كيف يتم استخراج الأتربة النادرة (ولماذا تلوثها كثيرًا)

باوتو هي أكبر مدينة في منغوليا الداخلية، وهي مقاطعة شمال الصين. وتتميز حياة سكانها البالغ عددهم 2.5 مليون نسمة باستخراج أتربة نادرة مأخوذة من أعماق منجم بيان أوبو على بعد مائة كيلومتر إلى الشمال. هذه الذرات ضرورية لتصنيع العديد من الأشياء التكنولوجية، بما في ذلك هواتفنا الذكية، تتحول إلىالظروف الصحية والبيئيةبائس.

على بعد بضعة كيلومترات فقط من وسط مدينة باوتو توجد بحيرة اصطناعية (امتياز خرائط جوجل)، مصنوعة من النفايات المتراكمة من مصافي الأتربة النادرة. تتوفر معلومات قليلة عن تركيبه الكيميائي الدقيق.الفنانين الذين صنعوا المزهرياتمن حمأة البحيرة التي تفيد بأنها مشعة وتحتوي على نسبة عالية من المعادن. وكثيراً ما يصاب سكان المنطقة المحيطة بالأمراض، ويعاني الأطفال حديثي الولادة من العديد من التشوهات.

ويجب أن نتذكر أن "الأتربة النادرة» ليست نادرة على الكرة الأرضية. لكن في أغلب الأحيان تكون متفرقة وملوثة للغاية عند استخراجها. ورغم أن الصين تمتلك بالفعل عدداً معيناً من الاحتياطيات، فإنها في الأساس الدولة الوحيدة الراغبة في دفع التكاليف البيئية والبشرية لمعالجة هذه المعادن. 95% من الأتربة النادرة القابلة للاستخراج تأتي من ثلاثة صخور: الباستنسيت، والمونازيت، والزينوتايم.

المعادن الثلاثة

الbastnäsiteسمي على اسم منجم سويدي غرب ستوكهولم ويحتوي على الكربون والفلور، إلى جانب السيريوم أو اللانثانوم أو الإيتريوم. وغالبًا ما يحتوي أيضًا على النيوديميوم والبراسيوديميوم. توجد الرواسب الرئيسية في ماونتن باس في كاليفورنيا، وبيان أوبو في منغوليا الداخلية وعمليات مختلفة في سيتشوان. وكما سنرى في هذه المقالة، يشكل الفلور الموجود في الباستنسيت أحماضًا ضارة للغاية عندما يتم تحويل الصخور.

اسمالمونازيتتعني "المنعزل" في اليونانية. وهو صخر فوسفات مشع يحتوي على السيريوم واللانثانم والنيوديميوم والسماريوم، بالإضافة إلى كميات كبيرة من الثوريوم واليورانيوم. يتم استخراج الكثير من المونازيت في البرازيل وجنوب أفريقيا والهند، وقد فقد موقعه أمام باستناسيت غير المشع، ولكنه مهم لمشاريع محطات الطاقة النووية الثوريوم المحتملة.

الxenotimeوهو أيضًا صخر فوسفات نادر، يحتوي بشكل أساسي على الإيتريوم وأثقل العناصر الأرضية النادرة (الجادولينيوم، الديسبروسيوم، التيربيوم، الإربيوم، الإيتربيوم، إلخ). يتم استخراجه من مناجم القصدير في ماليزيا. مثل المونازيت، فهو يحتوي على الثوريوم واليورانيوم، وبالتالي فهو مشع إلى حد ما.

كما هو الحال مع جميع الخامات، يتم استخلاص العناصر المفيدة من هذه الصخوريتطلب عدة خطوات. وإليك خطوة بخطوة كيف يتم ذلك في الصناعة. نعدك بأن الأمر ليس بهذا التعقيد من حيث المبدأ، ولكن قد يتعين عليك التمسك قليلاً.

التخصيب

عندما يتم استخراج الخام، فإنه لا يحتوي فقط على أتربة نادرة. إنها مليئة بالشوائب المختلفة ذات الحجم الكبير في كثير من الأحيان.التخصيب(إثراء) يتكون من ضمان أن تكون نسبة العناصر الأرضية النادرة عالية قدر الإمكان. المبدأ العام هو سحق الخام إلى قطع صغيرة، ثم إزالة القطع التي لا فائدة منها.

