Wat zijn Rare Earth Elements?

Algemene informatie over Rare Earth Elementen en aanverwante metalen.

Waarom Rare metals?

Na het ineen klappen van de ICT-bubble hebben we een paar oplevingen gekregen in markten die zeer veelbelovend leken, mogelijk een nieuwe hype zouden kunnen veroorzaken. Ik herinner me de biotech, nanotech, oilsands en de fuelcells. Oké een opleving was er wel, maar vervolgens zakte het toch weer in. Geen echte hype, maar kortstondig succes. Je moet er in zitten voor dat het op de fora verschijnt.

Zo viel mijn oog op dit bericht: Report: Rare Metal Shortage Could Affect Hybrid Production

En naar aanleiding daarvan ben ik eens wat rond gaan kijken en gaan surfen op termen: Rare Metals, Rare Earth en REE . En ook nu zijn er  ineens allerlei berichtjes te verschijnen in dezelfde trant als toen de biotech, nanotech en fuelcells. Er verschenen diverse nieuwsbrieven in mijn mailbox met aandacht voor deze metals en een rapport van Beursaccent.
De nieuwsbrieven waren o.a. die van

Verder zag ik op Beusduivel/Belegger.nl dat daar op een forum over Rare Metals werd geschreven. Enkele bedrijven worden daar gevolgd in 2 items: Rare Earth Elements en Avalon Rare metals

Maar de grootste kans is dat al vele berichtjes eerder mij gewoon niet zijn opgevallen. Te druk (eenzijdig?) bezig met de edelmetalen.

Waarom nog meer mijn aandacht? Deze metalen worden gemijnd in gebieden waar ook edelmetalen worden gedolven/gevonden en vaak in combinatie met of als “rest”materiaal van de edelmetaalertsen. Ook worden vele oude mijnen nu onderzocht op REE.

Op deze pagina ga ik informatie verder publiceren en enkele bedrijven volgen. Wordt het weer een kortstondige opleving? Had je er al in moeten zitten? Of kunnen deze miners nog echt wel een paar keer over de kop. Tijd zal het leren.

Mocht je denken een bijdrage aan deze publicatie te kunnen leveren…. dan nodig ik je van harte uit om mij te mailen en je ideeën omtrent REE wereldkundig te maken!

Wat zijn Rare Earth Elementen?

Inleiding:
Rare Earth Metals, Zeldzame aarden
 of zeldzame aardelementen (Engels: Rare Earth Element, afgekort REE) zijn zestien zware elementen die van nature op en in de aarde voorkomen. De zeldzame elementen zijn Scandium, Yttrium en veertien van de vijftien Lanthaniden (Promethium is geen zeldzaam element):

Element

Symbool

Naam

21

Sc

Scandium

39

Y

Yttrium

57

La

Lanthanum

58

Ce

Cerium

59

Pr

Praseodymium

60

Nd

Neodymium

61

Pm

Promethium

62

Sm

Samarium

63

Eu

Europium

64

Gd

Gadolinium

65

Tb

Terbium

66

Dy

Dysprosium

67

Ho

Holmium

68

Er

Erbium

69

Tm

Thulium

70

Yb

Ytterbium

71

Lu

Lutetium

Soms worden sommige actiniden ook tot de zeldzame aarden gerekend. Zeldzame aarden worden vaak in combinatie met elkaar in ertsen gevonden.

De minst voorkomende zeldzame aarde, Lutetium, komt nog altijd 200 keer zo vaak voor als Goud.

Zeldzame aarden worden economisch gewonnen uit de mineralen bastnasiet, monaziet en lopariet en uit lateritische kleien. Hoewel geen van de zeldzame aarden echt zeldzaam is, zijn ze moeilijker te winnen (en relatief duurder) dan overgangsmetalen doordat ze meestal moeilijk te isoleren zijn. Dit komt doordat de zeldzame aarden zeer vergelijkbare chemische eigenschappen hebben.

Ook de overgangsmetalen zijn vrij zeldzaam en worden vaak in één adem genoemd met bovengenoemde Rare Earth Elements, of men spreekt over Rare Metals. Alleen ijzer komt van deze metalen heel veel voor. Goud, Zilver, maar ook Mangaan (Mn), Molybdenum (Mo) en Magnesium (Mg)(MMM) horen tot de groep van de overgangsmetalen. Behalve deze metals is ook Lithium (Li) een ongelooflijk interessant element.

