Recycling of Rare Earth Elements by Smelting of RE-Bearing Raw Materials

Titel in Übersetzung: Recycling von Seltenerdmetallen durch Schmelzen von RE-haltigen Rohstoffen

Wahyudin Prawira Minwal

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Die Seltenen Erden (REEs) sind eine Gruppe von 17 chemisch ähnlichen metallischen Elementen (d. h. 15 Lanthaniden sowie Scandium und Yttrium), die für die Anwendung im modernen Leben von strategischer Bedeutung sind. Sowohl die Vereinten Nationen als auch die Europäische Union haben die REEs aufgrund ihrer Eigenschaften und ihrer zunehmenden Verwendung in kritischen Anwendungen wie Windkraftanlagen als kritische und strategische Metalle eingestuft. Aufgrund der großen und steigenden Inlandsnachfrage hat China, der größte Produzent von Seltenen Erden, seit 2012 die Ausfuhrquoten für Seltene Erden-Konzentrate verschärft. Das Recycling von Seltenen Erden aus sekundären Ressourcen wie Schlacke ist besonders wichtig, um die Ressourceneffizienz zu steigern, der Knappheit zu entgehen und die Umweltauswirkungen zu minimieren. Die gängige Methode zur Verarbeitung von Seltenen Erden ist die Hydrometallurgie. Die Nachteile dieser Methode sind jedoch die Notwendigkeit eines fein gemahlenen Konzentrats und der hohe Abwasseranfall, der zu einer erheblichen Umweltverschmutzung führt. Daher wird diese Methode nicht für die direkte Gewinnung von REEs aus Schlacken mit geringem REE-Gehalt empfohlen. Die Bildung von RE-reichen Phasen durch pyrometallurgische Prozesse, wie z. B. Wärmebehandlung, die von RE-freien Phasen abtrennbar und auslaugbar sind, kann zur RE-Anreicherung im Konzentrat genutzt werden. Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, den Prozess der Extraktion von Seltenen Erden (REEs) aus Schlacke zu verstehen, einschließlich der Fähigkeit verschiedener fester Phasen, REEs einzuschließen. In dieser Studie wurde Ceroxid, CeO2, mit einer Reinheit von 99,9 % als Vertreter der Seltenerdoxide (REOs) verwendet, da sie ähnliche physikalische und chemische Eigenschaften haben. Darüber hinaus wurden in einigen Experimenten auch mehrere andere Substanzen, nämlich CaO, MgO, SiO2 und Al2O3, als Bestandteile der künstlichen Schlacke verwendet. Der Versuch konzentrierte sich auf die Auflösung von Ceroxid in den Phasen des Systems CaO-MgO-SiO2(-Al2O3). In dieser Untersuchung wurden CeO2-Gehalte von 1 Gew.-%, 2 Gew.-% und 5 Gew.-% verwendet. Nach der Bestimmung der Ausgangszusammensetzungen wurden die Schlackenproben hergestellt und dann bei erhöhter Temperatur geschmolzen, bis die Umwandlung von der festen in die flüssige Phase erreicht war, und mit dem Erhitzungsmikroskop (HSM) bei verschiedenen Parametern beobachtet. Die zum Schmelzen der Schlackenproben verwendeten Temperaturen betrugen 1400 oC, 1550 oC und 1600 oC, wobei die Haltezeit der Temperatur zwischen 15 Minuten und 1 Stunde variiert wurde. Die anschließende Analyse mit einem REM-Gerät von JEOL JSM IT-300 LV, das mit energiedispersiver Röntgenstrahlung (EDS) ausgestattet ist, diente zur Bestimmung der Art und Zusammensetzung der entstandenen Phasen. Das Ergebnis zeigt, dass Cer durch die Bildung einer Ce-inkorporierenden Phase verstärkt werden kann, zum Beispiel Ce9.33-xCax(SiO4)6O2-x mit etwa 58,82-62,85 Gew.-% Ceroxid. Niedrigere Gehalte an Ceroxid finden sich auch in einigen Phasen wie Ca2-xCexSiO4+¿, CaSiO3, CeCa3Si6O17, (Ca,Mg)SiO3, (Ca,Mg,Ce)(Al,Mg)(Al,Si)2O6. Bei den Versuchen für das System CaO-MgO-SiO2 mit einem anfänglichen Ceroxidgehalt von 5 Gew.-% wurde der höchste Ceroxidgehalt mit 62,85 Gew.-% in der Phase Ce9.33-xCax(SiO4)6O2-x bei 1600 oC für 15 min mit einer Basizität von 1,38. Wenn die Basizität auf 0,52 reduziert wird, werden die gebildeten Phasen aufgrund ihres hohen Gehalts in der ursprünglichen Zusammensetzung von SiO2 dominiert, während Ceroxid in der Matrix verbleibt. Bei dem Experiment, das bei einer Basizität von 0,67 durchgeführt wurde, kann keine Trennung in mehrere Phasen beobachtet werden, da eine einzige homogene Phase entstand. Bei niedrigeren CeO2-Ausgangsgehalten von 2 Gew.-% und 1 Gew.-% bildet sich bei einer verlängerten Schmelzzeit von 1 Stunde keine Ce-
Titel in ÜbersetzungRecycling von Seltenerdmetallen durch Schmelzen von RE-haltigen Rohstoffen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Luidold, Stefan, Beurteiler A (intern)
  • Antrekowitsch, Helmut, Betreuer (intern)
  • Lehner, Markus, Beurteiler B (intern)
  • Schenk, Johannes, Mitbetreuer (intern)
DOIs
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Seltene Erden
  • RE-reiche Phase
  • Cer-inkorporierende Phase
  • Wärmebehandlung

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