Haruldaste mineraalide kaevandamismeetodid
Haruldased mineraalid – mida sageli nimetatakse kriitilisteks mineraalideks – mängivad tänapäeva tehnoloogias olulist rolli. Metallid ja mineraalid, nagu liitium, koobalt, nikkel, haruldased muldmetallid (REE-d), tantaal, nioobium, gallium ja germaanium, on elektriautode akude, tuuleturbiinide, päikesepaneelide, elektroonikaseadmete ja kaitsetööstuse võtmematerjalid. Kasvav ülemaailmne nõudlus muudab haruldaste mineraalide kaevandamise nii strateegiliseks kui ka keeruliseks, kuna paljud leiukohad on hajutatud, madala kvaliteediga või asuvad tundlikes keskkondades. See artikkel käsitleb haruldaste mineraalide levinumaid kaevandamismeetodeid , sealhulgas tehnilisi, majanduslikke ja keskkonnaalaseid kaalutlusi.
1. Haruldaste maavarade leiukohtade omadused
Kõiki haruldaste muldmetallide mineraale ei leidu kergesti kaevandatavates "rikastes maakides". Paljud haruldaste muldmetallide, liitiumi või koobalti leiukohad on madala kvaliteediga, mis nõuab suuri kaevemahtusid ja keerukaid töötlemisprotsesse . Lisaks on haruldaste muldmetallide mineraalid sageli seotud lisandite või muude madala väärtusega mineraalidega, mis suurendab eraldamiskulusid. Näiteks on haruldaste muldmetallide mineraalid sageli seotud monasiidi või bastnasiidiga, mis võivad sisaldada märkimisväärsel hulgal radioaktiivseid elemente, nagu toorium ja uraan. See suurendab vajadust range jäätmekäitluse järele .
Need omadused määravad kaevandamismeetodi valiku: kas sobivam on lahtine kaevandamine, maa-alune kaevandamine, kohapealne leostumine, alluviaalne kaevandamine või isegi vanadest kaevandusjäätmetest ja -jäätmetest kaevandamine.
2. Avatud kaevandamine
Avatud kaevandamine on kõige levinum meetod suuremahuliste maapinnalähedaste maardlate puhul. Seda meetodit kasutatakse laialdaselt nikkellateriidi, mõnede koobaltimaardlate ja teatud suhteliselt madalate haruldaste muldmetallide maakide puhul.
Avatud kaevandamise eelised:
– Kõrge tootlikkus ja suhteliselt madal tonnihind.
– Toiminguid on lihtsam jälgida ja kontrollida.
– Sobib suurte ja madala kvaliteediga maardlate jaoks, mis nõuavad massilist tootmismahtu.
Tantangan:
– Keskkonnamõjud on nähtavamad: muutused maastikul, metsade hävitamine, tolm, müra ja happelise kaevanduse äravoolu võimalus, kui kivimid sisaldavad sulfiide.
– Jäätmeprügila ja jäätmete ladustamisrajatise jaoks on vaja suurt ala.
– Nõuab algusest peale tugevat taasväärtustamissüsteemi ja kaevanduse sulgemiskava.
Praktikas kombineeritakse haruldaste muldmetallide lahtist kaevandamist sageli rikastamisprotsessidega (purustamine, jahvatamine, gravitatsiooniline/magnetiline eraldamine/flotatsioon) enne keemilise rafineerimise etappi sisenemist.
3. Maa-alune kaevandamine
Kui leiukoht on sügavam või pinda on vaja kaitsta (näiteks asulate või kaitsealade lähedal), on võimalik kaevandada maa-aluselt. See meetod on levinud veenimaardlate või suhteliselt kõrge kvaliteediga, kuid kitsaste maardlate puhul, sealhulgas mõnede tantaali, nioobiumi ja koobalti allikate puhul kõvas kivimis.
Peamised tehnikad:
– Lõika ja täida: sobib järskude, kõrge kvaliteediga ja ebakorrapärase kujuga leiukohtade jaoks.
– Ruum ja sammas: lamedamate sette ja tugevate tugikivimite jaoks.
