Bastnäsit ist eine Gruppe von Fluorkarbonaten der seltenen Erden Mineralien Dazu gehören Bastnäsit-(Ce), Bastnäsit-(La) und Bastnäsit-(Y), wobei jeder Typ nach dem darin enthaltenen dominierenden Seltenerdelement (Cer, Lanthan bzw. Yttrium) benannt ist. Diese Mineralien sind typischerweise braun, rötlich-braun oder gelblich gefärbt und haben einen glasartigen bis harzigen Glanz. Sie kommen hauptsächlich in karbonatreichen Hydrothermale Ablagerungen, oft in Verbindung mit anderen Seltenerdmineralien wie Monazit und Xenotim.

Geschichte und Entdeckung
Bastnäsit wurde erstmals 1838 in Bastnäs, Schweden, entdeckt, woher auch sein Name stammt. Es wurde in den Abraumhalden der Bastnäs-Minen identifiziert, die hauptsächlich für Kupfer und dem Kobalt. Die einzigartigen Eigenschaften von Bastnäsit, wie sein hoher Gehalt an Cer und anderen Seltenerdelementen, führten zu einem erhöhten Interesse an dem Mineral. Seit seiner Entdeckung ist Bastnäsit Ablagerungen wurden an anderen Orten weltweit gefunden, darunter in China, den Vereinigten Staaten und Madagaskar.

Bedeutung im Zusammenhang mit Seltenen Erden
Bastnäsite ist eine wichtige Quelle von Seltenerdelemente (REEs), insbesondere leichte Seltenerdelemente (LREE) wie Cer, Lanthan und Neodym. Diese Elemente sind für verschiedene Hightech-Anwendungen unverzichtbar, darunter die Herstellung von Permanentmagneten, Katalysatoren und Leuchtstoffen für Beleuchtung und Displays. Bastnäsit-Lagerstätten sind von Bedeutung, da sie häufig hohe Konzentrationen an Seltenen Erden enthalten, was ihren Abbau und ihre Verarbeitung wirtschaftlich macht. Das Mineral hat aufgrund der wachsenden Nachfrage nach Seltenen Erden in erneuerbaren Energietechnologien, der Elektronik und anderen fortschrittlichen Industrien zunehmend an Bedeutung gewonnen. Daher spielt Bastnäsit eine Schlüsselrolle in globalen Lieferketten für kritische Materialien.

Chemische Zusammensetzung und Struktur von Bastnäsit

Chemische Zusammensetzung
Bastnäsit ist ein Fluorkarbonatmineral mit der allgemeinen chemischen Formel (REE)CO3F\text{(REE)}\text{CO}_3\text{F}(REE)CO3​F, wobei „REE“ für Seltenerdelemente steht, hauptsächlich Cer (Ce), Lanthan (La) und Yttrium (Y). Die spezifische Zusammensetzung kann je nach dem vorherrschenden Seltenerdelement variieren, was zu verschiedenen Varianten des Minerals führt:

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

Neben diesen primären Elementen kann Bastnäsit auch Spuren anderer Seltenerdelemente wie Neodym (Nd), Praseodym (Pr) und Samarium (Sm) enthalten. Das Vorhandensein von Fluor (F) in seiner Struktur unterscheidet ihn von anderen Seltenerdmineralien wie Monazit und Xenotim, die Phosphate sind.

Kristallstruktur
Bastnäsit kristallisiert im hexagonalen Kristallsystem, genauer gesagt in der Raumgruppe P63/mmcP6_3/mmcP63​/mmc. Seine Struktur besteht aus Schichten von Seltenerdkationen (wie Ce, La oder Y), die an Sauerstoffatome aus den Karbonatgruppen (CO32−\text{CO}_3^{2-}CO32−​) koordiniert sind, wobei sich die Karbonatebenen mit Schichten abwechseln, die Fluoratome enthalten. Die Karbonatgruppen sind trigonal planar, und jedes Seltenerdkation ist von neun Sauerstoffatomen umgeben, die eine dreifach überdachte trigonal-prismatische Koordinationsgeometrie bilden.