يتم الطحن على مرحلتين. أولا، يتم تمرير الصخور من خلال كسارة الفك (كسارة الفك). وهي عبارة عن آلة كبيرة ذات آلية على شكل حرف V يتم فيها تحويل الخام إلى حصى يقل قطره عن 1 سم. تتم هذه الخطوة بشكل عام في موقع المنجم. ثم يتم تمرير الحصى من خلال مطحنة الكرة (مطحنة الكرة). يقوم طبل مملوء بكرات معدنية بطحن الحجر إلى غبار يتراوح حجمه بين 40 و100 ميكرومتر (أو 0.04 إلى 0.1 ملليمتر، وهو حجم خلية نباتية حية).

وفي النهاية نحصل على نوع من الطين مصنوع من الغبار الرطب. يجب علينا الآن فصل القمح عن القشر بعملية تسمىالتعويم(تعويم زبد). المبدأ هو نفس مبدأ الماء والصابون، حيث يلتصق الصابون بجزيئات الشحوم ويغسلها بعيدًا عند الشطف.

نضع الطين في خزان حيث نصنع فقاعات هواء صغيرة، كما هو الحال في حوض السمك. ثم نضيف نوعين من المواد الكيميائية. ترتبط المثبطات بالمعادن غير المرغوب فيها لإغراقها في القاع. ويأخذ المجمعون القطع التي تحتوي على أتربة نادرة ليعلقوها على فقاعات الهواء، ليخرجوها إلى السطح.

يقوم الجامعون بربط القطع بفقاعات الهواء باستخدام الأتربة النادرة

عند التعامل مع باستنسيت، فإن المثبطات هي أحماض الفوسفوريك وثنائي الكربوكسيل. الأول يستخدم في صناعة المواد الغذائية لتحميض المشروبات الغازية، والثاني هو عائلة تحتوي على أحماض أمينية معينة في الجسم.

جامعي تشملسيليكات الصوديوم(مهيجة وتستخدم في المنتجات المنزلية)؛ التابعسداسي فلورو سيليكات الصوديوم(سام، ولكنه يستخدم لوضع الفلورايد في المياه الجارية)؛ وإلاسلفونات دي اللجنين(غير سامة، منتشرة على الطرق لمنع تكون الغبار).

ومن بين العمليات البديلةالفصل المغناطيسيمفيد بشكل خاص للمونازيت والزينوتيم حيث تتفاعل العديد من العناصر مع المغناطيس. ويستخدم أيضًا الفصل بالجاذبية، وهو أحد أشكال الطرد المركزي، ولكنه يعتبر أقل فعالية لأنه عادة ما يتم تطهير جزيئات الأرض النادرة الأصغر من الخليط.

وفي نهاية الإثراء فهو كذلكجفاف(نزح المياه). يتم تمرير الطين المعدني من خلال المكثف حتى يستقر الغبار. ثم يتم إخضاعها للتجفيف الحراري.

المعالجة الكيميائية

تتم معالجة الغبار الناتج كيميائيًا، مما يزيد من نقاء التربة النادرة إلى 90%. هناك طريقتان ممكنتان، حمضية وقاعدية (عكس الحمضية). المواد الكيميائية المستخدمة عدوانية ولكنها عادية جدًا ويمكن شراؤها من أي متجر أدوات منزلية. وبالتالي نستخدم حمض الكبريتيك (H2SO4)، وحمض الهيدروكلوريك (HCl)، وحمض النيتريك (HNO3)، والصودا الكاوية (NaOH) وبلورات الصودا (Na2CO3).

إذا كانت هذه الخطوة ملوثة للغاية، فهذا ليس بسبب المواد المستخدمة بقدر ما بسبب العناصر التي تسمح بتنظيف الغبار. سنركز هنا على المعدنين الرئيسيين، المونازيت والباستناسيت.

المونازيت

لنأخذ المونازيت. تتمثل الطريقة التقليدية في وضع المونازيت في حامض الكبريتيك المركز للغاية وغلي كل شيء في الفرن لعدة ساعات، عند درجة حرارة تتراوح من 120 درجة مئوية إلى 300 درجة مئوية حسب الوصفات. يتم تقليب الخليط بقوة حتى يأخذ قوام العجينة السميكة. تتم إزالة المعجون قبل أن يتصلب ويبرد إلى 70 درجة مئوية بماء ساخن إلى حد ما.

يترك لينقع لمدة يوم كامل. وفي النهاية، نستعيد المحلول الذي يطفو (تخيل عصير المونازيت) عن طريق التخلص من البقايا – خليط من السيليكون والتيتانيوم والزركون وغيرها من الشوائب. عصير المونازيت هذا حمضي جدًا جدًا، وسوف نقوم بتخفيفه عدة مرات بالأمونيا. كما لو كان بالسحر سنرى ظهور متتالية في قاع الخليط أكعكة الثوريوم والفوسفات (المشعة، يمكن التخلص منها); مركز أرضي نادر (للاحتفاظ به) ؛ و أتركيز اليورانيوم (المشع، يتم التخلص منه أيضًا).

