Die Metalle der Seltenen Erden ähneln sich chemisch. Das macht ihre Gewinnung aufwendig. Aus Erzmineralien werden zunächst ganze Gruppen von Seltenen Erden gewonnen, die dann aufgetrennt werden müssen.
Neodym ist eines von 17 Metallen der Seltenen Erden.
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Der Begriff Seltene Erden ist irreführend: Vorkommen finden sich weltweit, die durchschnittliche Konzentration von Seltenerdelementen (SEE) in der Erdkruste entspricht etwa der von Zinn und Blei. Theoretisch findet man SEE damit deutlich häufiger als einige Basismetalle wie Kupfer oder Zink. Dennoch stehen Bergbauunternehmen bei der Förderung von Seltenen Erden vor Herausforderungen, denn in konzentrierter Form finden sich die Elemente an kaum einem Ort.
Heute sind etwa 250 Mineralien bekannt, die Seltene Erden enthalten. Aus wirtschaftlichen Gründen beschränkt sich die industrielle Gewinnung aber weitgehend auf Bastnäsit, auf das 80 % der weltweiten SEE-Produktion entfallen, sowie zu kleineren Teilen auf Monazit und Xenotime. Ein typisches Mineral enthält dabei bis zu 15 unterschiedliche Metalle. Das Gestein in der Lagerstätte Mountain Pass in den USA – neben der chinesischen Mine Bayan Obo eine der bedeutendsten SEE-Vorkommen – besteht zu nur circa 10 % aus Bastnäsit, der Rest verteilt sich auf Calcit, Baryt und anderen kleinere Mineralien. Wer mit der Förderung und dem Verkauf von Seltenen Erden also ein tragfähiges Geschäftsmodell aufstellen möchte, der sollte auch wissen, in welchen Märkten sich die übrigen Metalle absetzen lassen, die sich gemeinsam mit den SEE im geförderten Gestein finden.
Seltenerdmetalle nicht untereinander austauschbar
Der Sammelbegriff Seltene Erden beschreibt eine Gruppe von 17 chemischen Elementen – 15 Lanthanide sowie die Elemente Yttrium und Scandium. Sie ähneln sich in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften, weswegen man an einer Lagerstätte immer gleich mehrere unterschiedliche SEE findet. Trotz ihrer Ähnlichkeit verfügen die einzelnen SE-Metalle jedoch über spezifische Anwendungsbereiche; sie sind nicht untereinander austauschbar und müssen in der Gewinnung entsprechend sauber in die einzelnen Elemente aufgetrennt werden – ein schwieriger Prozess.
Der Weg vom Erzmineral zum SEE besteht im Wesentlichen aus den drei Phasen Ausbringung, Hydrometallurgie und Trennung, wie David Kennedy im Kapitel Aufbereitung und Verarbeitung von Seltenerdmetallen des Buchs Strategische Rohstoffe – Risikovorsorge schreibt. Nur wo die SEE bereits, wie in Südchina, in Form von ionenadsorbierenden Tonen vorliegen, lässt sich direkt mit der Trennung beginnen.
Seltene Erden von Begleitmetallen trennen
Bei der Ausbringung wird das Gestein zunächst über verschiedene energieintensive Brech- und Mahlverfahren zerkleinert, bevor es per Schwerkraftabscheidung, zum Teil aber auch per Magnetabscheidung, elektrostatischer Trennung oder Flotation in unterschiedliche Bestandteile separiert wird, wie das Autorenteam um Surya Kanta Das im Kapitel Mineral Processing of Rare Earth Ores des Buchs Rare-Earth Metal Recovery for Green Technologies näher erläutert. Dabei macht man sich unter anderem zunutze, dass sich SEE in ihrem höheren spezifischen Gewicht und in ihrem paramagnetischen Verhalten von anderen Elementen im Gestein unterscheiden.
In der anschließenden hydrometallurgischen Behandlung nehmen saure oder alkalische Aufschlüsse die Seltenerdminerale auf. Aus dem Prozess resultiert ein hochreines Gemisch, das zu 99,9 % aus Seltenerdchloriden besteht. Die Hydrometallurgie erfordert große Mengen an Reagenzien sowie die Wiederaufbereitung des belasteten Wassers. Zudem ist die Hydrometallurgie sehr energieintensiv, weswegen derzeit auch an der Entwicklung ressourcenschonenderer Prozesse gearbeitet wird.
Extrahieren einzelner Metalle schwierig
Während es sich bei der Hydrometallurgie um ein industriell bewährtes Verfahren handelt, ist die nachfolgende Auftrennung des SEE-Chloridgemischs in die einzelnen Metalle umso herausfordernder.
Zum Einsatz kommt in den meisten Fällen die Solvent-Extraktion (SX), oder genauer: die Flüssig-Flüssig-Extraktion. Das Trennverfahren beruht darauf, dass sich die verschiedenen SEE-Chloride in ihren relativen Löslichkeiten unterschieden. Zwei nichtmischbare Phasen, beispielsweise eine wässrige und eine organische, werden im Gegenstrom miteinander in Kontakt gebracht. Eine der beiden Phasen enthält des SEE-Gemisch. Das System wird so eingestellt, dass eine der beiden Phasen gezielt ein bestimmtes Metall aus dem SEE-Gemisch extrahiert. Im Kapitel Fundamental Principle and Practices of Solvent Extraction (SX) and Supported Liquid Membrane (SLM) Process for Extraction and Separation of Rare Earth Metal(s) geht das Autorenteam um Pankaj Kumar Parhi genauer auf den Prozess ein. Der zeitaufwendige Prozess erfordert laut David Kennedy große Anlagen mit einer sehr hohen Anzahl an Mischabsetzern. Die verschiedenen SEE werden dabei in einer Vielzahl einzelner Stufen abgetrennt.
Per Hochtemperaturverfahren zum reinen Metall
Die entstehenden SEE-Oxide sind sehr stabil, was ihre weitere Reduktion zu Metall zu einem sehr schwierigen Prozess macht, wie die Autoren um Sanjay Agarwal im Kapitel Thermodynamic Aspects for Rare Earth Metal Production schreiben. Für die Reduktion kommt häufig die Metallothermie zum Einsatz, ein Hochtemperaturverfahren. Die Reaktion läuft endotherm ab. Sie zu beherrschen ist angesichts des Schmelzpunkts der Metalle und der entstehenden Gasdrücke laut Agarwal äußerst knifflig. Bei der Wahl geeigneter Reduktionsmittel – in der Regel Calcium oder Lanthanum – und Prozessparameter lassen sich mit der Metallothermie jedoch reine Seltenerdmetalle erzeugen.