Bastnasite

La bastnäsite est un groupe de fluorocarbonates de terres rares minéraux qui comprend la bastnäsite-(Ce), la bastnäsite-(La) et la bastnäsite-(Y), chaque type étant nommé d'après l'élément de terre rare dominant qu'il contient (respectivement le cérium, le lanthane et l'yttrium). Ces minéraux sont généralement de couleur brune, brun rougeâtre ou jaunâtre et ont un éclat vitreux à résineux. On les trouve principalement dans les sols riches en carbonates gisements hydrothermaux, souvent associé à d’autres minéraux de terres rares comme la monazite et le xénotime.

Histoire et découverte
La bastnäsite a été découverte pour la première fois en 1838 à Bastnäs, en Suède, d'où son nom. Elle a été identifiée dans les résidus des mines de Bastnäs, qui étaient principalement exploitées pour capuchons de cuivre et cobaltLes propriétés uniques de la bastnäsite, comme sa teneur élevée en cérium et autres éléments de terres rares, ont suscité un intérêt accru pour ce minéral. Depuis sa découverte, la bastnäsite Cautions ont été découverts dans d’autres endroits du monde, notamment en Chine, aux États-Unis et à Madagascar.

Importance dans le contexte des éléments des terres rares
La bastnäsite est une source cruciale de éléments de terres rares (ÉTR), en particulier les terres rares légères (LREE) comme le cérium, le lanthane et le néodyme. Ces éléments sont essentiels pour diverses applications de haute technologie, notamment la production d'aimants permanents, de convertisseurs catalytiques et de phosphores pour l'éclairage et les écrans. Les gisements de bastnäsite sont importants car ils contiennent souvent de fortes concentrations de terres rares, ce qui les rend économiquement viables pour l'extraction et le traitement. Le minéral est devenu de plus en plus important en raison de la demande croissante de terres rares dans les technologies des énergies renouvelables, l'électronique et d'autres industries de pointe. En conséquence, la bastnäsite joue un rôle clé dans les chaînes d'approvisionnement mondiales de matériaux critiques.

Composition chimique et structure de la bastnasite

Composition chimique
La bastnäsite est un minéral fluorocarboné dont la formule chimique générale est (REE)CO3F\text{(REE)}\text{CO}_3\text{F}(REE)CO3​F, où « REE » représente les éléments des terres rares, principalement le cérium (Ce), le lanthane (La) et l'yttrium (Y). La composition spécifique peut varier en fonction de l'élément des terres rares dominant, ce qui donne lieu à différentes variétés du minéral :

• Bastnäsite (Ce) : CeCO3F\texte{CeCO}_3\texte{F}CeCO3​F
• Bastnäsite (La) : LaCO3F\texte{LaCO}_3\texte{F}LaCO3​F
• Bastnasite-(Y) : YCO3F\texte{YCO}_3\texte{F}YCO3​F

En plus de ces éléments primaires, la bastnaésite peut également contenir des traces d'autres éléments des terres rares tels que le néodyme (Nd), le praséodyme (Pr) et le samarium (Sm). La présence de fluor (F) dans sa structure la distingue des autres minéraux des terres rares comme la monazite et le xénotime, qui sont des phosphates.

Structure en cristal
La bastnäsite cristallise dans le système cristallin hexagonal, plus précisément dans le groupe d'espace P63/mmcP6_3/mmcP63​/mmc. Sa structure est constituée de couches de cations de terres rares (tels que Ce, La ou Y) coordonnées à des atomes d'oxygène des groupes carbonate (CO32−\text{CO}_3^{2-}CO32−​), les plans carbonates alternant avec des couches contenant des atomes de fluor. Les groupes carbonates sont des plans trigonaux et chaque cation REE est entouré de neuf atomes d'oxygène formant une géométrie de coordination prismatique trigonale à trois calottes.

Cette structure stratifiée permet une grande flexibilité dans la composition du minéral, en permettant l'intégration de divers éléments de terres rares dans le réseau cristallin. La présence de fluor stabilise davantage la structure, influençant les propriétés physiques du minéral, telles que sa relative douceur (dureté Mohs de 4 à 4.5) et ses propriétés de clivage.

Implications structurelles
La structure unique de la bastnäsite contribue à son importance en tant que source d'éléments des terres rares. La présence de cations de grande taille comme le cérium et le lanthane dans le réseau permet une extraction relativement facile de ces éléments lors de l'extraction et du traitement. De plus, la stabilité du minéral dans les environnements hydrothermaux en fait un excellent indicateur des processus géologiques associés aux concentrations d'éléments des terres rares, contribuant ainsi à la compréhension de la formation des minerais de terres rares.

Occurrence géologique de la bastnäsite

Types de dépôts
La bastnäsite se trouve principalement dans deux types de gisements : primaire et secondaire.

1. Dépôts primaires :
   Les gisements primaires de bastnäsite sont associés à des complexes carbonatites et ignés alcalins. Ces gisements se forment lorsque des éléments de terres rares sont concentrés par des processus magmatiques, en particulier dans des magmas riches en carbonates. Lorsque ces magmas refroidissent et cristallisent, la bastnäsite se forme en tant que minéral primaire, souvent avec d'autres minéraux de terres rares comme la monazite et le xénotime. Les complexes carbonatites, qui sont des formations rocheuses ignées rares composées principalement de minéraux carbonatés, sont les sources primaires les plus importantes de bastnäsite. Parmi ces gisements, on peut citer le gisement de Bayan Obo en Chine et le gisement de Montagne Passer le dépôt aux États-Unis.
2. Dépôts secondaires :
   Les gisements secondaires de bastnäsite se forment à travers érosion et altération des gisements primaires. Lorsque la carbonatite primaire ou alcaline roches subissant une altération chimique, la bastnäsite peut être concentrée dans des sols résiduels ou des placers alluviaux. Ces gisements secondaires se trouvent généralement dans des régions où les gisements primaires ont été exposés à une altération prolongée. Dans de tels cas, la bastnäsite peut être trouvée avec d'autres minéraux altérés dans des sols latéritiques ou dans des lits de cours d'eau où s'accumulent des minéraux lourds.

Principaux sites mondiaux
La bastnäsite est présente dans plusieurs endroits clés du monde, où elle est souvent exploitée comme source principale d'éléments de terres rares. Les principaux gisements mondiaux comprennent :

• Chine:
  La Chine est le plus grand producteur mondial de bastnasite et d'autres éléments de terres rares. Le gisement le plus important se trouve à Après Obo en Mongolie intérieure, qui est le plus grand gisement de bastnäsite connu au monde. Ce gisement est hébergé dans un complexe géant de carbonatite et constitue une source majeure d'éléments de terres rares légers tels que le cérium, le lanthane et le néodyme. Les autres gisements chinois notables comprennent les gisements de Weishan et de Mianning.
• États Unis:
  Les Col de montagne Le gisement de bastnäsite de Mountain Pass, en Californie, est l'un des gisements de bastnäsite les plus importants en dehors de la Chine. Découvert dans les années 1940, Mountain Pass a été l'une des principales sources mondiales d'éléments de terres rares des années 1960 au début des années 2000. Le gisement est associé à une intrusion de carbonatite et contient de fortes concentrations d'éléments de terres rares légers. Après une période de fermeture, l'exploitation minière a repris à Mountain Pass en 2012 pour répondre à la demande croissante d'éléments de terres rares.
• Canada:
  Le Canada abrite plusieurs gisements contenant de la bastnäsite, notamment dans les complexes de carbonatite. Parmi les exemples notables, on peut citer Néchalacho gisement dans les Territoires du Nord-Ouest et Lac étrange Gisement de terres rares au Québec. Ces gisements constituent d'importantes sources d'éléments de terres rares légers et lourds et sont actuellement explorés en vue d'une mise en valeur potentielle afin de diversifier l'approvisionnement mondial en terres rares.
• Madagascar:
  Les Ambatofinandrahana Le gisement de Madagascar contient des concentrations importantes de bastnäsite associée à de la carbonatite et des alcalins. roches ignéesCe gisement, bien que moins important que ceux de la Chine ou des États-Unis, contribue à l’approvisionnement mondial en terres rares.
• Groenland:
  Le Groenland abrite la Kvanefjeld et Tanbreez Les gisements du Groenland contiennent de la bastnäsite et d'autres minéraux contenant des terres rares. Ces gisements font partie du complexe alcalin d'Ilímaussaq et sont riches en terres rares légères et lourdes. Les gisements du Groenland attirent l'attention internationale en raison de leur potentiel en tant que nouvelles sources de terres rares.
• Australie:
  En Australie, la bastnäsite se trouve à plusieurs endroits, notamment Monture à souder Gisement en Australie occidentale. Mount Weld est l'un des gisements de terres rares les plus riches au monde et est activement exploité. Le gisement est hébergé dans une carbonatite profondément altérée et se distingue par ses fortes concentrations d'éléments de terres rares légers et lourds.

Ces sites mettent en évidence la diversité géologique des occurrences de bastnäsite, allant des gisements primaires dans les complexes de carbonatite aux concentrations secondaires dans les sols altérés et les dépôts alluviaux. La répartition mondiale de la bastnäsite est essentielle à l'approvisionnement en éléments de terres rares, en particulier dans un monde de plus en plus dépendant de ces matériaux pour les applications de haute technologie et les technologies d'énergie renouvelable.

Applications et utilisations de la Bastnäsite

Source d'éléments de terres rares pour diverses industries
La bastnäsite est l'une des principales sources d'éléments de terres rares légers (LREE) tels que le cérium, le lanthane et le néodyme, qui sont essentiels pour diverses applications industrielles et de haute technologie. Ces éléments de terres rares extraits de la bastnäsite sont utilisés dans plusieurs industries clés :

• Electronique:
  Les terres rares de la bastnaésite, comme le néodyme et le praséodyme, sont essentielles à la production d'aimants hautes performances utilisés dans les appareils électroniques comme les smartphones, les écouteurs et les disques durs d'ordinateur. Le cérium et le lanthane sont également utilisés dans la fabrication de verres spéciaux pour les lentilles optiques et les capteurs d'appareils photo, ainsi que dans les poudres de polissage pour affiner les surfaces en verre.
• Aimants:
  L’une des utilisations les plus importantes des éléments des terres rares de la bastnäsite est la production de aimants néodyme-fer-bore (NdFeB)Ces aimants sont les plus puissants types d'aimants permanents disponibles et sont largement utilisés dans diverses applications, notamment les moteurs de véhicules électriques, les générateurs d'éoliennes et les disques durs. Le néodyme extrait de la bastnäsite est un composant essentiel de ces puissants aimants en raison de sa force magnétique élevée et de sa résistance à la démagnétisation.
• Verre et Céramique :
  L'oxyde de cérium, obtenu à partir de la bastnäsite, est utilisé dans le polissage et la décoloration du verre. Il sert d'agent de polissage pour les optiques de précision et les surfaces en verre. De plus, le cérium et le lanthane sont utilisés pour améliorer la propriétés optiques du verre, le rendant plus résistant aux rayons ultraviolets et améliorant sa transparence. Dans le domaine de la céramique, ces éléments contribuent à la production de produits spécialisés en verre et en céramique, à haute résistance aux chocs thermiques et à la corrosion chimique.

Rôle dans les technologies d'énergie renouvelable
La bastnäsite joue un rôle essentiel dans l'avancement des technologies d'énergie renouvelable grâce à ses éléments de terres rares :

• Éoliennes:
  Les terres rares comme le néodyme et le dysprosium, qui peuvent être extraits de la bastnasite, sont indispensables à la production d'aimants permanents utilisés dans les générateurs d'éoliennes. Ces aimants sont essentiels à l'efficacité et à la fiabilité des éoliennes à entraînement direct, qui ne nécessitent pas de réducteur et offrent ainsi une maintenance réduite et une efficacité supérieure. Les terres rares sont donc indispensables à la croissance de l'énergie éolienne en tant que source d'énergie durable.
• Véhicules électriques (VE) :
  Le néodyme issu de la bastnäsite est utilisé dans la production d'aimants puissants et légers indispensables aux moteurs des véhicules électriques (VE). Ces aimants en terres rares offrent un couple élevé et des performances efficaces, qui sont essentiels au fonctionnement des VE. L'adoption croissante des VE dans le cadre des efforts mondiaux visant à réduire les émissions de carbone a accru la demande de bastnäsite comme source d'éléments de terres rares.
• Panneaux solaires:
  Certains éléments de terres rares obtenus à partir de la bastnasite, comme le lanthane et le cérium, sont utilisés dans des revêtements et des phosphores spécifiques pour les panneaux solaires. Ces matériaux peuvent améliorer l'efficacité des cellules photovoltaïques en améliorant l'absorption de la lumière et les taux de conversion, contribuant ainsi à une récupération plus efficace de l'énergie solaire.