– Aluskihi paisumine või plokkide varisemine: suurte maardlate puhul, olenevalt kivimi kompetentsusest.
Eelised:
– Maapealne jalajälg on väiksem kui lahtise kaevandamise puhul.
– Kas kõrge kvaliteediga maardlaid saab valikulisemalt kaevandada.
Puudus:
– Kõrgemad kulud, keerukamad toimingud nõuavad rangemat ventilatsiooni ja ohutust.
- Geotehnilised riskid näiteks kivide varingud ja gaasiplahvatused (teatud tingimustel).
– Tootlikkus ajaühiku kohta on tavaliselt madalam.
4. Kohapealne leostumine (ISL) ja kuhjaleostumine
Mõningaid haruldasi mineraale saab kaevandada ilma kogu maagi tavapärase kaevandamiseta. Kohapealne leostus hõlmab leostuslahuse süstimist maagikihti maa alla ja seejärel metallirikka lahuse pumpamist pinnale töötlemiseks. See meetod on uraani puhul hästi tuntud, kuid kontseptsiooni rakendatakse või uuritakse ka mitmete teiste maardlatüüpide puhul.
Samal ajal hõlmab kuhjamise teel leostamine purustatud maagi kuhjamist mitteläbilaskvale alusele ja seejärel keemilise lahuse valamist teatud metallide lahustamiseks. Liitiumi saab teatud maakidest ja metallidest eraldada sarnase lähenemisviisi abil, olenevalt nende mineraloogiast.
Eelised:
– Vähendab vajadust ulatusliku kaevamise ja kasutamise järele rasketehnika.
– Teatud hoiuste puhul võivad kulud olla madalamad.
Risk:
– Hüdrogeoloogiline kontroll on ülioluline; on oht, et lahus lekib põhjavette.
– Efektiivsus sõltub suuresti kivimite läbilaskvusest ja mineraalide reaktsioonivõimest.
– Keskkonnaseire ja sulgemine peavad olema ranged, et vältida saasteainete leket.
5. Liitiumi kaevandamine soolveest (Salute ja Salt Lake)
Liitiumi puhul on eriti oluline meetod soolveest eraldamine suletud basseinides, näiteks Lõuna-Ameerika salarites. Tavaliselt pumbatakse soolvesi aurustustiikidesse, kus vesi aurustub päikesesoojuse abil, suurendades liitiumi kontsentratsiooni ja sadestudes lõpuks spetsiifilise ühendina enne liitiumkarbonaadiks või liitiumhüdroksiidiks rafineerimist.
Eelised:
– Soodsate kliimatingimuste (kuum ja kuiv) korral võivad tegevuskulud olla madalad.
– Ei nõua suurte kivimite kaevamist nagu lahtise kaevandamise puhul.
Peamised väljakutsed:
– Veekasutus ja selle mõju kohalikule veetasakaalule, sealhulgas ökosüsteemidele ja kogukonna vajadustele.
– Pikk töötlemisaeg (kuudest aastateni), kuna see sõltub aurustumisest.
– Soolvee keemilise koostise varieeruvus võib puhastamist keeruliseks muuta (nt kõrge Mg/Li suhe).
Praegu arendatakse liitiumi otsese ekstraheerimise (DLE) tehnoloogiat, mis hõlmab liitiumi otsest ekstraheerimist spetsiifiliste adsorbentide, membraanide või lahustite abil. DLE-l on potentsiaal kiirendada tootmist ja vähendada aurustusbasseinide kasutamist, kuid see nõuab suuremaid investeeringuid ja tehnoloogilist keerukust.
6. Alluviaalne ja platserkaevandamine
Mineraale, nagu monasiit (haruldaste muldmetallide kandja), tsirkoon või kassiteriit, leidub mõnikord alluviaalsetes/ranna liivastes leiukohtades (platsermaardlates). Kaevandamismeetodite hulka kuuluvad süvendamine, madal kaevamine ja gravitatsiooniline eraldamine.
Eelised:
– Maak on kõvadest kivimitest suhteliselt „vaba“, seega on purustamine minimaalne.
