Seltene Erden Flashcards
(34 cards)
Rare earth elements (REE)
- Gruppe von 17 chemischen Elemente im Periodensystem, und zwar die fünfzehn Lanthaniden plus Scandium und Yttrium.
- Wichtig für die Herstellung von elektronischen Geräten aufgrund besonderer chemischer und physikalischer Eigenschaften.
- Trotz ihres Namens sind die Seltenen Erden (mit Ausnahme des radioaktiven Promethiums) relativ häufig in der Erdkruste vorhanden
- Dabei ist Cerium mit 68 Teilen pro Million (ähnlich wie Kupfer) das 25. häufigste Element.
- Aufgrund ihrer geochemischen Eigenschaften sind die Seltenen Erden typischerweise dispergiert und kommen nicht oft konzentriert als Seltene Erden-Mineralien in wirtschaftlich abbaubaren Erzlagerstätten vor Gerade die Seltenheit dieser Minerale (früher “Erden” genannt) führte zu dem Begriff “Seltene Erde”
- Unterscheidung in leichte, mittlere und schwere REE
Vorkommen und Produktion von REE
- Am größten in China (55 Mio. t), Gemeinschaft Unabhängiger Staaten (GUS) (19 Mio. t), U.S.A. (13 Mio. t), Kanada (8 Mio. t), Indien (3,1 Mio. t), Australien (1,6 Mio. t)
Wichtige REE-Erze
- Die wichtigsten Lagerstätten von REE-Erzen in den USA, Australien und China bestehen hauptsächlich aus zwei Arten von Mineralien: Bastnäsite und Monazite
- Durchschnittlicher REE-Gehalt 3-7% als Oxide in den Erzen, hohe Variation
Forth-Flotation
Verfahren zur selektiven Abtrennung hydrophober Materialien von hydrophilen.
Reduktion
- Herstellung von abgetrennten REE-Fluoriden, -Chloriden oder -Oxiden
- Reduktionsverfahren
o Salzschmelzen-Reduktion
o Vakuumreduktion mit Lithium, Magnesium und Calcium
Fazit der Primärproduktion
Fazit der Primärproduktion
- Hauptrisiken der Primärproduktion sind Tailings, die ein Gemisch aus kleinteiligen Partikeln, Abwässern und Flotationschemikalien sind und bei der Aufkonzentrierung des abgebauten Erzes anfallen. Sie werden in Aufhaldungsbereichen gelagert.
- Aufwendige Aufbereitung erforderlich. Manchmal reicht Mischmetall” für die Industrie aus und spart Kosten.
- Aufgrund der hohen Nachfrage nach Seltenen Erden und der sinkenden chinesischen Exporte gibt es viele Aktivitäten, die auf die Eröffnung neuer Minen außerhalb Chinas abzielen.
Anwendung von REE
- Phosphor:
- Eu, Tb, Y
- Leuchtstofflampen, Kompaktleuchtstofflampen, LEDs, LCD-Hintergrundbeleuchtung, Plasma-Bildschirme, Kathodenstrahlröhren (CRT) - Wiederaufladbare Batterien:
- La, Ce, Nd, Pr
- Nickel-Metall-Hybrid-Batterien - Permanent NdFeB magnets:
- Nd, Dy, Tb, Pr
- Mobiltelefone, Festplattenlaufwerke, Computer und Peripheriegeräte, elektrische und elektronische Konsumgüter
Recycling von REE: Status quo
- Hohe Lagerstättenkonzentration in China
- Äußerst geringe Recyclingraten
Verteilungsdiagramm für die Kupferverhüttung
- die REE sind leicht oxidierbar wir finden sie in der Schlackenphase
Recycling von Seltenerdelementen
- REE, die nicht in pyrometallurgischen Standardprozessen gewonnen werden können, wie
o Cu, Sn, Pb, Zn, Ni, Cr, Mn, Fe, Al, Ti Routen
o Aber Aufkonzentrierung in Schlacken möglich
o Hauptsächlich nur Abtrennung aller RE auf einmal - Hydrometallurgie kann REE abtrennen
- Kombination von Pyro- und Hydrometallurgie kann eingesetzt werden
Bestand und Bedarf an Neodym im Einsatz
stark wachsende Nachfrage Neodym
NdFeB Magenten in Festplattenlaufwerke – Hard disk drives (HDD) - Zusammensetzung
- Die Zusammensetzung hängt von der beabsichtigten funktionalen Verwendung ab
- Ein durchschnittlicher Spindelmotormagnet in Festplattenlaufwerken besteht aus:
Eisen (63%), Kupfer (1,5%), REE (27,1%): Nd Neodym (23%), Praseodym (2,8%), Dy, Sm, Tb
Rückgewinnungsprozess Magneten (Pyrometallurgisch)
- Umschmelze
- Metall/Schlacke-Trennung
- Flussmittelentfernung/Veredelung
Vergleich Recyclingstrategien NdFeB-Magnete
- Direkte Wieder-verwendung in aktueller Form/Gestalt
- Wiederauf-bereitung von Legierungen zu Magneten