Utilisation dans les catalyseurs et les phosphores
Les terres rares dérivées de la bastnäsite sont également utilisées dans la production de catalyseurs et de phosphores :

• Catalyseurs :
  Le cérium, un élément de terre rare extrait de la bastnäsite, est largement utilisé dans les convertisseurs catalytiques automobiles. Ces catalyseurs aident à réduire les émissions nocives des véhicules en convertissant les gaz toxiques, tels que le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures (HC) et les oxydes d'azote (NOx), en substances moins nocives comme le dioxyde de carbone (CO₂) et l'azote (N₂). Les catalyseurs à base de cérium sont également utilisés dans les pétrole industrie du craquage catalytique fluide (FCC), un procédé qui décompose les grosses molécules d'hydrocarbures en composants d'essence et de diesel plus précieux.
• Phosphores :
  Les éléments de terres rares tels que l'europium, le terbium et l'yttrium, souvent présents dans les gisements de bastnäsite, sont des composants clés des phosphores. Ces matériaux sont utilisés dans la production de diodes électroluminescentes (DEL), de lampes fluorescentes et d'écrans d'affichage pour téléviseurs, ordinateurs et smartphones. Les phosphores fabriqués à partir d'éléments de terres rares fournissent un éclairage et des écrans lumineux, durables et économes en énergie.

La bastnäsite est un minéral essentiel pour de nombreuses applications industrielles et de haute technologie. C'est une source principale d'éléments de terres rares essentiels à la production d'électronique de pointe, d'aimants puissants, de produits en verre et en céramique, de technologies d'énergie renouvelable, de catalyseurs automobiles et de phosphores pour l'éclairage et les écrans. Alors que la demande mondiale pour ces applications continue de croître, l'importance de la bastnäsite en tant que ressource stratégique dans la chaîne d'approvisionnement en éléments de terres rares va probablement augmenter, soulignant son rôle essentiel dans les technologies modernes et les solutions énergétiques durables.

Traitement et raffinage de la bastnäsite

Le traitement et le raffinage de la bastnäsite pour en extraire les éléments des terres rares (REE) impliquent plusieurs étapes, notamment l'extraction, la valorisation, l'extraction chimique, la séparation et la purification. En raison de sa complexité minéralogie, le traitement de la bastnäsite nécessite des techniques spécialisées pour récupérer efficacement les précieux éléments des terres rares tout en minimisant l'impact environnemental.

1. Exploitation minière et valorisation

• Mines:
  La bastnäsite est généralement extraite de mines à ciel ouvert ou souterraines, selon la profondeur du gisement et ses caractéristiques géologiques. Une fois extrait, le minerai brut est transporté vers une usine de traitement pour un traitement ultérieur.
• Bénéfice :
  La première étape du traitement du minerai de bastnäsite est l'enrichissement, qui vise à concentrer les minéraux de terres rares et à éliminer les matières indésirables comme les silicates et les carbonates. Cela est réalisé grâce à une combinaison de méthodes physiques telles que concassage, broyage et flottation.
  • Concassage et broyage : Le minerai est broyé en petites particules pour libérer le minéral de bastnäsite de la roche environnante. Cette opération est suivie d'un broyage qui réduit encore la taille des particules pour améliorer l'efficacité des processus de séparation ultérieurs.
  • Flottation: Le minerai broyé est soumis à une flottation par mousse, où des produits chimiques (collecteurs, agents moussants et modificateurs) sont ajoutés pour fixer sélectivement les particules de bastnäsite aux bulles d'air. Les bulles remontent à la surface, formant une mousse qui peut être écumée, concentrant la bastnäsite tout en éliminant les déchets. Il en résulte un concentré riche en bastnäsite qui contient généralement 60 à 70 % d'oxydes de terres rares (ORE).

