بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

بررسي ذخاير فلزات استراتژيک و عناصر نادر خاکي همراه در خاکستر زغال سنگ

١- چکيده
در سال هاي اخير کاهش منابع معمول عناصر کمياب و نادر خاکي (REY) در جهان (مانند کربناتيت ها) موجب گرديده است که فعاليت هاي اکتشافي جهت تامين منابع اوليه اين عناصر در ساير زمينه ها آغاز گردد. بازيابي REY از ذخاير زغال سنگ به عنوان محصول جانبي در بسياري از کشورها ميتواند به کاهش بحران مواد اوليه فعلي کمک کند. همچنين از نظر زيست محيطي، ميتواند زغال آلوده را به منابع انرژي پاک تبديل کند. مطالعات نشان داده است که ميزان تمرکز اين عناصر در خاکستر زغال چندين برابر زغال ميباشد. عناصر REY موجود در خاکستر زغال به سه گروه تقسيم شده اند: سبک ، متوسط و سبک . از اين بين گروه هاي متوسط و سنگين بيشتر مورد توجه قرار دارند چرا که منابع قابل دسترس آن ها محدودتر است . اين عناصر تحت ٤ نوع ژنتيک در زغال سنگ تجمع مييابند و عبارتند از: ١- نوع آبرفتي، ٢- نوع توفي، ٣- نوع نفوذي، ٤- نوع هيدروترمال . ذخاير حاصل از نوع هيدروترمال از لحاظ عيار و ذخيره مطلوب تر ميباشند. با بررسي منابع زغالي ايران و مقايسه آن با ساير کشورهاي جهان ، ايران از لحاظ منابع عناصر نادر خاکي در زغال نسبت به چين ، آمريکا و... غنيتر است . توجه به اين موضوع ميتواند آينده اي روشن در زمينه بازيابي اين عناصر از خاکستر زغال را در کشورمان داشته باشد.
کليد واژه : خاکستر زغال سنگ ، ذخاير، عناصر نادر خاکي، عناصر کمياب ، غني شدگي
٢- مقدمه
اولين تجربه موفق در بازيابي لانتانيدها و ايتريم (REY) به عنوان محصول جانبي از ذخاير زغالي به ٢٠ سال پيش ، پس از اکتشاف بسترهاي زغالسنگ حاوي درصد بالايي از REY (٠.٢ – ٠.٣ درصد در خاکستر) در يکي از معادن شرقي زغال سنگ در روسيه باز ميگردد [١]. در ٥ سال بعد تعداد زيادي رگه هاي زغالي با درصد مشابه و يا حتي بالاتر از REY در ٦ معدن زغالسنگ در اين منطقه شناسايي شد [٢]. پس از آن معادن زغالسنگ زيادي که حاوي مقدار زيادي از REY بودند در کشورهاي مختلف شناسايي شدند. در تعداد کمي از اين موارد، مقدار REY در سنگ بستر در حدود ٤ الي ١١ درصد نيز گزارش شده است [٣].
اين آنوماليهاي غيرمعمول REY در حوضه هاي زغالي مورد توجه قرار نميگرفت چرا که به نظر ميرسيد منابع معمول اين عناصر (کربناتيت ها، آلکالي گرانيت ها و ...) به اندازه کافي موجود است . اين شرايط در سال ٢٠٠٩ در حاليکه اقتصاد جهان با بحران کمبود اين عناصر مواجه شد، تغيير کرد. در حال حاضر ٢ منبع اصلي براي REE 1 وجود دارد، کربناتيت ها و ذخاير ليچ شده پوسته هوازده ، که هر دو غالبا در چين معدنکاري ميشوند. کمتر از ٥ درصد توليدات REE دنيا از ساير منابع (کانه لوپاريت روسيه ، مونازيت و پلاسرهاي زنوتايم هند و مالزي و...) است [٤].
بازيابيREY از ذخاير زغال سنگ به عنوان محصول جانبي در بسياري از کشورها ميتواند به کاهش بحران مواد اوليه فعلي و همچنين از نظر زيست محيطي، ميتواند زغال آلوده را به منابع انرژي پاک REY تبديل کند [٥].
٣- طبقه بندي، اهميت ، منابع و مشکلات REY
٣-١- طبقه بندي
طبقه بنديهاي زيادي بر روي اين عناصر از جنبه هاي ژئوشيميايي و اقتصادي انجام گرفته است . ٢ طبقه بندي مهم در اين مقاله مورد بحث قرار گرفته است .
تقسيم بندي اول يک طبقه بندي بر اساس خواص ژئوشيميايي اين عناصر ميباشد که REY را به سه گروه سبک (La،Ce ،Pr ،Nd و Sm)، متوسط (Eu،Gd ،Tb ،Dy و Y) و سنگين (Ho،Er ،Tm ،Yb و Lu) تقسيم ميکند. اين تقسيم بندي نسبت به ساير طبقه بندي - ها بيشتر براي بيان توزيع REY در هر دو بخش زغالي و منابع معمول
REY مورد استفاده قرار ميگيرد. ايتريم در طبيعت همواره همراه لانتانيدها يافت ميشود، چون شعاع يوني آن ها بسيار نزديک به هم ميباشد و بار يوني آن نيز برابر بار يوني Ho ميباشد، به همين خاطر ايتريم به طور معمول در نمودار REY بين Dy و Ho قرار ميگيرد .[6]
براي ارزيابي زغال سنگ بعنوان مواد اوليه REY از طبقه بندي صنعتي استفاده ميشود. اين طبقه بندي بر پايه ي پيش بيني رابطه بين عرضه و تقاضاي REY در سال هاي اخير، ميباشد. بر طبق اين طبقه بندي، REY به سه گروه بحراني (Nd،Eu ،Tb ،Dy ،Y و Er)، غير بحراني (La،Pr ،Sm و Gd) و فراوان (Ce،Ho ،Tm ،Yb و Lu) تقسيم ميشود [٧]. رابطه بين دو طبقه بندي متفاوت در شکل ١ نشان داده شده است .
٣-٢- مشکلات مواد اوليه REY
دو منبع اصلي در حال حاضر براي REY وجود دارد، کربناتيت ها و ذخاير حاصل از ليچ پوسته هوازده ، هر دوي آن ها منحصرا در چين استخراج ميشوند و نياز صنعت جهان را تامين ميکند. کمتر از ٥ درصد از REY توليدي جهان از ديگر منابع آن تامين ميشود.
کربناتيت ها معمولا حاوي مقدار زيادي REY (١ الي ١٠ درصد) با ذخاير بزرگ (از يک ميليون تن تا ١٠ ميليون تن ) ميباشند، ولي معمولا ذخاير آنها از گروه REY سبک ميباشد. ذخاير حاصل از شستشوي پوسته هوازده زمين با قابليت تعويض يوني REY منبع کلي REY ميباشد و از ذخاير کوچک (٣ – ١٢ کيلوتن ) تشکيل شده اند [٩]. با اين وجود اين منابع به دليل تکنيک ساده استخراج و عيار بالاي REY استخراج ميشوند. متاسفانه اين نوع ذخاير رو به اتمام است و