تتضمن الطريقة الأساسية والأكثر حداثة والفعالة طهي المونازيت عند درجة حرارة 140 درجة مئوية (منظم الحرارة 5 في فرن منزلك) في حمام من الصودا الكاوية، ثم تبريد المعجون الناتج إلى 100 درجة مئوية بالماء. وهذا سيجعل العصير مليئًا بالفوسفات، والذي يمكن استرداده للاستخدام التجاري. يضاف حمض الهيدروكلوريك لتكوين عصير اللانثانم، الذي يتم استخلاصه من أتربة نادرة. كل ما تبقى في الأسفل هوالثوريوم والتيتانيوم والزركونيوم، سامة للغاية ومشعة.

باستناسيت

يمكن تحميص الباستنسيت مع حامض الكبريتيك عن طريق وضعه في درجة حرارة تزيد عن 100 درجة مئوية. الهدف هو التخلص من السيليكونوخاصة الفلورايد، الذي يتم التخلص منه عن طريق الأبخرة السامة. يتواجد هذا الفلور بشكل أساسي على شكل حمض الهيدروفلوريك (HF) - وأحيانًا على شكل حمض سداسي فلورو سيليك (H2SiF6)، والذي يصل كيميائيًا إلى نفس الشيء.

يتفاعل حمض الهيدروفلوريك مع الكالسيوم، وهو عنصر موجود في كل مكان في جسم الإنسان. وفي شكل أبخرة، يمكن أن يسبب الوذمة الرئوية أو العمى. عند خلطه بالماء، فإنه يمر بسهولة عبر الجلد، ويعطل وظيفة الأعصاب، ويمكن أن يهاجم العظام أو يسبب السكتة القلبية.

عملية الانفصال

وبعد هذه الفوضى السامة ـ التي تنتج جبالاً من الحمأة المشعة وسحباً كاملة من الفلور المطلوب معالجتها ـ نحصل بالتالي على خليط من الأتربة النادرة. لكنها جميعا تبدو متشابهة كيميائيا. وعندما نستخرجها أثناء المعالجة الكيميائية، فإننا نستعيدها كلها معًا في نفس الكوكتيل.

لفصلها، يتم استخدام المذيبات المختلفة بشكل عام. هذه ليست المواد الكيميائية الأكثر تلويثا، إلا عندما تحتوي على الفلور (قوات الدفاع الشعبي)، لأنه يمكن أن ينتهي بنا الأمر بعد ذلك إلى حمض الهيدروفلوريك الرهيب الذي رأيناه سابقًا. الإيتريوم، على سبيل المثال، معزول (قوات الدفاع الشعبي) مع حمض النفثينيك، وهو "نا" من منتج النابالم الحارق، والذي تظهر آثاره الملوثة بشكل أكبر حول استخراج النفط.

انها مثل صلصة السلطة

للتبسيط قليلاً، كل أرض نادرة لها مذيبها المفضل. تخيل أنك تقوم بإعداد صلصة السلطة. تضع الخردل في الخل (خليط مائي)، ثم تضيف الزيت. لا يختلط الماء والزيت، لذا إذا تركت صلصة الخل الخاصة بك لفترة كافية، فسوف تستقر: سينتهي بك الأمر بالخل والخردل في الأسفل، والزيت في الأعلى.

من المفاجئ تقريبًا أن هواتفنا الذكية لا تحتوي على رائحة الكبريت

في هذا المثال، المذيبات مثل الزيت والأتربة النادرة مثل الخردل. ستبقى معظم العناصر الأرضية النادرة في القاع، باستثناء تلك التي تحب المذيب المعني والتي سترتفع. ومن خلال تكرار العملية عدة مرات باستخدام مذيبات مختلفة، يمكن استعادة كل أتربة نادرة على حدة، والتي يمكن بعد ذلك إعادة استخدامها لأغراض تجارية.

وما هو إلا في نهاية هذه العملية،مشعة ومليئة بحمض الهيدروفلوريكأن الإيتريوم والسيريوم يمكن أن يأخذا مكانهما في شاشات OLED، والنيوديميوم والبراسيوديميوم في مغناطيس السماعات. ويكفي أن نقول إنه من المدهش تقريبا أن هواتفنا الذكية - على عكس الهواء في باوتو - لا تحتوي على رائحة الكبريت.

للذهاب أبعد من ذلك
الإنديوم والإيتريوم.. ما هي المعادن النادرة المستخدمة في هواتفنا الذكية؟