Mijnbouwmethoden voor zeldzame mineralen
Zeldzame mineralen – vaak kritieke mineralen genoemd – spelen een essentiële rol in de moderne technologie. Metalen en mineralen zoals lithium, kobalt, nikkel, zeldzame aardmetalen (REE's), tantaal, niobium, gallium en germanium zijn belangrijke materialen voor accu's van elektrische voertuigen, windturbines, zonnepanelen, elektronische apparaten en de defensie-industrie. De stijgende wereldwijde vraag maakt de winning van zeldzame mineralen zowel strategisch als uitdagend, aangezien veel afzettingen verspreid liggen, een lage concentratie bevatten of zich in gevoelige omgevingen bevinden. Dit artikel bespreekt gangbare mijnbouwmethoden voor zeldzame mineralen, inclusief technische, economische en milieukundige overwegingen.
1. Kenmerken van afzettingen van zeldzame mineralen
Niet alle zeldzame aardmetalen worden gevonden in gemakkelijk te winnen "rijke ertsen". Veel afzettingen van zeldzame aardmetalen, lithium of kobalt zijn van lage kwaliteit, waardoor grote hoeveelheden materiaal moeten worden gewonnen en complexe verwerkingsprocessen nodig zijn . Bovendien zijn zeldzame aardmetalen vaak geassocieerd met onzuiverheden of andere mineralen met een lage waarde, wat de scheidingskosten verhoogt. Zo zijn zeldzame aardmetalen vaak geassocieerd met monaziet of bastnasiet, die aanzienlijke hoeveelheden radioactieve elementen zoals thorium en uranium kunnen bevatten. Dit verhoogt de noodzaak voor een strikt afvalbeheer .
Deze kenmerken bepalen de keuze van de mijnbouwmethode: of dagbouw, ondergrondse mijnbouw, in-situ uitloging, alluviale mijnbouw of zelfs winning uit oude mijnresten en afvalgesteente geschikter is.
2. Dagbouw
Dagbouw is de meest gebruikelijke methode voor grootschalige, dicht bij het oppervlak gelegen afzettingen. Deze methode wordt veel gebruikt voor nikkellateriet, sommige kobaltafzettingen en bepaalde relatief ondiepe zeldzame-aardeertsen.
Voordelen van dagbouw:
– Hoge productiviteit en relatief lage kosten per ton.
– De processen zijn gemakkelijker te bewaken en te controleren.
– Geschikt voor grote, laagwaardige afzettingen die een enorme productieomvang vereisen.
Uitdaging:
– De milieueffecten zijn duidelijker zichtbaar: veranderingen in het landschap, ontbossing, stof, geluidsoverlast en de mogelijkheid van zure mijnwaterafvoer als de gesteenten sulfiden bevatten.
– Grote oppervlakte nodig voor afvalstortplaats en opslagfaciliteit voor residuen.
– Vereist vanaf het begin een robuust herstelsysteem en een plan voor de sluiting van de mijn.
In de praktijk wordt de winning van zeldzame aardmetalen in dagbouw vaak gecombineerd met verwerkingsprocessen (breken, malen, zwaartekracht-/magnetische scheiding/flotatie) voordat de chemische raffinage begint.
3. Ondergrondse mijnbouw
Als de afzetting dieper ligt of als het oppervlak beschermd moet worden (bijvoorbeeld in de buurt van nederzettingen of natuurgebieden), is ondergrondse mijnbouw een optie. Deze methode wordt vaak gebruikt voor aderafzettingen of relatief hoogwaardige maar smalle afzettingen, waaronder sommige bronnen van tantaal, niobium en kobalt in hard gesteente.
Belangrijkste technieken:
– Uitgraven en opvullen: geschikt voor steile, hoogwaardige en onregelmatig gevormde afzettingen.
– Kamer- en pilaarmethode: voor vlakkere afzettingen en stevige, dragende gesteenten.