Diese geschichtete Struktur ermöglicht eine erhebliche Flexibilität in der Zusammensetzung des Minerals, da sie verschiedene Seltenerdelemente im Kristallgitter aufnehmen kann. Das Vorhandensein von Fluor stabilisiert die Struktur zusätzlich und beeinflusst die physikalischen Eigenschaften des Minerals, wie etwa seine relative Weichheit (Mohshärte von 4–4.5) und seine Spaltbarkeit.

Strukturelle Auswirkungen
Die einzigartige Struktur von Bastnäsit trägt zu seiner Bedeutung als Quelle für Seltenerdelemente bei. Das Vorhandensein großer Kationen wie Cer und Lanthan im Gitter ermöglicht eine relativ einfache Extraktion dieser Elemente beim Abbau und bei der Verarbeitung. Darüber hinaus macht die Stabilität des Minerals in hydrothermalen Umgebungen es zu einem hervorragenden Indikator für geologische Prozesse, die mit Seltenerdelementkonzentrationen verbunden sind, und trägt zum Verständnis der Entstehung von REE-Erzen bei.

Geologisches Vorkommen von Bastnäsit

Arten von Einlagen
Bastnäsit kommt hauptsächlich in zwei Lagerstättenarten vor: primär und dem Sekundär-.

  1. Primäre Einlagen:
    Primäre Bastnäsitvorkommen sind mit Karbonatit und alkalischen magmatischen Komplexen verbunden. Diese Vorkommen bilden sich, wenn Seltenerdelemente durch magmatische Prozesse konzentriert werden, insbesondere in karbonatreichen Magmen. Wenn diese Magmen abkühlen und kristallisieren, bildet sich Bastnäsit als primäres Mineral, oft zusammen mit anderen Seltenerdmineralien wie Monazit und Xenotim. Karbonatitkomplexe, seltene magmatische Gesteinsformationen, die hauptsächlich aus Karbonatmineralien bestehen, sind die bedeutendsten primären Quellen von Bastnäsit. Beispiele für solche Vorkommen sind die Lagerstätte Bayan Obo in China und die Mountain Pass-Einzahlung in den Vereinigten Staaten.
  2. Sekundäreinlagen:
    Sekundäre Bastnäsitvorkommen entstehen durch die Verwitterung und dem Veränderung von primären Lagerstätten. Wenn primäre Karbonatit- oder alkalische Felsen Bastnäsit kann chemisch verwittert sein und sich in Restböden oder alluvialen Seifen konzentrieren. Diese sekundären Lagerstätten finden sich typischerweise in Regionen, in denen die primären Lagerstätten über längere Zeit verwittert waren. In solchen Fällen findet man Bastnäsit zusammen mit anderen verwitterten Mineralien in lateritischen Böden oder in Flussbetten, in denen sich schwere Mineralien ansammeln.

Wichtige Standorte weltweit
Bastnäsit kommt an mehreren wichtigen Standorten weltweit vor, wo es häufig als Hauptquelle für Seltenerdelemente abgebaut wird. Zu den wichtigsten globalen Vorkommen zählen:

  • China:
    China ist der weltweit größte Produzent von Bastnäsit und anderen Seltenerdelementen. Die bedeutendste Lagerstätte befindet sich in Bajan Obo in der Inneren Mongolei, dem größten bekannten Bastnäsitvorkommen der Welt. Dieses Vorkommen befindet sich in einem riesigen Karbonatitkomplex und ist eine wichtige Quelle leichter Seltenerdelemente wie Cer, Lanthan und Neodym. Weitere bedeutende chinesische Vorkommen sind die Vorkommen Weishan und Mianning.
  • Vereinigte Staaten:
    Der Bergpass Die Lagerstätte in Kalifornien ist eine der bedeutendsten Bastnäsit-Lagerstätten außerhalb Chinas. Mountain Pass wurde in den 1940er Jahren entdeckt und war von den 1960er Jahren bis in die frühen 2000er Jahre eine der weltweit führenden Quellen für Seltenerdelemente. Die Lagerstätte ist mit einer Karbonatitintrusion verbunden und enthält hohe Konzentrationen leichter Seltenerdelemente. Nach einer Sperrzeit wurde der Bergbau in Mountain Pass 2012 wieder aufgenommen, um die steigende Nachfrage nach Seltenerdelementen zu decken.
  • Kanada:
    Kanada beherbergt mehrere bastnäsithaltige Vorkommen, insbesondere in Karbonatitkomplexen. Bemerkenswerte Beispiele sind die Nechalacho Lagerstätte in den Nordwest-Territorien und der Seltsamer See Lagerstätte in Quebec. Diese Lagerstätten sind bedeutende Quellen sowohl für leichte als auch für schwere Seltenerdelemente und werden auf mögliche Erschließungsmöglichkeiten untersucht, um die globale Versorgung mit Seltenen Erden zu diversifizieren.
  • Madagaskar:
    Der Ambatofinandrahana Lagerstätte in Madagaskar enthält erhebliche Konzentrationen von Bastnäsit in Verbindung mit Karbonatit und alkalischem Magmatische Gesteine. Obwohl diese Lagerstätte nicht so groß ist wie die in China oder den Vereinigten Staaten, trägt sie zur weltweiten Versorgung mit Seltenerdelementen bei.
  • Grönland:
    Grönland ist die Heimat der Kvanefjeld und dem Tanbreez Lagerstätten, die Bastnäsit und andere seltene Erden enthalten. Diese Lagerstätten sind Teil des alkalischen Ilímaussaq-Komplexes und reich an leichten und schweren Seltenerdelementen. Grönlands Lagerstätten erregen aufgrund ihres Potenzials als neue Quellen für Seltenerdelemente internationale Aufmerksamkeit.
  • Australien:
    In Australien findet man Bastnäsit an mehreren Orten, unter anderem in Schweißmontage Lagerstätte in Westaustralien. Mount Weld ist eine der hochwertigsten Seltenerdlagerstätten der Welt und wird aktiv abgebaut. Die Lagerstätte befindet sich in einem tief verwitterten Karbonatit und ist bekannt für ihre hohen Konzentrationen sowohl leichter als auch schwerer Seltenerdelemente.

Diese Standorte unterstreichen die geologische Vielfalt der Bastnäsitvorkommen, die von primären Ablagerungen in Karbonatitkomplexen bis hin zu sekundären Konzentrationen in verwitterten Böden und alluvialen Ablagerungen reichen. Die globale Verbreitung von Bastnäsit ist für die Versorgung mit Seltenerdelementen von entscheidender Bedeutung, insbesondere in einer Welt, die für Hightech-Anwendungen und erneuerbare Energietechnologien zunehmend von diesen Materialien abhängig ist.

Anwendungen und Nutzung von Bastnäsit

Quelle seltener Erden für verschiedene Branchen
Bastnäsit ist eine der Hauptquellen für leichte Seltenerdelemente (LREE) wie Cer, Lanthan und Neodym, die für verschiedene Hightech- und Industrieanwendungen von entscheidender Bedeutung sind. Diese aus Bastnäsit gewonnenen Seltenerdelemente werden in mehreren Schlüsselindustrien verwendet:

  • Elektronik:
    Seltene Erden aus Bastnäsit wie Neodym und Praseodym sind unverzichtbar für die Herstellung von Hochleistungsmagneten, die in elektronischen Geräten wie Smartphones, Kopfhörern und Computerfestplatten zum Einsatz kommen. Cer und Lanthan werden außerdem bei der Herstellung von Spezialglas für optische Linsen und Kamerasensoren sowie in Polierpulvern zur Veredelung von Glasoberflächen eingesetzt.
  • Magnete:
    Eine der wichtigsten Anwendungen von Seltenerdelementen aus Bastnäsit ist die Herstellung von Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NdFeB).. Diese Magnete sind die stärksten verfügbaren Permanentmagnete und werden in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter in Motoren für Elektrofahrzeuge, Windturbinengeneratoren und Festplattenlaufwerken. Aus Bastnäsit gewonnenes Neodym ist aufgrund seiner hohen magnetischen Stärke und Widerstandsfähigkeit gegen Entmagnetisierung ein wichtiger Bestandteil dieser leistungsstarken Magnete.
  • Glas und Keramik:
    Ceroxid, das aus Bastnäsit gewonnen wird, wird zum Polieren und Entfärben von Glas verwendet. Es dient als Poliermittel für Präzisionsoptik und Glasoberflächen. Darüber hinaus werden Cer und Lanthan verwendet, um die Optische Eigenschaften von Glas, wodurch es widerstandsfähiger gegen ultraviolettes Licht wird und seine Klarheit verbessert wird. In der Keramik tragen diese Elemente zur Herstellung spezieller Glas- und Keramikprodukte mit hoher Beständigkeit gegen Thermoschock und chemische Korrosion bei.

Rolle bei erneuerbaren Energietechnologien
Bastnäsit spielt aufgrund seiner Seltenerdelemente eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung erneuerbarer Energietechnologien:

  • Windräder:
    Seltene Erden wie Neodym und Dysprosium, die aus Bastnäsit gewonnen werden können, sind für die Herstellung von Permanentmagneten, die in den Generatoren von Windkraftanlagen verwendet werden, unverzichtbar. Diese Magnete sind entscheidend für die Effizienz und Zuverlässigkeit von Windkraftanlagen mit Direktantrieb, die kein Getriebe benötigen und daher weniger Wartung und höhere Effizienz bieten. Dies hat Seltene Erden für das Wachstum der Windenergie als nachhaltige Energiequelle unverzichtbar gemacht.
  • Elektrofahrzeuge (EVs):
    Neodym aus Bastnäsit wird zur Herstellung leistungsstarker, leichter Magnete verwendet, die für Motoren von Elektrofahrzeugen (EV) unverzichtbar sind. Diese Seltenerdmagnete bieten ein hohes Drehmoment und eine effiziente Leistung, die für den Betrieb von Elektrofahrzeugen von entscheidender Bedeutung sind. Die zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen im Rahmen der weltweiten Bemühungen zur Reduzierung der Kohlenstoffemissionen hat die Nachfrage nach Bastnäsit als Quelle für Seltenerdelemente erhöht.
  • Solarplatten:
    Einige aus Bastnäsit gewonnene Seltenerdelemente wie Lanthan und Cer werden in speziellen Beschichtungen und Leuchtstoffen für Solarmodule verwendet. Diese Materialien können die Effizienz von Photovoltaikzellen steigern, indem sie die Lichtabsorption und die Umwandlungsraten verbessern und so zu einer effektiveren Nutzung der Sonnenenergie beitragen.

Verwendung in Katalysatoren und Leuchtstoffen
Aus Bastnäsit gewonnene Seltenerdelemente werden auch bei der Herstellung von Katalysatoren und Leuchtstoffen verwendet:

  • Katalysatoren:
    Cer, ein aus Bastnäsit gewonnenes Seltenerdelement, wird häufig in Autokatalysatoren verwendet. Diese Katalysatoren tragen zur Reduzierung schädlicher Emissionen von Fahrzeugen bei, indem sie giftige Gase wie Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOx) in weniger schädliche Substanzen wie Kohlendioxid (CO₂) und Stickstoff (N₂) umwandeln. Katalysatoren auf Cerbasis werden auch in der Erdöl Industrie für Fluid Catalytic Cracking (FCC), ein Verfahren, bei dem große Kohlenwasserstoffmoleküle in wertvollere Benzin- und Dieselbestandteile zerlegt werden.
  • Leuchtstoffe:
    Seltene Erden wie Europium, Terbium und Yttrium, die häufig in Bastnäsitvorkommen vorkommen, sind wichtige Bestandteile von Leuchtstoffen. Diese Materialien werden bei der Herstellung von Leuchtdioden (LEDs), Leuchtstofflampen und Bildschirmen für Fernseher, Computer und Smartphones verwendet. Leuchtstoffe aus Seltenen Erden sorgen für helle, langlebige und energieeffiziente Beleuchtung und Displays.

