La monacita es un mineral de fosfato de color marrón rojizo que contiene elementos de tierras raras . Debido a la variabilidad en la composición, la monacita se considera un grupo de minerales. [3] La especie más común del grupo es la monacita-(Ce) , es decir, el miembro dominante del grupo con cerio. [4] Se presenta generalmente en pequeños cristales aislados . Tiene una dureza de 5,0 a 5,5 en la escala de dureza mineral de Mohs y es relativamente densa , alrededor de 4,6 a 5,7 g/cm 3 . Hay cinco especies diferentes más comunes de monacita, dependiendo de las cantidades relativas de los elementos de tierras raras en el mineral: [5]
Los elementos entre paréntesis se enumeran en orden de proporción relativa dentro del mineral: el lantano es el elemento de tierras raras más común en la monacita (La), y así sucesivamente. La sílice ( SiO 2 ) está presente en cantidades traza, así como pequeñas cantidades de uranio y torio . Debido a la desintegración alfa del torio y el uranio, la monacita contiene una cantidad significativa de helio , que se puede extraer mediante calentamiento. [6]
Los siguientes análisis son de monacita de: (I.) Condado de Burke, Carolina del Norte , EE. UU.; (II.) Arendal , Noruega; (III.) Emmaville, Nueva Gales del Sur , Australia. [7]
La monacita es un mineral importante para el torio, [8] el lantano y el cerio. [9] A menudo se encuentra en depósitos de placer . India , Madagascar y Sudáfrica tienen grandes depósitos de arenas de monacita. Los depósitos de India son particularmente ricos en monacita.
La monacita es radiactiva debido a la presencia de torio y, con menor frecuencia, de uranio. La desintegración radiogénica del uranio y el torio en plomo permite datar la monacita mediante la geocronología de la monacita . Los cristales de monacita suelen tener múltiples zonas diferenciadas que se formaron a través de eventos geológicos sucesivos que conducen a la cristalización de la monacita. [10] Estos dominios se pueden datar para obtener información sobre la historia geológica de sus rocas anfitrionas.
El nombre monacita proviene del griego antiguo : μονάζειν , romanizado : monázein (ser solitario), vía alemán Monazit , en alusión a sus cristales aislados. [11]
Todas las monacitas adoptan la misma estructura, lo que significa que la conectividad de los átomos es muy similar a otros compuestos del tipo M(III)PO 4 . Los centros M(III) tienen una esfera de coordinación distorsionada que está rodeada por ocho óxidos con distancias M–O de alrededor de 2,6 Å de longitud. El anión fosfato es tetraédrico, como es habitual. El mismo motivo estructural se observa para el cromato de plomo ( PbCrO 4 ). [12] La monacita también comparte muchas similitudes estructurales con; circón , xenotima , scheelita , anhidrita , barita y rabdofano. [13]
La arena de monacita de Brasil fue descubierta por primera vez en la arena transportada en el lastre de los barcos por Carl Auer von Welsbach en la década de 1880. Von Welsbach buscaba torio para sus recién inventados mantos incandescentes . La arena de monacita fue rápidamente adoptada como fuente de torio y se convirtió en la base de la industria de las tierras raras.
La arena de monacita también se extrajo brevemente en Carolina del Norte , pero, poco después, se encontraron depósitos extensos en el sur de la India . La monacita brasileña e india dominaba la industria antes de la Segunda Guerra Mundial, después de la cual la actividad minera principal se trasladó a Sudáfrica . También hay grandes depósitos de monacita en Australia .
La monacita era la única fuente importante de lantánidos comerciales , pero debido a la preocupación por la eliminación de los productos radiactivos derivados del torio, la bastnasita pasó a desplazar a la monacita en la producción de lantánidos en la década de 1960 debido a su contenido de torio mucho menor. El creciente interés en el torio para la energía nuclear puede hacer que la monacita vuelva a utilizarse comercialmente. [ cita requerida ]
Debido a su alta densidad, los minerales de monacita se concentran en arenas aluviales cuando se liberan por la erosión de las pegmatitas . Estos depósitos denominados de placer suelen ser arenas de playa o arenas de playa fósiles y contienen otros minerales pesados de interés comercial, como el circón y la ilmenita . La monacita se puede aislar como un concentrado casi puro mediante el uso de separación por gravedad, magnética y electrostática.
Los depósitos de arena de monacita son predominantemente de composición monacita-( Ce ). Típicamente, los lantánidos en tales monacitas contienen alrededor de 45–48% de cerio , alrededor de 24% de lantano , alrededor de 17% de neodimio , alrededor de 5% de praseodimio y cantidades menores de samario , gadolinio e itrio . Las concentraciones de europio tienden a ser bajas, alrededor del 0,05%. La monacita "de roca" sudafricana, de Steenkampskraal , fue procesada en la década de 1950 y principios de la de 1960 por la División Química Lindsay de American Potash and Chemical Corporation, en ese momento el mayor productor de lantánidos en el mundo. La monacita de Steenkampskraal proporcionó un suministro del conjunto completo de lantánidos. Concentraciones muy bajas de los lantánidos más pesados en la monacita justificaron el término de tierras "raras" para estos elementos, con precios acordes. El contenido de torio de la monacita es variable y, en ocasiones, puede llegar hasta el 20-30 %. La monacita de ciertas carbonatitas o de vetas de mineral de estaño de Bolivia está esencialmente libre de torio. Sin embargo, las arenas de monacita comerciales suelen contener entre un 6 y un 12 % de óxido de torio.