– Tõhus gravitatsiooniline eraldamine tänu mineraaltiheduse erinevustele.
Puudus:
– Väga tundlik sette, vee hägususe ja rannajoone või jõevoolu muutuste mõjude suhtes.
– Monasiidi võimalikud radioaktiivsusega seotud probleemid vajavad erilist juhtimist.
7. Kaevandamine rikastusjäätmetest, kaevandusjäätmetest ja linnakaevandamisest
Kuna haruldased muldmetallid on väärtuslikud ja defitsiidis, on ebatraditsioonilised lähenemisviisid populaarsust kogumas: metallide eraldamine vanadest kaevandusjäätmetest, sulatusräbust või elektroonikajäätmetest. Tehnilises mõttes ei ole see klassikaline "kaevandamine", vaid kuulub sageli teisese kaevandamise kategooriasse.
Manfaat:
– Vähendab vajadust uute kaevanduste avamiseks.
– Endise kaevandusmaa taastamine rikastusjäätmete mahu vähendamise teel.
– Ringmajanduse toetamine.
Tantangan:
– Materjalid on väga erinevad ja neid saab segada saasteainetega.
– Nõuab täiustatud eraldustehnoloogiat (hüdrometallurgia, pürometallurgia või bioleostus).
– Keskkonnaload ja -standardid on endiselt ranged.
8. Bioleostus ja kaasaegne hüdrometallurgia
Paljude haruldaste mineraalide puhul peitub võti lisaks kaevandamismeetodile ka keemilise ekstraheerimise meetodis. Bioloogilisel leostamisel kasutatakse sulfiidmineraalidest metallide lahustamiseks baktereid, hüdrometallurgia puhul aga happe-/aluselahusteid, lahustiekstraktsiooni, ioonvahetust ja selektiivset sadestamist.
Näiteks haruldaste muldmetallide (REE) puhul nõuab kontsentraadi tootmine elementide kaupa eraldamise protsessi käigus pikka lahustiekstraktsioonide seeriat. Seetõttu määrab haruldaste muldmetallide väärtusahela sageli rohkem rafineerimisvõimsus kui lihtsalt maagi tootmine.
9. Ohutus- ja keskkonnaaspektid
Haruldaste mineraalide kaevandamisel tuleb pöörata tähelepanu:
– Sademete käitlemine: sademete tammide purunemiste ennetamine ja happelise kaevanduse äravoolu kontrollimine.
– Tolmu ja kemikaalide tõrje: eriti purustamise, jahvatamise ja leostamise ajal.
– Lisandite käitlemine: sh radioaktiivsuse potentsiaal mõnedes haruldaste muldmetallide leiukohtades.
– Taastamine ja sulgemine: nõlva stabiliseerimine, taimestiku taastamine ja pikaajaline veekvaliteedi seire.
– Sotsiaalne kaasatus: kogukonnaga konsulteerimine, läbipaistvus ja majandusliku hüve õiglane jagamine.
Järeldus
Haruldaste muldmetallide kaevandamismeetodid on väga erinevad ning neid mõjutavad maardla tüüp, sügavus, maagi sortiment, geoloogilised tingimused ning keskkonna- ja sotsiaalsed piirangud. Avatud kaevandamine sobib suurepäraselt suurte mastaapide ja madalate maardlate korral, samas kui maa-alune kaevandamine pakub selektiivsust ja väiksemat pinna jalajälge, samas kui ISL, kuhjadest leostumine ja soolvee ekstraheerimine pakuvad teatud tingimustel alternatiivseid lahendusi. Tulevikus on innovatsioonide kombinatsioon – näiteks liitiumi DLE, jäätmete kogumine ja linnakaevandamine – üha olulisem, et rahuldada ülemaailmset nõudlust paremini hallatava mõjuga. Hoolika planeerimise, sobiva tehnoloogia ja rangete keskkonnakontrollide abil saab haruldaste muldmetallide kaevandamine olla jätkusuutlikum ning toetada energiasiirdeid ja tehnoloogia arengut.