Rare Earth Elements
(Bron: Officiëel orgaan Mijnbouwkundige vereniging en technische aardwetenschappen nr 3) ree-uitleg_clip_image002
Dit artikel gaat over de Zeldzame Aarde Elementen, ook wel genoemd Zeldzame Aarden, of Zeldzame Aardmetalen. In het Engels worden dit Rare Earth Elements (REE) genoemd. Niet alleen worden de REE besproken, ook de belangrijkste mineralen waar deze elementen in voorkomen en de twee belangrijkste voorkomens van deze mineralen komen aan bod. De REE hebben zeer veel (hightech) toepassingen en ze zijn dus uiterst waardevol. China produceert 93 procent (!) van deze grondstoffen (hoofdzakelijk uit de Bayan Obo afzetting) en heeft dus een bijna-monopolie. Het land kan de export naar believen opschroeven of beperken om zo de prijs omlaag of omhoog te duwen. Alleen in de VS wordt momenteel nog een grote afzetting (Mountain Pass) ontgonnen. Mountain Pass is de naam van een voorkomen, dat zelf weer genoemd is naar de locatie (Figuur 2). Hoewel men daar nu een nieuwe afzetting gaat ontginnen, is de Amerikaanse bijdrage sinds eind jaren ’90 sterk afgenomen. Productie van REE in andere landen is bescheiden. (Figuur 1).
Figuur 1. Wereldproductie van REE (1 kt=106 kg) van 1950 tot 2000, in vier categorieën. De USA productie is vrijwel geheel afkomstig uit de Mountain Pass afzetting. De Chinese productie is afkomstig uit meerdere afzettingen, maar hoofdzakelijk uit Bayan Obo. Uit USGS Factsheet 087-02.

Figuur 2. Het periodiek systeem der elementen met de Lanthanie-groep (La, en Ce – Lu):

PSDeLanthanide-groep
Wel, wat zijn die zeldzame aarden dan? Het betreft in hoofdzaak de zogenaamde Lanthanide-groep in het periodiek systeem der elementen (Figuur 2). Dat is dus de elementenserie La – Lu, bestaande uit Lanthanum (Lanthaan, La), Cerium (Ce, niet te verwarren met Cesium, Cs), Praseodymium (Pr), Neodymium (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) en Lutetium (Lu). De elementen Scandium (Sc), en in het bijzonder Yttrium (Y), worden gewoonlijk ook tot de zeldzame aarden gerekend.

In wetenschappelijke teksten worden de volgende Engelse afkortingen gebruikt: REE = Rare Earth Elements. LREE = Light Rare Earth Elements (lichte zeldzame aarden: in het periodiek systeem de elementen Scandium, Yttrium, Lanthanum, en Cerium t/m Samarium), HREE = Heavy Rare Earth Elements (zware zeldzame aarden: in het periodiek systeem de elementen vanaf Europium t/m Lutetium). De hele lichte REE (Y, La, Ce, Nd, en Pr) komen het meest voor. Promethium (Pm) is een instabiel element, en komt niet vrij in de natuur voor.

De zeldzame aarden zijn als groep erg waardevol, maar de waarde van de afzonderlijke REE loopt sterk uiteen: een vanree-uitleg_clip_image008 de goedkoopste REE, Ce, kost als oxide tussen de 3.5 en 4 US$/Kg. De kosten van Eu en Lu als oxide liggen tussen de 500 en 550 US$/Kg. (Bron: Tianjiao International website, en Seeking Alpha website). Ter vergelijking: de prijs van ruwijzer moet men ergens tussen de 0.2 en 0.5 US$/Kg zoeken.

De naam Zeldzame Aarden (ook wel Zeldzame Aardmetalen) is eigenlijk niet correct. Het betreft geen Aard(alkali)metalen (groep II in het Periodiek systeem). Ze behoren tot de overgangsmetalen. Als zuiver metaal komen de REE trouwens niet voor. Aan de lucht oxideren ze heel gemakkelijk. De naam “Aarde” is een vertaling van het Franse terre, dat vroeger echter ook oxide kon betekree-uitleg_clip_image010enen. Omdat men in het begin van de 19e eeuw aannam dat deze elementen relatief zeldzaam waren, ontstond de naam Zeldzame Aarden. Ze zijn echter (met uitzondering van het instabiele Promethium) bepaald niet zeldzaam! De meest voorkomende zeldzame aarde, Cerium, is op volgorde van hoeveelheid met 68 ppm het 25e element in de aardkorst, het komt daarmee vaker voor dan bijvoorbeeld Lood(!). Een van de minst voorkomende zeldzame aarden, Lutetium, komt nog altijd 200 keer zo vaak voor als goud. Maar in contrast met bijvoorbeeld de base metals (Cu, Pb, Zn) en edelmetalen (Au, Ag, Pt) komen de REE echter zelden in geconcentreerde vorm voor. Het aantal exploiteerbare afzettingen is daarom gering.

DeREE-mineralenkomenvaakvooringranitische stollingsgesteenten en pegmatieten, en in het bijzonder in relatie tot carbonatietgesteenten (magmatische carbonaatgesteenten). Verder zijn placerafzettingen vaak een bron van deze mineralen.

 

De Zeldzame-Aarde-Mineralen
De belangrijkste REE -mineralen zijn: ree-uitleg_clip_image012

  • Monaziet,
    in theorie CePO4, bevat gewoonlijk ook La, Pr, Nd, Y en Th. De formule wordt dan ook gewoonlijk geschreven als (Ce, La, Pr, Nd, Th, Y) PO4. Ook Sm en Eu komen in monaziet voor.
  • Xenotiem,
    in theorie YPO4, bevat gewoonlijk ook de zwaardere REE zoals Dy, Er, Gd, en Yb, en meestal ook U en/of Th, zodat de formule wordt: (Y, Dy, Er, Gd, Yb, U, Th)PO4.
  • Bastnaesiet, (Ce, La)CO3F, waarbij
    de hoeveelheden Ce en La sterk kunnen verschillen. Ook Y komt wel in bastnaesiet voor.

Monaziet en xenotiem uit aan carbonatieten gerelateerde afzettingen zijn doorgaans niet radioactief.

 

ree-uitleg_clip_image016De bekendste REE-afzettingen
De twee allerbekendste afzettingen van REE zijn de enorme Bayan Obo afzetting in Binnen-Mongolië, China, en de Mountain Pass afzetting in Californië, USA.
Bayan Obo
Bayan Obo is een zeer grote REE-Fe-Nb afzetting met een complexe oorsprong. De afzetting werd allereerst ontdekt als ijzerertsafzetting in 1927. De REE-mineralen werden ontdekt in 1936, en de Nb-houdende ertsen aan het eind van de jaren ’50 van de vorige eeuw. De reserves worden geschat op meer dan 40 miljoen ton REE-erts met een grade (gehalte) van 3- 5.4 % REE. Dat is meteen 70% van de in de wereld bekende REE-reserves! Verder is er een reserve van 1 miljoen ton Nb-erts en 470 miljoen ton ijzererts. De afzetting bevat ook een enorme hoeveelheid fluoriet, dat er in alle ertstypes voorkomt. De reserves aan fluoriet worden geschat op 130 miljoen ton. Daarmee is het meteen ook de grootste fluorietafzetting ter wereld. De REE-verertsing wordt met carbonatieten (magmatische carbonaten) in verband gebracht.
Mountain Pass
De Amerikaanse Mountain-Pass-mijn ligt vlakbij het centrum van het Ivanpah Mining District. De mijn wordt geëxploiteerd door de Molycorp Division. Mountain Pass ligt vlak bij het Mojave National Preserve, bij de grens met de staten Nevada en Arizona, op ongeveer 100 km van Las Vegas. De Mountain-Pass afzetting betreft een aan carbonatiet (magmatisch carbonaatgesteente) gerelateerde REE-afzetting. Momenteel gaat men een vlakbij gelegen nieuwe REE-afzetting ontginnen.

De Toepassingen van REE
De verschillende REE-elementen hebben allemaal diverse toepassingen die variëren van katalysatoren tot elektronicatoepassingen tot magneten. Hierbeneden zijn de belangrijkste toepassingen van de REE opgesomd. De gegevens komen uit de USGS Geological Survey Factsheet 087-02 en uit Wikipedia. Het zal vrij snel duidelijk zijn dat de toepassingen van de REE voornamelijk hightech-toepassingen betreft. De bijna-monopoliepositie van China op het gebied van REE, met name als gevolg van de enorme REE-afzetting in Bayan Obo, stemt dan wel tot nadenken.

  1. Scandium (Sc) wordt weinig toegepast in de industrie, omdat het vrij lastig is om scandium te isoleren. De weinige toepassingen zijn o.a. te vinden in legeringen zoals Scandium-Aluminiumlegeringen.
  2. Yttrium (Y) wordt met name gebruikt in de automobielindustrie in materialen die de brandstofverbruikefficiëntie verhogen. Ook is Yttrium belangrijk in microgolf­communicatietoestellen. Yttrium-IJzer-Granaten, Y3Fe5O12, (YIG) worden gebruikt als resonators, frequentiemeters, magneetveldmeters, transistors en oscillatoren. Yttrium-Aluminium-Granaat, Y3Al5O12, (YAG) wordt voornamelijk gebruikt in lasers. Deze YAG-kristallen in de lasers worden vaak gedoteerd met andere REE (Nd, Gd, Er, of Ho).
  3. Lanthanum of Lanthaan (La) is een strategisch belangrijke REE, vanwege de toepassing in katalysatoren die essentieel zijn in petroleumraffinage. Lanthaan wordt ook gebruikt voor infrarood absorptie in glas. ree-uitleg_clip_image022Oplaadbare lanthaan-nikkel-hydride (La-Ni-H) batterijen vervangen inmiddels gradueel Ni-Cd batterijen in computer-en communicatietechnologietoepassingen.
  4. Cerium (Ce) is het meest voorkomend van de zeldzame aarde elementen. Ceriumoxides, en andere ceriumverbindingen gaan in katalytische converters en andere apparatuur om zwaveloxide-emissies te verkleinen. Cerium wordt verder als additief in dieselbrandstof, in UV-absorberend glas, en in legeringen gebruikt.
  5. Praseodymium (Pr) wordt in het bijzonder als een pigment gebruikt. Verder wordt praseodymium, samen met neodymium gebruikt om bepaalde golflengten van licht te filteren. Praseodymium wordt ook gebruikt in permanente magneten, en in katalysatoren in verbrandingsmotoren.
  6. Neodymium (Nd) is een kritische component van sterke permanente magneten. Mobiele telefoons, harde schijven, draagbare CD-spelers, computers, en de meeste moderne geluidssystemen zouden niet bestaan zonder neodymiummagneten. De sterkste permanente magneet die bekend is, is de Neodymium-IJzer-Borium magneet of NdFeB­magneet. De exacte formule van de legering is: Nd2Fe14B. Ook wordt neodymium gebruikt voor ultravioletabsorptie in glas. Tenslotte wordt Nd gebruikt in variaties op de bij Yttrium genoemde Yttrium-Aluminium-Granaat (YAG), als Nd-YAG.
  7. Promethium (Pm) is een instabiel element. In nucleaire installaties wordt promethium bereid voor een aantal toepassingen: als bron van bètastraling voor het uitvoeren van diktebepalingen en om vliegtuigwanden te controleren op beschadigingen en in nucleaire batterijen waarin fotocellen licht omzetten in elektrische stroom.
  8. Samarium (Sm) heeft bepaalde eigenschappen aangaande spectrale absorptie, waardoor het in filters wordt gebruikt. Verder doet het dienst als neutronenvanger in nucleaire installaties. Verder wordt het sinds de jaren zeventig van de vorige eeuw in magneten toegepast, onder andere als SmCo5. Glas wordt verrijkt met Samariumoxide om infrarood licht beter te absorberen. Samariumoxide kan worden gebruikt als katalysator bij de dehydratie en dehydrogenatie van ethanol. In de geneeskunde wordt de isotoop Samariuree-uitleg_clip_image026m­153 soms gebruikt bij de behandeling van patiënten met botkanker.
  9. Europium (Eu) wordt vooral gebruikt als fosfor (fosforescerende stof) met de kleur rood in televisieschermen en computerschermen. Dit geld zowel voor beeldbuizen als voor LCD-schermen. Ook wordt Europium in de medische wereld gebruikt voor het “merken” van complexe biochemische reagentia welke dienen voor het traceren van deze verbindingen in weefselonderzoek.
  10. Gadolinium (Gd) heeft een uniek magnetisch gedrag. Het element is het hart van magneto-optische opnametechnologie, en andere technologie m.b.t. het verwerken van computerdata. Gadolinium-Yttrium­Aluminium-Granaat (Gd:YAG) is een variatie van Nd:YAG met microgolf- en lasertoepassingen.
  11. Terbium (Tb) wordt gebruikt in energie-efficiënte fluorescerende lampen. In magneto-optische data opslag worden ook terbiumlegeringen gebruikt. Het gebruik van Terbium is echter beperkt.
  12. Dysprosium (Dy) wordt veel gebruikt in elektronica. Het maakt elektronische componenten sneller. Het hoge smeltpunt, en het vermogen om neutronen te absorberen maken dat Dysprosium toegepast wordt in nucleaire controle toepassingen. In combinatie met andere REE en Vanadium wordt Dysprosium gebruikt voor de vervaardiging van lasers.
  13. Holmium (Ho) is een zeer zeldzame REE. Holmiumbeschikt over bijzondere magnetische eigenschappen en wordt industrieel voornamelijk gebruikt als magnetische flux concentrator. Andere toepassingen zijn: als neutronenvanger in nucleaire installaties. In de glasindustrie wordt Holmium gebruikt als gele kleurstof. Holmium wordt ook gebruikt als dotering in YAG-lasers. Daarnaast wordt Holmium regelmatig gebruikt in allerlei legeringen.
  14. Erbium (Er) heeft opmerkelijke optische eigenschappen, waardoor het element essentieel is voor het gebruik in lange­afstands glasvezeldatatransmissie. Ook wordt het gebruikt als dotering in YAG: Er-YAG. Erbium wordt veelal toegepast als fotografisch filter en de veerkrachtige eigenschap maakt het een bruikbaar additief in legeringen. Erbium wordt ook veel gebruikt in fotonica. In nucleaire installaties zorgt het neutronen absorberende vermogen van Erbium ervoor dat het als neutronenvanger kan worden gebruikt. In de glasindustrie wordt Erbiumoxide, dat een roze kleur heeft, gebruikt voor het kleuren van glas.
  15. Thulium (Tm) is het zeldzaamste (en de duurste) van de REE. Chemisch gedraagt het zich zoals Yttrium. Thulium wordt relatief weinig gebruikt.
  16. Ytterbium (Yb) lijkt globaal op Yttrium qua chemisch gedrag. Onder hoge mechanische spanning neemt de elektrische weerstand sterk toe. Ytterbium wordt in spanningssensoren gebruikt voor bodemdeformatie. Ytterbium wordt verder onder andere toegepast in optische elementen, bijvoorbeeld in glasvezelversterkers, fosforen en lasers. Het vindt ook toepassing in de katalyse en de metallurgie. Lutetium (Lu), is samen met Thulium een van de zeldzaamste REE. Daar Lutetium een van de duurste REE is, wordt het sporadisch gebruikt. Cerium-gedoteerd Lutetium-oxy­orthosilikaat (LSO) wordt gebruikt in detectors voor positron emissietomografie (PET).

Jack Voncken
Referenties

  1. USGS Factsheet 087-02. http://pubs. usgs.gov/fs/2002/fs087-02/
  2. Tianjiao International website (http:// www.baotou.com)
  3. Seeking Alpha website (http:// seekingalpha.com/article/103972-rare-earth­metals-not-so-rare-but-valuable ).
  4. Wikipedia, diverse pagina’s.

Quote van Chinese leider
Deng Xiaoping:
“Zij (Het Midden Oosten) hebben olie, maar wij hebben zeldzame aarden!

Website over strategische, kritische en bijzondere metalen en elementen als:

  • Rare Earth Elements
  • Lithium
  • Uranium
  • Potash
  • Tantalum
  • Graphite
  • Cobalt
  • Molybdenum
  • Magnesium
  • Mangaan
  • Tungsten
  • Niobium
  • Scandium
WilgeWat zijn Rare Earth Elements?