El proceso original para "craquear" la monacita con el fin de extraer el contenido de torio y lantánidos consistía en calentarla con ácido sulfúrico concentrado a temperaturas de entre 120 y 150 °C (250 y 300 °F) durante varias horas. Las variaciones en la proporción de ácido con respecto al mineral , el grado de calentamiento y el grado en que se añadía agua después dieron lugar a varios procesos diferentes para separar el torio de los lantánidos. Uno de los procesos hizo que el torio precipitara como fosfato o pirofosfato en forma cruda, dejando una solución de sulfatos de lantánidos, de la que los lantánidos podían precipitarse fácilmente como sulfato de sodio doble . Los métodos ácidos dieron lugar a la generación de considerables residuos ácidos y a la pérdida del contenido de fosfato del mineral.
Un proceso más reciente utiliza una solución caliente de hidróxido de sodio (73 %) a unos 140 °C (280 °F). Este proceso permite recuperar el valioso contenido de fosfato del mineral en forma de fosfato trisódico cristalino . La mezcla de hidróxido de torio y lantánido se puede tratar con ácido clorhídrico para proporcionar una solución de cloruros de lantánido y un lodo insoluble de hidróxido de torio, menos básico.
La extracción de tierras raras del mineral de monacita comienza con la digestión con ácido sulfúrico seguida de una extracción acuosa. El proceso requiere muchas neutralizaciones y filtraciones. [14] [15]
Los productos finales obtenidos con este proceso son concentrado de fosfato de torio, hidróxidos de tierras raras y concentrado de uranio. Según los precios relativos de mercado del uranio, el torio y los elementos de tierras raras, así como la disponibilidad de clientes y la logística de entrega a ellos, algunos o todos esos productos pueden ser económicos para vender o procesarlos más en una forma comercializable, mientras que otros constituyen relaves para su eliminación. Los productos de la serie de desintegración del uranio y el torio , en particular el radio, estarán presentes en cantidades traza y constituirán un peligro radiotóxico. Mientras que el radio-228 (un producto de la desintegración del torio) estará presente solo en cantidades extremadamente pequeñas (menos de un miligramo por tonelada métrica de torio) y se desintegrará con una vida media de aproximadamente 5,75 años, el radio-226 estará presente en una proporción superior a 300 miligramos por tonelada métrica de uranio y debido a su larga vida media (~1600 años) permanecerá esencialmente con el residuo. Como el radio forma el sulfato de metal alcalinotérreo menos soluble conocido, el sulfato de radio estará presente entre los productos de filtración sólidos después de que se haya agregado ácido sulfúrico.
En dos estudios, uno en el que se prueba la capacidad de almacenamiento de residuos radiactivos de las monacitas sintéticas sumergiéndolas en un sistema de aguas residuales contaminadas durante un período prolongado y el otro en el que se compara la durabilidad de las estructuras cristalinas de múltiples minerales, se investiga la capacidad de la monacita para actuar como anfitrión de subproductos nucleares del plutonio de alto grado presente en armas nucleares desmanteladas y combustible gastado de reactores nucleares. Los resultados de ambas investigaciones muestran que la monacita es una de las mejores opciones de almacenamiento en comparación con el vidrio de borosilicato utilizado anteriormente.
En un estudio realizado en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee [16] se compara el rendimiento de la monacita sintética con el vidrio de borosilicato en la gestión de residuos radiactivos. Este experimento implicó remojar monacita sintética y vidrio de borosilicato en residuos de defensa contaminados simulados del río Savannah durante 28 días, durante el cual se midieron las tasas de lixiviación de ambos materiales. Los resultados muestran que la monacita sintética es un material mucho más eficaz para contener residuos radiactivos debido a sus bajas tasas de lixiviación y su lenta tasa de corrosión.
En un segundo estudio [17] se descubrió que la monacita natural tiene una capacidad mejorada para lidiar con los subproductos de la radiación debido a la propiedad de "resistencia" a la radiación, ya que puede permanecer cristalina después de ser sometida a altas cantidades de radiación de desintegración alfa y amorfizarse. Debido a esta alta durabilidad, se la considera una mejor alternativa para albergar materiales como el estroncio radiactivo que otros minerales probados. También se ha demostrado que la monacita sintética tiene una durabilidad similar a la de las muestras cristalinas naturales después de que se amorfiza por completo.