- Pyrometal-lurgische Verfahren
- Hydrometa-llurgische Verfahren
Recyclingstrategien NdFeB-Magnete: Vor- & Nachteile Direkte Wiederverwendung
+Wirtschaftlichste Art des Recyclings (geringer Energieaufwand, kein Verbrauch von Chemikalien)
+kein Abfall erzeugt
- Nur für große, leicht zugängliche Magnete (Windkraftanlagen, große Elektromotoren und Generatoren in Hybrid- und Elektrofahrzeugen)
- Heute nicht in großen Mengen im Schrott verfügbar
Recyclingstrategien NdFeB-Magnete: Vor- & Nachteile Wiederaufbereitung
+geringerer Energieaufwand als bei hydrometallurgischen und pyrometallurgischen Routen
+kein Abfall entsteht
+besonders geeignet für Festplattenlaufwerke (geringe Änderung der Zusammensetzung über die Jahre)
- Nicht anwendbar für gemischten Schrott, der Magnete mit großen Schwankungen in der Zusammensetzung enthält
- nicht anwendbar für oxidierte Magnete
Recyclingstrategien NdFeB-Magnete: Vor- & Nachteile pyrometallurgische Verfahren
+Generell einsetzbar für alle Arten von Magnetzusammensetzungen
+kein Anfall von Abwasser
+weniger Verarbeitungsschritte als hydrometallurgische Verfahren
+Direktes Schmelzen ermöglicht die Gewinnung von Vorlegierungen
+Flüssige Metallextraktion ermöglicht die Gewinnung von REEs im metallischen Zustand
-Größerer Energieaufwand erforderlich
-Direktes Schmelzen und Flüssigmetallextraktion können nicht auf oxidierte Magnete angewendet werden
Elektroschlacke-Raffination und das Glasschlacke-Verfahren erzeugen große Mengen an festen Abfällen
Recyclingstrategien NdFeB-Magnete: Vor- & Nachteile hydrometallurgische Verfahren
+Generell anwendbar auf alle Arten von Magnetzusammensetzungen
+Anwendbar auf nicht oxidierte und oxidierte Legierungen
+Gleiche Verarbeitungsschritte wie bei der Gewinnung von Seltenen Erden aus Primärerzen
- Viele Prozessschritte vor der Gewinnung neuer Magnete erforderlich
- Verbrauch von großen Mengen an Chemikalien
- Erzeugung großer Mengen an Abwasser
Recycling von Phosphor(-lampen)
- Zusammensetzung je nach vorgesehenem Funktionseinsatz (LED, CRT, Lampenphosphor)
- Zusammensetzung der Funktionseinheiten selten in der Literatur/Forschungsunterlagen angegeben
Recyclingverfahren für Lampenleuchtstoffe
- Direkte Wiederverwendung
- Gewinnung des REE-Gehalts
(Hydrometallurgischer Prozess)
Recyclingverfahren für Lampenleuchtstoffe: Vor- & Nachteile - Direkte Wiederverwendung
+ Einfache und schnelle Methode
+ nur physikalische Bearbeitung erforderlich
- Nur für einen Typ von Leuchtstofflampen mit der gleichen Art von Phosphormischungen geeignet
- Phosphore verschlechtern sich über die Lebensdauer der Lampe
Recyclingverfahren für Lampenleuchtstoffe: Vor- & Nachteile - Gewinnung des REE-Gehalts
(Hydrometal-lurgischer Prozess)
+Generell geeignet für alle Arten von Phosphormischungen
+Gleiche Verarbeitungsschritte wie bei der Gewinnung von Seltenen Erden aus Primärerzen
+Gewinnung reiner Seltenerdoxide (4N-5N)
- Langwieriger Prozess zur Gewinnung neuer Lampenleuchtstoffe
- Große Mengen an Chemikalien werden verbraucht
- Große Mengen an Abwasser müssen aufbereitet werden
Vor - & Nachteile Hydrometallurgische Prozesse
+Geringe Investitionskosten
+Recycling verschiedener Abfallfraktionen (Kathoden- und Anodenmaterial, Metalle aus dem Gehäuse) möglich, die separat vermarktet werden können
- Viele manuelle Arbeitsschritte sind für die Demontage der Batterien und die Trennung der verschiedenen Komponenten erforderlich
- Großer Verbrauch von Chemikalien
Vor - & Nachteile Pyrometallurgische Prozesse
+ausgereifte Technologie
+Energierückgewinnung aus Kunststoffgehäusen und anderen organischen Bestandteilen
+Gleiche Prozessschritte zur Gewinnung von REEs aus Schlacken wie aus Primärerzen
- Hohe Investitionskosten für die Öfen
- REEs müssen aus Schlacken extrahiert werden
- REEs werden als Gemisch gewonnen und eine weitere Trennung ist erforderlich