– Sublevel stoping of block caving: voor grote afzettingen, afhankelijk van de sterkte van het gesteente.
Kelebihan:
– De oppervlakte die het bedrijf beslaat is kleiner dan bij dagbouw.
– Kan hoogwaardige afzettingen selectiever ontginnen.
Tekort:
– Hogere kosten, complexere processen, vereisen strengere ventilatie- en veiligheidsvoorschriften.
- Geotechnische risico's zoals rotslawines en gasexplosies (onder bepaalde omstandigheden).
De productiviteit per tijdseenheid is doorgaans lager.
4. In-situ uitloging (ISL) en hoopuitloging
Sommige zeldzame mineralen kunnen worden gewonnen zonder op conventionele wijze het gehele erts te delven. Bij in-situ-uitloging wordt een uitlogingsoplossing in de ertslaag onder de grond geïnjecteerd, waarna de metaalrijke oplossing naar de oppervlakte wordt gepompt voor verwerking. Deze methode is bekend voor uranium, maar het concept wordt ook toegepast of onderzocht voor diverse andere soorten afzettingen.
Bij hooplooging wordt gemalen erts op een ondoordringbare laag gestapeld en vervolgens wordt er een chemische oplossing overheen gegoten om bepaalde metalen op te lossen. Lithium kan, afhankelijk van de mineralogie, uit bepaalde ertsen en metalen worden gewonnen met een vergelijkbare methode.
Voordelen:
– Vermindert de noodzaak voor grootschalige graafwerkzaamheden en gebruik zwaar materieel.
– Mogelijk lagere kosten voor bepaalde stortingen.
Risico:
– Hydrogeologische controle is cruciaal; er bestaat een risico op lekkage van oplossingen in het grondwater.
De effectiviteit is sterk afhankelijk van de doorlaatbaarheid van het gesteente en de reactiviteit van de mineralen.
– Milieumonitoring en afsluiting moeten strikt worden uitgevoerd om de verspreiding van verontreinigende stoffen te voorkomen.
5. Lithiumwinning uit pekel (Salute en Salt Lake)
Voor lithium is een bijzonder belangrijke methode de winning uit pekel in afgesloten bassins, zoals de zoutmeren van Zuid-Amerika. De pekel wordt doorgaans in verdampingsvijvers gepompt, waar het water door zonnewarmte verdampt. Hierdoor neemt de lithiumconcentratie toe en slaat het uiteindelijk neer als een specifieke verbinding, die vervolgens wordt geraffineerd tot lithiumcarbonaat of lithiumhydroxide.
Kelebihan:
De operationele kosten kunnen laag zijn als de klimatologische omstandigheden gunstig zijn (warm en droog).
– Vereist geen uitgraving van grote rotsblokken zoals bij dagbouw.
Belangrijkste uitdagingen:
– Watergebruik en de gevolgen voor de lokale waterbalans, inclusief ecosystemen en de behoeften van de gemeenschap.
– Lange verwerkingstijd (maanden tot jaren) omdat deze afhankelijk is van verdamping.
– Variaties in de chemische samenstelling van de pekel kunnen de zuivering bemoeilijken (bijv. een hoge Mg/Li-verhouding).
De technologie voor directe lithiumextractie (DLE) is momenteel in ontwikkeling. Deze technologie houdt in dat lithium rechtstreeks wordt gewonnen met behulp van specifieke adsorptiemiddelen, membranen of oplosmiddelen. DLE heeft de potentie om de productie te versnellen en de afhankelijkheid van verdampingsvijvers te verminderen, maar vereist hogere investeringen en een complexere technologie.
6. Alluviale en placer-mijnbouw
Mineralen zoals monaziet (een drager van zeldzame aardmetalen), zirkoon of cassiteriet worden soms aangetroffen in alluviale/strandzandafzettingen (placer-afzettingen). Mijnbouwmethoden omvatten baggeren, ondiepe uitgraving en zwaartekrachtscheiding.