2. Extraction et décomposition chimiques

• Torréfaction et lixiviation acide :
  Le concentré de bastnäsite est souvent grillé à haute température (600-800°C) pour éliminer les carbonates, les fluorures et tous les minéraux de gangue restants. Ce processus convertit également le cérium, un composant majeur de la bastnäsite, de son état trivalent (Ce^3+) à son état tétravalent (Ce^4+), ce qui facilite son élimination dans les étapes ultérieures. Après la torréfaction, le matériau est soumis à lixiviation acide (généralement avec de l'acide chlorhydrique ou de l'acide sulfurique) pour dissoudre les éléments des terres rares en solution tout en laissant les impuretés insolubles derrière.
• Précipitation et extraction par solvant :
  Le lixiviat, qui contient un mélange de chlorures de terres rares, subit plusieurs étapes de précipitation pour éliminer les éléments indésirables comme fonte, aluminiumet du calcium. La solution purifiée est ensuite traitée à l'aide extraction par solvant, un processus dans lequel les solvants organiques se lient de manière sélective à des éléments de terres rares spécifiques, en les séparant en fonction de leurs différentes affinités chimiques. Ce processus est répété plusieurs fois pour atteindre un niveau élevé de séparation et de pureté pour chaque élément de terres rares.

3. Séparation et purification

• Échange d'ion:
  Après l'extraction par solvant, la solution restante peut être raffinée à l'aide de techniques d'échange d'ions. Les résines échangeuses d'ions adsorbent de manière sélective des ions de terres rares spécifiques de la solution, ce qui permet une séparation plus poussée d'éléments étroitement liés tels que le néodyme et le praséodyme. Cette méthode est particulièrement utile pour atteindre des niveaux de pureté élevés nécessaires à des applications spécialisées, telles que l'électronique et l'optique.
• Calcination et réduction :
  Les composés de terres rares séparés sont ensuite précipités, filtrés et séchés pour produire des oxydes de terres rares. Ces oxydes peuvent être encore raffinés par calcination, un procédé qui consiste à les chauffer à haute température pour éliminer toute humidité résiduelle, matière organique ou autres impuretés. Pour produire des terres rares métalliques, les oxydes sont soumis à un processus de réduction, comme l'électrolyse ou la réduction métallothermique, utilisant généralement du calcium ou de l'aluminium.

4. Considérations environnementales
Le traitement de la bastnasite pour extraire des terres rares implique la manipulation de produits chimiques dangereux et la production d'une quantité importante de déchets, notamment des eaux usées acides, des résidus radioactifs (en cas de présence de thorium) et des déchets solides. Pour atténuer ces impacts :

• La gestion des déchets: Les résidus de flottation, les résidus de lixiviation et les effluents des processus d’extraction par solvant doivent être soigneusement gérés pour éviter la contamination de l’environnement.
• Recyclage et valorisation : Le développement de systèmes en boucle fermée pour recycler les réactifs et récupérer les terres rares des flux de déchets devient de plus en plus important pour réduire la consommation de ressources et la production de déchets.
• Manipulation des éléments radioactifs : Dans certains gisements de bastnäsite, le thorium ou uranium peut être présent en petites quantités, nécessitant des mesures spéciales pour l’élimination et le confinement en toute sécurité des matières radioactives.

Conclusion

Le traitement et le raffinage de la bastnäsite pour en extraire des éléments de terres rares est un processus complexe en plusieurs étapes qui implique une valorisation physique, une extraction chimique et des techniques de séparation sophistiquées. Bien que le processus soit gourmand en énergie et en ressources, les progrès des technologies d'extraction et de raffinage continuent d'améliorer l'efficacité, la rentabilité et l'empreinte environnementale du traitement de la bastnäsite, ce qui est essentiel pour maintenir un approvisionnement durable en éléments de terres rares essentiels aux industries modernes et aux technologies des énergies renouvelables.