieler der hochmodernen Technologien, die versprechen, unsere Welt intelligenter und nachhaltiger zu machen. Doch die steigende Nachfrage nach Seltenen Erden zu decken, ist nicht einfach, da Herausforderungen bei ihrer Gewinnung und Verarbeitung bestehen.
In diesem Blog werden wir behandeln, was Seltene Erden sind, warum sie immer wichtiger werden, und wie Bergbauunternehmen die Herausforderungen beim Abbau von Seltenen Erden mithilfe hochmoderner Elementaranalyse meistern können.
Wichtige Fakten
- Seltene Erden, auch bekannt als „Seltene Erden Metalle“ oder „Seltene Erden“, sind siebzehn metallische Elemente, bestehend aus fünfzehn Lanthaniden sowie Scandium und Yttrium.
- Seltene Erden sind nicht selten in der Menge, sondern werden als „selten“ bezeichnet, weil es schwierig ist, sie aus ihren Erzen zu extrahieren, was zur Knappheit von REE-Minen weltweit beigetragen hat.
- Umfassende und präzise Elementaranalysen, wie z.B. hochleistungsfähige Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF), können bei der Erkundung, Gewinnung und Verarbeitung von Seltenen Erden hilfreich sein.
Was sind Seltene Erden?
Die Seltenen Erden, manchmal als „Seltene Erden Metalle“ oder „Seltene Erden“ bezeichnet, sind eine Gruppe von siebzehn metallischen Elementen, bestehend aus den fünfzehn Lanthaniden sowie Scandium und Yttrium.
Sie bilden einen wesentlichen Bestandteil vieler High-Tech-Geräte wie Smartphones und Elektromotoren und -batterien von Elektrofahrzeugen (EVs) und machen sie besonders wertvoll, da immer mehr Länder den Übergang zu erneuerbaren Energien vollziehen. Die Herausforderungen beim Abbau und der Verarbeitung von Seltenen Erden bedeuten jedoch, dass nur wenige Länder über die Infrastruktur verfügen, um diese Nachfrage zu decken.
Seltene Erden im Periodensystem
Die meisten Seltenen Erden erscheinen im Periodensystem als die Elemente 58–71. Nur Lanthan (La), Yttrium (Y) und Scandium (Sc) erscheinen nicht in dieser Reihe.
Warum werden Seltene Erden als „selten“ bezeichnet?
Seltene Erden sind eigentlich nicht „selten“ aufgrund einer Knappheit in der Natur. Tatsächlich sind sie ungefähr so häufig wie Metalle wie Kupfer und Zink. Stattdessen werden sie aus mehreren Gründen „Seltene Erden“ genannt:
- Niedrige Konzentrationen. Obwohl sie relativ häufig sind, kommen Seltene Erden nicht oft in hohen Konzentrationen vor. Dies macht den Bergbau ineffizient, da viel Energie erforderlich ist, um eine relativ kleine Menge der Seltenen Erden zu extrahieren.
- Hohe chemische Stabilität. Seltene Erden sind ebenfalls schwer zu extrahieren, da sie sehr chemisch stabil sind, was eine intensive Verarbeitung erfordert, um die Metalle von ihren Erzen zu trennen.
- Gefahren bei der Verarbeitung. Die Notwendigkeit einer intensiven Verarbeitung, kombiniert mit der oft gefährlichen Natur der Seltenen Erden selbst, bedeutet, dass beim Abbau von Seltenen Erden viele Sicherheitsbedenken bestehen.
- Mangel an Infrastruktur. Diese Herausforderungen bedeuten, dass es nur wenige Orte weltweit gibt, die die Infrastruktur haben, um Seltene Erden in großem Maßstab zu extrahieren.
Warum sind Seltene Erden jetzt so wichtig?
Seltene Erden sind jetzt so wichtig, weil sie für die Herstellung vieler Technologien, die für den Übergang zu erneuerbaren Energien essenziell sind, unerlässlich sind.
Die Internationale Energieagentur prognostiziert, dass die Nachfrage nach Neodym in der Produktion von kohlenstoffarmen Energien und EVs um mehr als 600 % steigen könnte, von 4.900 Tonnen im Jahr 2020 auf 37.700 Tonnen im Jahr 2040.
Auch andere Seltene Erden sind in nachhaltiger Technologie wichtig. Zum Beispiel:
- Windturbinen verwenden typischerweise Magnete, die Seltene Erden wie Praseodym, Dysprosium und Terbium neben Neodym enthalten.
- EV-Motoren verwenden Neodym und Samarium und manchmal auch Terbium und Dysprosium.
- Solarmodule verwenden manchmal Dysprosium und Cer zur Steigerung der Effizienz und Haltbarkeit ihrer Dünnschicht-Solarzellen.
Wo auf der Welt können Seltene Erden gefunden werden?
Die meisten Seltenen Erden weltweit kommen aus China. Das Land verfügt über geschätzte 44 Millionen Tonnen Seltene Erden Metalle in Reserve – das sind etwa 38% der weltweiten Reserven, mehr als jedes andere Land. China ist auch mit Abstand der weltgrößte Produzent von Seltenen Erden, verantwortlich für fast 70% der globalen REE-Produktion im Jahr 2024.
Diese Dominanz ist nicht nur den erheblichen natürlichen Ressourcen Chinas zu verdanken, sondern auch den niedrigen Arbeitskosten, staatlichen Subventionen und den weniger strengen Umweltvorschriften, die die Kosten für die Gewinnung und Verarbeitung von Seltenen Erden ausgleichen.
Diese Kosten haben andere Länder historisch daran gehindert, ihre Reserven an Seltenen Erden voll auszunutzen. Zum Beispiel produzieren Vietnam und Brasilien, obwohl sie die zweit- und drittgrößten Reserven von Seltenen Erden mit jeweils 22 Millionen Tonnen und 21 Millionen Tonnen haben, nur etwa 1.000 Tonnen Seltene Erden pro Jahr.
Regierungsbehörden weltweit bemühen sich nun, ihre Abhängigkeit von China für Seltene Erden zu reduzieren, indem sie lokale Projekte zum Abbau von Seltenen Erden beschleunigen. Zwei Beispiele sind die Vereinigten Staaten und die Europäische Union.
Wofür werden Seltene Erden verwendet?
Seltene Erden werden in der Produktion vieler fortschrittlicher Technologien eingesetzt, insbesondere Elektromotoren von EVs und Magnete für Offshore-Windturbinen. Sie werden auch in anderen Anwendungsbereichen verwendet – hier ein kompletter Überblick über die Anwendungen von Seltenen Erden.
| Anwendungsbereich | Seltene Erden | Beispielverwendung |
|---|---|---|
| High-Tech- und Magnetanwendungen | Neodym (Nd) | Dauermagnete |
| Praseodym (Pr) | Magnete Flugzeugtriebwerke Gläser | |
| Dysprosium (Dy) | Hitzebeständige Magnete in Hybrid-Elektromotoren | |
| Terbium (Tb) | Grüne Laser Magnete | |
| Samarium (Sm) | Magnete für Anwendungen bei hohen Temperaturen | |
| Gadolinium (Gd) | MRT-Kontrastmittel Reaktorkontrollstäbe | |
| Beleuchtung und Displays | Europium (Eu) | Rote Phosphore in LEDs und Bildschirmen |
| Terbium (Tb) | Grüne Phosphore in Bildschirmen und Leuchtstofflampen | |
| Yttrium (Y) | LEDs Keramik | |
| Metallurgie und Legierungen | Cer (Ce) | Stahllegierungen Glaspolieren Katalysatoren |
| Lanthan (La) | Batterieelektroden Kameralinsen | |
| Mischmetall (eine Mischung aus La, Ce, Nd, Pr) | Legierungen Feuerzeugsteine | |
| Grüne Technologien | Scandium (Sc) | Leichtmetalllegierungen für die Luftfahrt Brennstoffzellen |
| Lanthan (La), Cer (Ce) | Katalysatoren in der Erdölraffination | |
| Nuklear- und Medizinanwendungen | Gadolinium (Gd) | Kernreaktorkontrollstäbe MRT |
| Lutetium (Lu) | Krebsbehandlung durch Strahlentherapie | |
| Promethium (Pm) | Nuklearbatterien (sehr selten) |
Die Herausforderungen der Analyse von Seltenen Erden während des Abbaus
Effektive elemental characterization is critical to mining rare-earth elements. Whether during exploration, extraction, or processing, it is essential to know which elements are present and in what quantities, in order to tailor your operations and ensure a strong final product.
Es gibt einige zentrale Herausforderungen, die bei der Analyse von Seltenen Erden auftreten:
- Geologische Vielfalt. Seltene Erden sind in verschiedenen geologischen Umgebungen zu finden – zum Beispiel können Seltene Erden in Strandsanden wie in Kerala, Indien, oder in Tongruben wie in Guangxi, China gefunden werden. Dies bedeutet, dass es keinen einheitlichen Analyseprozess oder Workflow für den Abbau von Seltenen Erden gibt.
- Elementare Ähnlichkeit. Die meisten Seltenen Erden sind chemisch sehr ähnlich; sie treten häufig zusammen und oft in sehr niedrigen Konzentrationen auf. Dies macht es schwierig, sie mit einer Technik wie konventioneller XRF zu analysieren, da spektrale Überlappungen die Ergebnisse verdecken könnten. Sie benötigen daher eine hochleistungsfähige XRF, um klare Analysen durchzuführen.
- Sicherheitsrisiken für Bediener. Leistungsstarke Analysen können manchmal Gesundheits- und Sicherheitsrisiken für Bediener darstellen – zum Beispiel im Fall von induktiv gekoppelter Plasma (ICP)-Analyse – und die Elemente selbst sind oft radioaktiv, was weitere Risiken für die Sicherheit der Bediener bedeutet.
- Lange Rückkopplungsschleifen. Die Komplexität und die umfangreiche Infrastruktur, die für die Charakterisierung von Seltenen Erden erforderlich sind, bedeuten, dass Analysemethoden oft zeitaufwändig sind und in größerer Entfernung von der Abbaustelle stattfinden, wodurch die Rückkopplungsschleife für die Prozessüberwachung und -optimierung verlängert wird.
Es gibt jedoch Instrumente, die diese Herausforderungen überwinden können.
Analysemethoden für jede Phase des Seltene-Erde-Metalls-Mining
Jede Phase des Minings von Seltenen Erden hat unterschiedliche analytische Bedürfnisse. Hier sind die analytischen Techniken und Instrumente, die Fachleute für Seltene Erden für jede Prozessphase in Betracht ziehen sollten.
Erkundung von Seltenen Erden
Mobilität ist ein Schlüsselfaktor bei der Elementaranalyse während der Erkundung von Seltenen Erden und hilft bei der Untersuchung verschiedener geologischer Standorte.
Konventionelle tragbare XRF-Instrumente haben jedoch gewöhnlich maximale Röntgenröhrenspannungen von 50kV. Das bedeutet, dass diese Instrumente zwar leichte Seltene Erden messen können, sie jedoch Schwierigkeiten haben, praktisch schwere Seltene Erden zu messen, aufgrund unzureichender Anregung und spektralen Überlappungen mit üblichen Metallen wie Eisen und Nickel.
The PowerHouse von SciAps hilft, diese Hindernisse zu überwinden. Speziell für die Erkundung von Seltenen Erden entwickelt, bietet das PowerHouse:
- Eine 80kV-Miniatur-Röntgenröhre
- Die Fähigkeit, sowohl leichte als auch schwere Seltene Erden und Sucher-Elemente zu messen
- Messungen für 25 weitere Elemente, die für Bergbau und Erkundung wichtig sind
- Cloud-Verbindung, zusätzliche zwei Kameras
- Eine Batterielaufzeit von mehr als sechs Stunden
- Sicherheit und intuitive Schnittstelle für Bediener
Dies hilft, die Rückkopplungsschleife während der Erkundung zu schließen, sodass Sie Ablagerungen im Feld analysieren können, ohne auf Ergebnisse aus dem Labor warten zu müssen.
Weitere Informationen zu SciAps PowerHouse finden Sie hier.
Extraktion von Seltenen Erden
Zum Zeitpunkt der Extraktion ist es wichtig, dass Bergbauoperatoren ein allgemeines Verständnis über den Inhalt ihrer Erze haben, um ihre Prozessschritte anzupassen oder, falls notwendig, den Gehalt ihrer Rohmischung anzupassen.
Online-Analyse ist hierbei entscheidend. Während sie nicht die gleiche Präzision wie laborbasierte Methoden bietet, bietet sie sofortige Einblicke, die den Operatoren helfen können, Trends in den Erzen zu erkennen, die durch ihre Prozesslinien laufen, und ihnen helfen, ihre Verarbeitungstechniken anzupassen.
Die CNA Pentos oder CNA3 Bandanalysegeräte sind starke Kandidaten für diese Art der Analyse und bieten:
- Effektive gepulste schnelle und thermische Neutronenaktivierungsanalyse (PFTNA)
- Häufige Analyse des Großteils Ihres Rohmaterials
- Einblicke in Ihre Erze, ohne dass Bediener potenziell gefährlichen Materialien auf der Prozesslinie ausgesetzt werden müssen
- Automatisiertes Strahlenschutzsystem (ARPS) zum Schutz Ihrer Arbeiter
Weitere Informationen zur CNA-Reihe finden Sie hier.
Verarbeitung von Seltenen Erden
Abschließend erfordern Seltene Erze schwere Verarbeitungen, um ihre Komponenten zu trennen und zu reinigen. Effiziente und häufige oder sogar Echtzeit-Analysen können helfen, diese Prozesse zu optimieren und Kosten zu senken, und helfen dabei, die Gewinnmargen für Minen von Seltenen Erden zu erweitern. Hier sind drei Analysemethoden, die es zu beachten gilt:
- Epsilon Xflow. Der Epsilon Xflow ist ein Online-Energie-dispersiver XRF (EDXRF)-Analysator, der für die Echtzeit-Elementaranalyse von Flüssigkeiten entwickelt wurde. Er bietet bedeutende Vorteile für die REE-Verarbeitung, zum Beispiel die kontinuierliche Überwachung der Lösungen, die zum Auslaugen von Seltenen Erden verwendet werden. Dies hilft Ihnen, Reagenzien zu optimieren, Kosten und Umweltauswirkungen zu minimieren.
- Zetium. Unser Zetium-Wellenlängen-dispersives XRF (WDXRF)-Instrument ermöglicht hochpräzise und reproduzierbare Multi-Element-Analysen von Festproben. Dies ist nützlich während der abschließenden Qualitätskontrolle einzelner Seltener Erden Konzentrate und Oxide, um sicherzustellen, dass sie die Reinheitsspezifikationen und die Bedürfnisse der Kunden erfüllen. Es ist jedoch nicht für jede Seltene Erde geeignet.
- Aeris. Unser kompaktes Röntgenbeugungssystem (XRD) ist besonders nützlich während der Aufbereitung, um Operatoren bei der Überwachung von mineralogischen Veränderungen während Prozessen wie chemischem Auslaugen und Flotation zu unterstützen.
Analysemethoden für den Abbau von Seltenen Erden: Zusammenfassungstabelle
In Eile? Hier ist eine kurze Übersicht über die verfügbaren Analysemethoden für den Abbau von Seltenen Erden.
| Mining-Phase | Instrument | Technologie | Zusammenfassung |
|---|---|---|---|
| Erkundung | PowerHouse | XRF | Tragbares, hochintensives XRF für schnelle, präzise, vor Ort Analysen |
| Extraktion | CNA Pentos | PFTNA | Häufige Analyse des Großteils Ihres Rohmaterials |
| Verarbeitung | Epsilon Xflow | EDXRF | Online-EDXRF für Echtzeit-Elementaranalyse von Flüssigkeiten, zum Beispiel während des Auslaugens |
| Zetium | WDXRF | Präzise und reproduzierbare Multi-Elementanalyse von Festproben; besonders nützlich während der Qualitätskontrolle | |
| Aeris | XRD | Kompakte XRD, nützlich zur Überwachung von mineralogischen Veränderungen während der Aufbereitung |
Maßgeschneiderte Analysen für Ihre Seltene-Erde-Mine
Seltene Erden sind zunehmend gefragt. Da der Übergang zu erneuerbaren Energien und die technologische Entwicklung in rasantem Tempo fortschreiten, erhöhen die Länder weltweit den Druck auf den Abbau von Seltenen Erden.
Um mit dieser Nachfrage Schritt zu halten, benötigen die Bergbauprofis von Seltenen Erden präzise Werkzeuge, um ihre Materialien zu analysieren und ihre Prozesse zu optimieren. Bei Malvern Panalytical verfügen wir über die Expertise und das breite Portfolio, um nicht nur Ihre Prozesse zu verbessern, sondern auch eine maßgeschneiderte Minenlösung für Ihre Seltene-Erde-Abbaustätte zu schaffen.
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