Kelebihan:
– Het erts is relatief vrij van harde gesteenten, waardoor het breken minimaal is.
– Efficiënte scheiding door zwaartekracht dankzij verschillen in mineraaldichtheid.
Tekort:
– Zeer gevoelig voor de invloed van sediment, troebel water en veranderingen in de kustlijn of rivierstroming.
– Mogelijke problemen met radioactiviteit in monaziet vereisen speciale maatregelen.
7. Winning uit mijnresten, mijnafval en stedelijke mijnbouw
Omdat zeldzame aardmetalen waardevol en schaars zijn, winnen onconventionele methoden aan populariteit: het winnen van metalen uit oude mijnresten, smeltovenslakken of elektronisch afval (e-waste). Technisch gezien is dit geen klassieke "mijnbouw", maar valt het vaak onder de categorie secundaire mijnbouw.
Manfaat:
– Vermindert de noodzaak om nieuwe mijnen te openen.
– Het herstellen van voormalig mijnbouwgebied door het volume van de afvalhopen te verminderen.
– Het ondersteunen van een circulaire economie.
Uitdaging:
– Materialen variëren sterk en kunnen vermengd zijn met verontreinigingen.
– Vereist geavanceerde scheidingstechnologie (hydrometallurgie, pyrometallurgie of bioleaching).
De milieuvergunningen en -normen blijven streng.
8. Bioleaching en moderne hydrometallurgie
Voor veel zeldzame mineralen ligt de sleutel niet alleen in de mijnbouwmethode, maar ook in de chemische extractiemethode. Bioleaching maakt gebruik van bacteriën om metalen uit sulfidehoudende mineralen op te lossen, terwijl hydrometallurgie gebruikmaakt van zure/basische oplosmiddelen, oplosmiddelextractie, ionenuitwisseling en selectieve precipitatie.
Bijvoorbeeld, in het geval van zeldzame aardmetalen (REE's), vereist het scheidingsproces van de elementen, zodra het concentraat is geproduceerd, een lange reeks extracties met oplosmiddelen. Daarom wordt de waardeketen van zeldzame aardmetalen vaak meer bepaald door de raffinagecapaciteit dan door de ertswinning zelf.
9. Veiligheids- en milieuaspecten
Bij de winning van zeldzame mineralen moet rekening worden gehouden met:
– Beheer van mijnafval: het voorkomen van damdoorbraken bij mijnafval en het beheersen van zure mijnwaterafvoer.
– Stof- en chemische beheersing: met name tijdens het breken, malen en uitlogen.
– Beheer van onzuiverheden: inclusief de mogelijke radioactiviteit in sommige afzettingen van zeldzame aardmetalen.
– Herstel en afsluiting: hellingstabilisatie, herbeplanting en langetermijnmonitoring van de waterkwaliteit.
– Maatschappelijke betrokkenheid: overleg met de gemeenschap, transparantie en eerlijke verdeling van de economische voordelen.
conclusie
De methoden voor het winnen van zeldzame aardmetalen variëren sterk en worden beïnvloed door het type afzetting, de diepte, de ertsgehalte, de geologische omstandigheden en milieu- en sociale beperkingen. Dagbouw is uitermate geschikt voor grootschalige winning en ondiepe afzettingen, terwijl ondergrondse mijnbouw selectiviteit en een kleinere ecologische voetafdruk biedt. In-situ-loogwinning (ISL), hooploogwinning en pekelwinning bieden alternatieve oplossingen in bepaalde omstandigheden. In de toekomst zal een combinatie van innovaties – zoals directe loogwinning (DLE) voor lithium, terugwinning van residuen en stedelijke mijnbouw – steeds belangrijker worden om aan de wereldwijde vraag te voldoen met een beheersbaarder effect. Met zorgvuldige planning, de juiste technologie en strenge milieuregelgeving kan de winning van zeldzame aardmetalen duurzamer worden en de energietransitie en technologische vooruitgang ondersteunen.