Bastnäsit ist ein wichtiges Mineral für zahlreiche Hightech- und Industrieanwendungen. Es ist eine Hauptquelle für Seltenerdelemente, die für die Herstellung moderner Elektronik, leistungsstarker Magnete, Glas- und Keramikprodukte, erneuerbarer Energietechnologien, Automobilkatalysatoren und Leuchtstoffe für Beleuchtung und Displays unverzichtbar sind. Da die weltweite Nachfrage nach diesen Anwendungen weiter steigt, wird die Bedeutung von Bastnäsit als strategische Ressource in der Lieferkette für Seltenerdelemente wahrscheinlich zunehmen, was seine entscheidende Rolle in moderner Technologie und nachhaltigen Energielösungen unterstreicht.

Verarbeitung und Veredelung von Bastnäsit

Die Verarbeitung und Verfeinerung von Bastnäsit zur Gewinnung von Seltenerdelementen (REEs) umfasst mehrere Schritte, darunter Bergbau, Aufbereitung, chemische Extraktion, Trennung und Reinigung. Aufgrund seiner Komplexität Mineralogie, die Verarbeitung von Bastnäsit erfordert spezielle Techniken, um die wertvollen Seltenerdelemente effizient zurückzugewinnen und gleichzeitig die Umweltbelastung zu minimieren.

1. Bergbau und Aufbereitung

  • Bergbau:
    Bastnäsit wird je nach Tiefe und geologischen Eigenschaften der Lagerstätte normalerweise im Tagebau oder im Untertagebau abgebaut. Nach der Gewinnung wird das Roherz zur weiteren Verarbeitung in eine Aufbereitungsanlage transportiert.
  • Begünstigung:
    Der erste Schritt bei der Verarbeitung von Bastnäsiterz ist die Aufbereitung, bei der die Seltenerdmineralien konzentriert und unerwünschte Materialien wie Silikate und Karbonate entfernt werden. Dies wird durch eine Kombination physikalischer Methoden erreicht, wie z. B. Zerkleinern, Mahlen und Flotation.
    • Zerkleinern und Mahlen: Das Erz wird in kleine Partikel zerkleinert, um das Bastnäsitmineral vom umgebenden Gestein zu lösen. Anschließend wird es gemahlen, wodurch die Partikelgröße weiter reduziert wird, um die Effizienz der nachfolgenden Trennprozesse zu verbessern.
    • Flotation: Das gemahlene Erz wird einer Schaumflotation unterzogen, bei der Chemikalien (Sammler, Schäumer und Modifikatoren) hinzugefügt werden, um die Bastnäsitpartikel gezielt an Luftblasen zu binden. Die Blasen steigen an die Oberfläche und bilden einen Schaum, der abgeschöpft werden kann, wodurch der Bastnäsit konzentriert und das Abfallmaterial entsorgt wird. Das Ergebnis ist ein bastnäsitreiches Konzentrat, das typischerweise 60–70 % Seltenerdoxide (REOs) enthält.

