Los depósitos de elementos de tierras raras alojados en regolitos (también conocidos como depósitos de adsorción de iones ) son minerales de elementos de tierras raras (REE) en rocas descompuestas que se forman por la intensa erosión de rocas parentales ricas en REE (por ejemplo , granito , toba , etc.) en áreas subtropicales . [2] En estas áreas, las rocas se rompen y descomponen intensamente. [3] Luego, los REE se infiltran hacia abajo con el agua de lluvia y se concentran a lo largo de una capa erosionada más profunda debajo de la superficie del suelo. [4]
La tecnología de extracción de los yacimientos ha ido evolucionando en los últimos 50 años. En el pasado, las tierras raras se extraían principalmente en pequeñas cantidades como subproductos en minas de otros metales o arenas graníticas en la playa. [3] Sin embargo, en las últimas décadas, el desarrollo de las industrias de alta tecnología (por ejemplo, ingeniería aeroespacial, telecomunicaciones, etc.) conduce a una gran demanda de tierras raras. [5] Por lo tanto, se reconocieron los depósitos de elementos de tierras raras alojados en el regolito y las tecnologías de extracción se han desarrollado rápidamente desde la década de 1980. [6]
En la actualidad, China domina más del 95% de la producción mundial de tierras raras. [7] Los depósitos de tierras raras alojados en regolitos, que contribuyen con el 35% de la producción de tierras raras de China, se encuentran principalmente en el sur de China. [8]
Los regolitos son depósitos no consolidados de rocas fragmentadas y descompuestas y pueden incluir polvo, tierra, roca rota y otros materiales relacionados. Son la fuente de minerales y materiales de construcción y si contienen mucho material biológico se conocen como suelos. La mayoría de los depósitos minerales de tierras raras alojados en regolitos se encuentran en el sur de China, que actualmente domina más del 95% de la producción mundial de REE. [7] Hay dos tipos principales de depósito, a saber, el depósito de elementos de tierras raras "ligeros" (LREE) (es decir, La , Ce , Pr y Nd ) y el depósito de elementos de tierras raras medios y pesados (HREE) (es decir, Sm , Eu , Gd , Dy , Ho , Er , Tm , Yb y Lu ).
Ambos tipos se encuentran principalmente en las provincias de Jiangxi, Hunan, Guangdong y Fujian. El yacimiento de Zudong en Jiangxi, los yacimientos de Datian y Xiawentian son las principales minas de HREE en el sur de China. Mientras tanto, el yacimiento de Heling y el de Dingnan en la provincia de Jiangxi dominan la LREE. [1]
Mientras tanto, se están realizando exploraciones de este tipo de yacimientos en todo el mundo. Actualmente, se han descubierto algunos depósitos potenciales en los EE. UU., el sudeste asiático, Malawi, Brasil y Madagascar. [9]
Los depósitos de elementos de tierras raras alojados en regolitos se encuentran a lo largo de las crestas de las colinas graníticas bajas en el sur de China. [10] El depósito de mineral se puede perfilar en cuatro capas según su grado de meteorización, mientras que el cuerpo mineral se encuentra en la capa inferior del suelo meteorizado. [11] [12] [13] [3] [14]
La morfología de los depósitos del sur de China (sur de Jiangxi, suroeste de Fujian, norte de Guangdong y noroeste de Guangxi en particular) está determinada por factores tanto regionales como locales. [11]
A nivel regional, los depósitos se encuentran generalmente en áreas con topografía baja, colinas bajas de menos de 500 m de altitud. [10] Además, al estar ubicado en una zona subtropical, el sur de China tiene un clima cálido y húmedo. Por lo tanto, los depósitos suelen tener una vegetación densa. [1]
A nivel local, los depósitos tienden a formarse a lo largo de las crestas, en lugar de los valles. La corteza meteorizada más gruesa, junto con su yacimiento mineral asociado, se encuentra a lo largo de las crestas, mientras que su espesor disminuye hacia los valles o hacia abajo de la pendiente. [15]
La corteza meteorizada en su totalidad puede tener un espesor de entre 30 y 60 m, [16] [14] dependiendo de sus condiciones estructurales, geomorfológicas e hidrogeológicas locales. En general, el depósito se puede dividir en 4 capas de acuerdo con su intensidad de meteorización. Tomando como ejemplo una corteza meteorizada de 25 m de espesor, su perfil de meteorización se ilustra a continuación:
El enriquecimiento de tierras raras generalmente ocurre como una zona de 5 a 10 metros de espesor entre la capa completamente meteorizada y la capa fuertemente meteorizada [12] y está destinada a la minería comercial. En comparación con otros depósitos de tierras raras, los depósitos de elementos de tierras raras alojados en regolitos son sustancialmente de baja calidad [3] (contienen entre 0,05 y 0,3 % en peso de tierras raras extraíbles [13] ). Sin embargo, debido a su fácil método de extracción, bajos costos de procesamiento y gran abundancia, los cuerpos minerales son económicos de extraer. [18]
Los siguientes son algunos aspectos clave de las ideas en la génesis de los depósitos de tierras raras alojados en regolitos. El magma formador de depósitos proviene de magma granítico enriquecido con LREE o HREE y no está necesariamente relacionado con ningún entorno tectónico especial o período geológico. [1] Luego, LREE o HREE experimentan un enriquecimiento de primera etapa a través de su propio mecanismo cuando el magma se solidifica. [19] Después de que el granito es llevado a la superficie del suelo, experimenta una intensa denudación y exhumación en áreas subtropicales. [20] En esta etapa, las tierras raras se enriquecen aún más, lo que hace que la minería sea económica. [20] Estos procesos se analizan en detalle a continuación:
En términos de configuraciones tectónicas, no se observa ninguna tendencia obvia en la configuración tectónica que favorezca la formación de depósitos de elementos de tierras raras alojados en regolito. [1] Los geólogos han creído durante mucho tiempo que entre las diferentes fuentes de magma, los magmas originados formaron configuraciones anorogénicas (no formadoras de montañas) y anhidras (por ejemplo, límites de placas divergentes ), que en consecuencia forman granitos de tipo A , que están enriquecidos con REE. [21] Esto se debe a que un menor grado de fusión parcial en esta configuración tectónica favorece el enriquecimiento de las REE, que son incompatibles y tienden a fundirse preferentemente. Sin embargo, a partir de observaciones de campo, el granito de tipo A no está sobresalientemente enriquecido con REE (en porcentaje total de REE). En cambio, es similar a los granitos de tipo I (que surgen del magma de rocas ígneas parcialmente fundidas) y los granitos de tipo S (que surgen del magma de rocas sedimentarias parcialmente fundidas), que se originan en entornos orogénicos (de formación de montañas) (por ejemplo, límites de placas convergentes). [1]
En términos de tiempos geológicos, estos granitos enriquecidos con tierras raras se formaron de manera uniforme durante un amplio período de tiempo geológico (es decir, desde el Ordovícico hasta el Cretácico ), [22] lo que demuestra que estos depósitos no se forman en entornos especiales relacionados con ningún evento geológico importante. [1]
En general, las rocas parentales de los depósitos de elementos de tierras raras alojados en regolito son rocas ígneas félsicas (por ejemplo, granito , riolita , toba riolítica , etc.), que están asociadas con el magmatismo granítico y el vulcanismo en el sistema de subducción . [23] Durante la cristalización del magma, LREE y HREE se enriquecen principalmente en granitoides a través de dos mecanismos separados. [19]
El proceso secundario (es decir, la meteorización) es esencial para un mayor enriquecimiento del granitoide rico en HREE/LREE . Convierte el granitoide en un cuerpo mineral económicamente extraíble. Por lo tanto, el clima cálido y húmedo, junto con el suelo ligeramente ácido en las zonas subtropicales, favorecen la formación de depósitos de elementos de tierras raras alojados en regolito. Una combinación de intensa meteorización química , física y microbiológica [24] permite la eliminación de las tierras raras en la capa superior, más ácida y completamente meteorizada, la migración descendente a través del agua de lluvia y, finalmente, la deposición (y concentración) en la capa inferior, menos ácida y moderadamente meteorizada. [16] [25] [26] [27] (las tierras raras forman un complejo más estable en el suelo con un pH más alto). [20]