شکل ١: درصد هر کدام از عناصر REY نسبت به کل ، موجود در پوسته زمين و طبقه بندي آنها [٨].

پيش بيني که توسط Roskill و IMCOA انجام شده نشان مي - دهد که استخراج از اين منابع تا ١٥ الي ٢٠ سال ديگر ميتواند ادامه يابد، تحت اين شرايط با مشکل يافتن منابع جديدي براي REY روبرو هستند [١٠].
بحران عرضه REY، همچنان موجب ميشود که تلاش براي بهره برداري از منابعي که در گذشته استخراج شده است ادامه يابد و فعاليت هاي اکتشافي در سطوح بالاتر بر روي منابع REY که در گذشته اکتشاف شده اند و به اندازه کافي مطالعات گسترده بر روي آن - ها انجام نگرفته ادامه يابد. بيش از ٣٠٠ ذخيره در جهان مورد بررسي قرار گرفته است و مطالعات نشان ميدهد که از نوع نهشته هاي ماگمايي و هيدروترمال ميباشند. توجه ويژه اي ميبايست به ذخايري نمود که نسبت عناصر REY متوسط و سنگين در آنها بالاتر است .
مجموع اکسيد REO( REY) در اين نهشته ها بين ٠.٠٧ تا ١.٥ درصد متغير است و ذخاير آنها از١٠ تا چند هزار تن ميباشد (جدول ١).
با وجود تلاش ها و سرمايه گذاريهاي بسياري که در سال هاي اخير در اين راه انجام شده است ، اميد اندکي وجود دارد که بتوان بر بحران منابع اوليه REY در آينده نزديک غلبه کرد. مشکل عرضه REY سبک را احتمالا ميتوان با راه اندازي استخراج از چندين ذخيره موجود در سال هاي آتي برطرف نمود. با اين حال هنوز به دليل از دست دادن منابع خوب ، تحقيقات کم ، استخراج دشوار و مسايل مربوط به شرايط فني و مسايل زيست محيطي (وجود اورانيوم و توريم )، دشوار است که بتوان نياز موجود به عناصر REY متوسط و سنگين را پاسخگو بود [٥].