2. Chemische Extraktion und Zersetzung

  • Rösten und Säurelaugung:
    Das Bastnäsitkonzentrat wird häufig bei hohen Temperaturen (600-800 °C) geröstet, um Karbonate, Fluoride und alle verbleibenden Gangmineralien zu entfernen. Bei diesem Verfahren wird auch Cer, ein Hauptbestandteil von Bastnäsit, von seinem dreiwertigen Zustand (Ce^3+) in seinen vierwertigen Zustand (Ce^4+) umgewandelt, was seine Entfernung in nachfolgenden Schritten erleichtert. Nach dem Rösten wird das Material einer Säureauswaschung (normalerweise mit Salzsäure oder Schwefelsäure), um die Seltenerdelemente in Lösung zu bringen, während die unlöslichen Verunreinigungen zurückbleiben.
  • Fällung und Lösungsmittelextraktion:
    Das Sickerwasser, das eine Mischung aus Seltenerdchloriden enthält, durchläuft mehrere Niederschlagsstufen, um unerwünschte Elemente wie Eisen, Aluminiumund Calcium. Die gereinigte Lösung wird dann mit Lösungsmittelextraktion, ein Verfahren, bei dem organische Lösungsmittel selektiv an bestimmte Seltenerdelemente binden und diese auf Grundlage ihrer unterschiedlichen chemischen Affinitäten trennen. Dieser Vorgang wird mehrfach wiederholt, um ein hohes Maß an Trennung und Reinheit für jedes einzelne Seltenerdelement zu erreichen.

3. Trennung und Reinigung

  • Ionenaustausch:
    Nach der Lösungsmittelextraktion kann die verbleibende Lösung mithilfe von Ionenaustauschverfahren weiter verfeinert werden. Ionenaustauscherharze adsorbieren selektiv bestimmte Seltenerdionen aus der Lösung und ermöglichen so die weitere Trennung eng verwandter Elemente wie Neodym und Praseodym. Diese Methode ist besonders nützlich, um hohe Reinheitsgrade zu erreichen, die für spezielle Anwendungen wie in der Elektronik und Optik erforderlich sind.
  • Kalzinierung und Reduktion:
    Die abgetrennten Seltenerdverbindungen werden dann ausgefällt, gefiltert und getrocknet, um Seltenerdoxide herzustellen. Diese Oxide können weiter verfeinert werden durch Kalzinierung, ein Prozess, bei dem sie auf hohe Temperaturen erhitzt werden, um Restfeuchtigkeit, organische Materialien oder andere Verunreinigungen zu entfernen. Um metallische Seltene Erden herzustellen, werden die Oxide einem Reduktionsprozess, wie Elektrolyse oder metallothermische Reduktion, typischerweise unter Verwendung von Kalzium oder Aluminium.

4. Umweltaspekte
Bei der Verarbeitung von Bastnäsit zur Gewinnung von Seltenerdelementen kommt es zum Umgang mit gefährlichen Chemikalien und es entstehen erhebliche Abfälle, darunter saures Abwasser, radioaktive Rückstände (sofern Thorium vorhanden ist) und feste Abfallstoffe. So mildern Sie diese Auswirkungen:

  • Abfallwirtschaft: Rückstände aus der Flotation, Auslaugungsrückstände und Abwässer aus Lösungsmittelextraktionsprozessen müssen sorgfältig behandelt werden, um eine Kontamination der Umwelt zu verhindern.
  • Recycling und Rückgewinnung: Die Entwicklung geschlossener Kreislaufsysteme zum Recycling von Reagenzien und zur Rückgewinnung seltener Erden aus Abfallströmen wird zunehmend wichtiger, um den Ressourcenverbrauch und die Abfallproduktion zu reduzieren.
  • Umgang mit radioaktiven Elementen: In einigen Bastnäsitvorkommen finden sich Thorium oder Uran können in kleinen Mengen vorhanden sein und erfordern besondere Maßnahmen zur sicheren Entsorgung und Eindämmung radioaktiver Stoffe.

Schlussfolgerung

Die Verarbeitung und Raffination von Bastnäsit zur Gewinnung von Seltenerdelementen ist ein komplexer, mehrstufiger Prozess, der physikalische Aufbereitung, chemische Extraktion und anspruchsvolle Trenntechniken umfasst. Obwohl der Prozess energie- und ressourcenintensiv ist, verbessern Fortschritte in der Extraktions- und Raffinationstechnologie weiterhin die Effizienz, Kosteneffizienz und Umweltbilanz der Bastnäsitverarbeitung, was für die Aufrechterhaltung einer nachhaltigen Versorgung mit Seltenerdelementen, die für moderne Industrien und erneuerbare Energietechnologien unverzichtbar sind, von entscheidender Bedeutung ist.

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