Además, la intensa erosión en áreas subtropicales (por ejemplo, el sur de China) elimina continuamente un volumen significativo de materiales suprayacentes del sistema de erosión in situ , un proceso llamado denudación . [1] En respuesta a la remoción de masa, se produce una exhumación (un proceso de elevación isostática en el que la roca profunda se lleva a la superficie de la tierra) y, por lo tanto, se reponen los materiales para la denudación en curso . [16] [28] Por lo tanto, el sistema de equilibrio dinámico entre la denudación y la exhumación facilita aún más el desarrollo de un perfil de erosión más grueso, así como la acumulación de tierras raras. [1]
En los depósitos de tierras raras alojados en regolitos, los minerales de tierras raras no existen como iones libres . En cambio, se adhieren físicamente a minerales arcillosos como complejos arcilla-REE o se unen químicamente con minerales que albergan REE. [29]
La fase intercambiable (es decir, arcilla-REE) representa el 60-90% del contenido total de REE en los depósitos. En esta fase, las REE se presentan como cationes móviles (es decir, REE 3+ ), cationes hidratados (es decir, [REE(H 2 O) n ] 3+ o una parte de complejos cargados positivamente, [30] que se adsorben (se adhieren físicamente por una atracción electrostática débil) en sitios de carga negativa permanente en minerales arcillosos [29] (por ejemplo , caolinita , halloysita , illita , etc.). Por lo tanto, las REE se pueden recuperar y extraer fácilmente mediante lixiviación por intercambio iónico con electrolito diluido . [31]
Las fases minerales (es decir, los minerales que albergan REE) representan entre el 10 y el 30 % del contenido de REE en los depósitos. [30] Las REE se incorporan en minerales accesorios [3] (es decir , bastnäsita (REE)(CO 3) F, monacita (REE)PO 4 y xenotima (Y,REE)PO 4 ) como parte de la red cristalina. [32] Como las REE se mantienen mediante enlaces químicos, se requiere una cocción alcalina o una lixiviación ácida para descomponerlas y extraerlas. [30]
La lixiviación química se utiliza para extraer las tierras raras de los depósitos de tierras raras alojados en el regolito. Al inyectar una solución de lixiviación ( lixiviante ) en un yacimiento, las tierras raras adheridas a los minerales arcillosos son desplazadas por los iones de la solución de lixiviación y se disuelven en la solución de lixiviación, que fluye hacia abajo a lo largo del yacimiento. [33] La siguiente ecuación muestra un ejemplo de reacción de intercambio iónico entre un mineral arcilloso adherido a las tierras raras y un lixiviante (sulfato metálico). [33]
[33]
Desde el descubrimiento de este tipo de yacimientos en la década de 1960, el procedimiento de lixiviación ha experimentado tres generaciones sucesivas de tecnología, [34] evolución en el uso de la solución lixiviante ( lixiviante ) y técnicas de lixiviación, que se resumen a continuación:
A principios de la década de 1970, se llevó a cabo una lixiviación por lotes utilizando una solución de cloruro de sodio (NaCl) en la extracción de REE. En primer lugar, los minerales de REE se extrajeron y tamizaron mediante minería a cielo abierto . Luego, se lixiviaron en barriles con una solución de NaCl ~1M y se precipitaron con ácido oxálico (C 2 H 2 O 4 ). [25]
Sin embargo, la escala de extracción estaba muy limitada por la lixiviación por lotes (o lixiviación en baño a fines de la década de 1970, utilizando piscinas de concreto en lugar de barriles) mientras que la alta concentración de lixiviante solo podía producir un producto de bajo rendimiento con mala calidad del producto (<70% de REE en concentración). [25] Estos inconvenientes superaron los beneficios originales de este tipo de depósitos (es decir, tiempo de procesamiento corto y costos extremadamente bajos). [25]
En la década de 1980, se desarrolló la lixiviación por lotes y en pilas utilizando una solución de sulfato de amonio de ~0,3 M ((NH 4 ) 2 SO 4 ). El suelo que contenía tierras raras se extrajo de los yacimientos y se apiló en una capa plana a prueba de fugas con un plato colector en la parte inferior. Luego se inyectó una solución de (NH 4 ) 2 SO 4 sobre el suelo y se dejó que se lixiviara. Después de 100 a 320 horas, se recogió la extracción de tierras raras (con una pureza de hasta el 90%) [25] para su procesamiento final. [35]
Debido a la mayor capacidad de desorción del NH4 + en comparación con el Na + , [13] la tecnología tuvo una mejor calidad del producto final y una reducción en el consumo de lixiviantes. Por lo tanto, se ha utilizado como modelo principal del proceso de lixiviación de tierras raras en los siguientes 30 años. [25]
En las últimas tres décadas, el uso intensivo de la lixiviación por lotes y en pilas ha tenido efectos devastadores e irreversibles sobre el medio ambiente y el ecosistema del sur de China. La eliminación no regulada de los desechos también ha traído problemas de salud a los residentes cercanos a las minas. [35] Por ello, en 2011 se implementó una tecnología obligatoria de lixiviación in situ para minimizar los efectos adversos antes mencionados. [36]
La tecnología de lixiviación in situ requiere un estudio geológico exhaustivo de la estructura hidrogeológica local , el patrón de las juntas de roca y las características del mineral para diseñar un área de captación para el proceso de lixiviación. Luego, se perforan pozos de lixiviación verticales (de 0,8 m de diámetro y con una separación de 2 a 3 m) [13] para alcanzar la parte superior de la capa enriquecida con ETR (B) (de 1,5 a 3 m de profundidad) para permitir la inyección de lixiviante presurizado (es decir, ~0,3 M (NH 4 ) 2 SO 4 ). Finalmente, la solución de lixiviación cargada con ETR se recolecta en estanques de recuperación en el fondo del yacimiento para su procesamiento final. [13]
Recientemente, los investigadores han estado desarrollando varias técnicas para aumentar el rendimiento de la lixiviación de ETR. [37] La biolixiviación , una técnica en la que las ETR se solubilizan mediante actividades microbianas o subproductos del metabolismo microbiano , se estudia activamente como una alternativa más ecológica al método actual, que ha sido una grave contaminación para el medio ambiente. [38] En términos de efectividad de extracción, algunos estudios han informado que la recuperación de ETR por biolixiviación podría variar de menos del 1% a casi el 90%. [38] Por lo tanto, se requiere una mayor comprensión del mecanismo de biolixiviación antes de practicarlo comercialmente. [37]
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Los elementos de tierras raras, productos de depósitos de tierras raras alojados en regolito, son los componentes básicos fundamentales de muchos productos de alta tecnología de la vida cotidiana. [5] A continuación se ofrecen algunos ejemplos y sus aplicaciones.
El neodimio se utiliza en la producción de imanes potentes para altavoces y equipos informáticos, con un tamaño menor y un mejor rendimiento. Además, junto con su excelente durabilidad, el neodimio se aplica ampliamente en turbinas eólicas y vehículos híbridos. [39]
El praseodimio metálico tiene una resistencia y un punto de fusión muy elevados, por lo que es un componente importante en los motores a reacción. El praseodimio se utiliza en un tipo especial de vidrio para la fabricación de viseras para proteger a los soldadores y vidrieros. [40]
El escandio se utiliza en la construcción de armazones de aeronaves o naves espaciales para aumentar su resistencia. También se utiliza en farolas de alta intensidad. [39]
El cerio se utiliza en los convertidores catalíticos de los vehículos debido a su alta estabilidad química a altas temperaturas. Más importante aún, es responsable de las reacciones químicas en el convertidor. [39]
Los compuestos de gadolinio son el componente activo de varios agentes de contraste de resonancia magnética .
Para conocer más aplicaciones de otros elementos de tierras raras, consulte " Lista de elementos de tierras raras ".
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