جدول ١: مقدار REO (درصد وزني) و ميزان ذخاير (تن ) بعضي از نهشته هاي
موجود با نسبت بالاي عناصر REY متوسط و سنگين [٥].
ReRsEerOve coRnEteOnt Deposit and Occurrence
1000000 0.07 Round Top Mountain, USA
20000 0.18 Hastings, Australia
170000 0.18 Melovoe, Kazakhstan
9000 0.21 Brockman, Australia
67000 0.22 Zeus, Canada
63000 0.34 Kutessay II, Kyrgyzstan
326000 0.54 Norra Karr, Sweden
27000 0.8 Boraka, USA
317000 0.9 Dubbo, Australia
3870000 1.07 Kvenefjeld, Greenland
1350000 1.53 Nechalacho, Canada


٤- REY در زغال سنگ و خاکستر آن
٤-١- ميانگين REY موجود در آن
متوسط مجموع مقادير REY موجود در زغال جهان ، براساس محاسبه ميانگين غلظت لانتانيدها و ايتريم در حدود ppm ٦٨.٥ برآورد شده است [١١]. اين مقدار ٢.٥ برابر کمتر از مقدار آن در سنگ هاي پوسته بالايي زمين (UCC) ميباشد [٨]. مقدار ميانگين REY در زغال هاي آمريکا برابر ppm ٦٢.١ ميباشد که نزديک ميانگين آن در جهان ميباشد [١٢].

شکل ٢: نمودار ميانگين عناصر REY موجود در زغال چين و آمريکا [١٢].

(محور عمودي نسبت عنصر موجود در زغال به پوسته بالايي قاره را نشان ميدهد.)
مقدار ميانگين REY موجود در زغال هاي چين به ppm ١٣٧.٩ ميرسد که تقريبا دو برابر ميانگين جهاني ميباشد. تحقيقات انجام شده نشان داده است که مقدار REY موجود در زغال کشورها متناسب با مقدار آن در سنگ هاي پوسته قاره ها ميباشد (شکل ٢).
مقدار ميانگين REY موجود در خاکستر زغال سنگ در جهان ppm ٤٠٤ ميباشد که اين مقدار تقريبا ٣ برابر مقدار REY موجود در پوسته زمين (UCC) است . اکسيد REY که معمولا براي تخمين فراواني فلزات در سنگ معدن استفاده ميشود برابراست با ppm٤٨٣. اين مقادير نزديک به مقادير REO موجود در بعضي از ذخيره هاي موجود در پوسته زمين با ذخيره بالا و عيار پايين در کانسنگ هاي هيدروترمال ميباشد [٩].
با نمونه برداريهاي متعدد از خاکستر زغال سنگ و مقايسه مقدار REY موجود در آن با منابع معمول آن ميتوان به اين نتيجه رسيد که مواد زائد حاصل از سوخت زغال سنگ نيز ميبايست به عنوان منبعي براي اين عناصر در نظر گرفته شود. REY عناصر غير فرار هستند پس مقدار توزيع آنها در خاکستر زغال سنگ ميبايست الگوي يکساني در مقايسه با مقدار آن در زغال داشته باشد [٥].
٤-٢- معيارهاي ارزيابي اوليه ي خاکستر زغال سنگ به عنوان مواد اوليه REY
براي برآورد کامل هرگونه مواد اوليه REY (از جمله خاکستر زغال سنگ )، مجموعه اي از پارامترها بايد در نظر گرفته شود (به عنوان مثال منابع اين فلزات ، امکان بهره برداري، سادگي و ميزان بازيابي در روش هيدرومتالورژي، ميزان راديواکتيويته که ميتواند محيط زيست و سلامت انسان را تحت تاثير قرار دهد). با اين حال براي يک برآورد اوليه ، عيار REY و ترکيب عناصر موجود در آن ممکن است کافي باشد [٥].
بر اساس داده هاي تجربي در استخراج REY از احتراق ضايعات بعضي از معادن زغال دور در شرق روسيه ، مقدار حد بهينه REO در خاکستر ppm١٠٠٠ براي بازيابي اين عناصر از زغال سنگ هاي کم ارزش به عنوان محصول جانبي در نظر گرفته شد [١٣]. با اين حال قيمت کنوني اين عناصر بسيار بيشتر از گذشته ميباشد و در نتيجه ميتوان از اين حد عيار براي هر زغال سنگ استفاده کرد.
معيار دوم استفاده از خاکستر زغال سنگ به عنوان منبع اوليه REY ترکيب منحصر بفرد آن است . اين تعريف بر پايه تقسيم بندي - هايي که در مورد آن بحث شد نبوده و بر پايه روند بازار ميباشد [٧].
بر اساس اين تعريف ترکيب ايده آل سنگ معدن REY (براي مثال خاکستر زغال سنگ ) ميبايست شامل مقدار زيادي از عناصر بحراني REY و شامل مقدار کمي از عناصر فراوان در طبيعت بخصوص سلنيوم باشد. با در نظر گرفتن اين معيارها، نسبت مجموع عناصر بحراني REY بر مجموع عناصر فراوان آن به عنوان معياري براي تعيين کيفيت سنگ معدن ميباشد. اين انديس ضريب Outlook ناميده ميشود و از رابطه زير محاسبه ميشود [٥]:

Coutl= (Nd+Eu +Tb+Dy +Er + Y.∑REY).(Ce+Ho+Tm+Yb+Lu.∑REY)
بالا بودن اين ضريب نشان گر ارزش بالقوه سنگ معدن به عنوان ماده اوليه REY مي باشد.
٤-٣- خاکسترهاي زغال غني از REY
مقدار REY در خاکستر زغالسنگ براي بسياري از ذخاير زغال سنگ در سراسر جهان بسيار بالاتر از ارزش متوسط ذکر شده است .
زغال سنگ غني از REY تحت شرايط مختلف زمين شناسي ميتواند تشکيل شده باشد. چهار نوع ژنتيک تجمع REY در زغال سنگ را ميتوان نام برد.(جدول ٢)

نوع آبرفتي که ورورد REE توسط آب هاي سطحي بوده است .
نوع توفي که مرتبط با نهشته شدن و شسته شدن خاکسترهاي آتشفشاني اسيدي و آلکالن ميباشد.
نوع نفوذي يا جريان يافته با آب زيرزميني که بخصوص در زمين شناسي اورانيوم شناخته شده است .
نوع هيدروترمال که مرتبط با صعود آب هاي گرم حاوي کاني و سيالات عميق است .
٢ دسته اول به طور عمده از نوع اپي ژنتيک ميباشند و نوع هيدروترمال ممکن است در طي هر مرحله از تشکيل زغال سنگ رخ داده باشد. در برخي موارد زغال سنگ هاي غني از REY در چند مرحله تشکيل شده اند[ ١٤].
٤-٤- بررسي خاکستر غني از REY بر اساس نوع ترکيب
براي ارزيابي خاکستر غني از REY به عنوان ماده اوليه ، لازم است ترکيب آن مورد توجه قرار گيرد، چرا که ممکن است الگوهاي توزيع متفاوتي را در برگيرد. براي ارزيابي مقايسه اي از خاکسترهاي غني از REY از نظر ارزش اقتصادي، گراف REYdef,rel-Coutl پيشنهاد شده است که در آن محور عمودي درصد عناصر مهم در کل REY و محور افقي نشان دهنده ي ضريب Coutlook ميباشد (شکل ٣). اين نمودار براي يک سنگ معدن طبيعي REY استفاده ميشود. زغال هاي داراي REE بالا در اين نمودار به سه گروه تقسيم بندي شده اند.


شکل ٣: تقسيم بندي خاکستر غني از REE [٥].
١-خاکستر زغال سنگ غني از REE؛ ٢- ذخاير کربناتيتي؛ ٣- ذخاير هيدروترمال ؛ ٤- ذخاير حاصل از شستشوي پوسته هوازده .
دسته اول ( ٠.٧ > Coutl و %٢٦>REYdef) شامل تنها دو خاکستر زغال از چين با توزيعي از نوع REY سبک و باقي مربوط به سنگ ها کربناتيتي و سنگ هاي آذرين قليايي است که داراي عيار بالايي از REY هستند که در حال حاضر استخراج ميشوند و يا در آينده اي نزديک استخراج خواهند شد. بديهي است زغال سنگ موجود در اين دسته به رغم محتواي خوب REY به عنوان محصول جانبي قابل استفاده نيست چرا که استخراج عناصر بحراني مورد بحث نيست و عنصر مورد نظر در اين گروه Ce ميباشد که از نظر اقتصادي استخراج آن از زغال سنگ به صرفه نيست .



در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید