Монацит — это преимущественно красновато-коричневый фосфатный минерал , содержащий редкоземельные элементы . Из-за изменчивости состава монацит относят к группе минералов. [3] Наиболее распространенным видом группы является монацит-(Ce) , то есть член группы с преобладанием церия. [4] Обычно это происходит в небольших изолированных кристаллах . Он имеет твердость от 5,0 до 5,5 по шкале твердости минерала Мооса и относительно плотный , примерно от 4,6 до 5,7 г/см 3 . Существует пять различных наиболее распространенных видов монацита, в зависимости от относительного количества редкоземельных элементов в минерале: [5]
Элементы в скобках перечислены в порядке их относительной пропорции в минерале: лантан — наиболее распространенный редкоземельный элемент в монаците-(La) и так далее. Кремнезем ( SiO 2 ) присутствует в следовых количествах, а также в небольшом количестве урана и тория . Из-за альфа-распада тория и урана монацит содержит значительное количество гелия , который можно извлечь путем нагревания. [6]
Следующие анализы относятся к монациту из: (I) округа Берк, Северная Каролина , США; (II.) Арендал , Норвегия; (III.) Эммавилл, Новый Южный Уэльс , Австралия. [7]
Монацит является важной рудой для тория, [8] лантана и церия. [9] Часто встречается в россыпных месторождениях . Крупные месторождения монацитовых песков имеются в Индии , Мадагаскаре и Южной Африке . Особенно богаты монацитом месторождения Индии .
Монацит радиоактивен из-за присутствия тория и, реже, урана. Радиогенный распад урана и тория на свинец позволяет датировать монацит с помощью геохронологии монацита . Кристаллы монацита часто имеют несколько отдельных зон, образовавшихся в результате последовательных геологических событий, которые привели к кристаллизации монацита. [10] Эти домены могут быть датированы, чтобы получить представление о геологической истории вмещающих их пород.
Название монацит происходит от древнегреческого : μονάζειν , латинизированного : monázein (одиночный), через немецкий Monazit , намекая на его изолированные кристаллы. [11]
Все монациты имеют одинаковую структуру, а это означает, что соединение атомов очень похоже на другие соединения типа M(III)PO 4 . Центры M(III) имеют искаженную координационную сферу, окруженную восемью оксидами с расстояниями M–O длиной около 2,6 Å. Фосфат-анион, как обычно, тетраэдрический. Тот же структурный мотив наблюдается и у хромата свинца ( PbCrO 4 ). [12] Монацит также имеет много структурных сходств с; циркон, ксенотим, шеелит, ангидрит, барит и рабдофан. [13]
Монацитовый песок из Бразилии был впервые обнаружен в песке, перевозимом в корабельном балласте, Карлом Ауэром фон Вельсбахом в 1880-х годах. Фон Вельсбах искал торий для своих недавно изобретенных ламп накаливания . Монацитовый песок был быстро принят в качестве источника тория и стал основой редкоземельной промышленности.
Монацитовый песок некоторое время также добывался в Северной Каролине , но вскоре после этого были обнаружены обширные месторождения на юге Индии . Бразильский и индийский монацит доминировал в отрасли до Второй мировой войны, после чего основная горнодобывающая деятельность перешла в Южную Африку . В Австралии также имеются крупные месторождения монацита .
Монацит был единственным значительным источником коммерческих лантаноидов , но из-за опасений по поводу утилизации радиоактивных дочерних продуктов тория бастнезит стал вытеснять монацит при производстве лантаноидов в 1960-х годах из-за гораздо более низкого содержания в нем тория. Возросший интерес к торию для ядерной энергетики может вернуть монацит в коммерческое использование. [ нужна цитата ]
Из-за своей высокой плотности минералы монацита концентрируются в аллювиальных песках при выветривании пегматитов . Эти так называемые россыпные отложения часто представляют собой пляжные или ископаемые пляжные пески и содержат другие тяжелые минералы, представляющие коммерческий интерес, такие как циркон и ильменит . Монацит можно выделить в виде почти чистого концентрата с помощью гравитационной, магнитной и электростатической сепарации.
Месторождения монацитового песка имеют преимущественно монацитовый ( Ce ) состав. Обычно лантаноиды в таких монацитах содержат около 45–48% церия , около 24% лантана , около 17% неодима , около 5% празеодима и незначительные количества самария , гадолиния и иттрия . Концентрация европия обычно низкая, около 0,05%. Южноафриканский «каменный» монацит из Стенкампскрааля обрабатывался в 1950-х и начале 1960-х годов химическим подразделением Линдси Американской калийной и химической корпорации, в то время крупнейшим производителем лантаноидов в мире. Стенкампкраал монацит обеспечил поставку полного набора лантаноидов. Очень низкие концентрации самых тяжелых лантаноидов в монаците оправдывали название этих элементов «редкоземельными» с соответствующей ценой. Содержание тория в монаците непостоянно и иногда может достигать 20–30%. Монацит из некоторых карбонатитов или из боливийских оловянных рудных жил практически не содержит тория. Однако коммерческие монацитовые пески обычно содержат от 6 до 12% оксида тория.
Первоначальный процесс «крекинга» монацита с целью извлечения тория и лантаноидов заключался в нагревании его концентрированной серной кислотой до температуры от 120 до 150 ° C (от 250 до 300 ° F) в течение нескольких часов. Вариации в соотношении кислоты и руды , степени нагрева и степени последующего добавления воды привели к нескольким различным процессам отделения тория от лантаноидов. Один из процессов привел к тому, что торий выпал в осадок в виде фосфата или пирофосфата в сырой форме, оставив раствор сульфатов лантаноидов, из которого лантаноиды можно было легко осаждать в виде двойного сульфата натрия . Кислотные методы привели к образованию значительных кислотных отходов и потере содержания фосфатов в руде.
В более позднем процессе используется горячий раствор гидроксида натрия (73%) при температуре около 140 ° C (280 ° F). Этот процесс позволяет извлечь ценный фосфат, содержащийся в руде, в виде кристаллического тринатрийфосфата . Смесь лантаноидов/гидроксида тория можно обработать соляной кислотой , чтобы получить раствор хлоридов лантаноидов и нерастворимый осадок менее основного гидроксида тория.
Извлечение редкоземельных металлов из монацитовой руды начинается с разложения серной кислотой с последующей водной экстракцией. Этот процесс требует множества нейтрализаций и фильтраций. [14] [15]
Конечными продуктами этого процесса являются торий-фосфатный концентрат, гидроксиды РЗЭ и урановый концентрат. В зависимости от относительных рыночных цен на уран, торий и редкоземельные элементы, а также от наличия клиентов и логистики доставки им некоторые или все эти продукты могут быть экономически выгодными для продажи или дальнейшей переработки в товарную форму, в то время как другие представляют собой хвосты для захоронения. Продукты ряда распада урана и тория , особенно радий , будут присутствовать в следовых количествах и представлять собой радиотоксическую опасность. Хотя радий-228 (продукт распада тория) будет присутствовать только в очень незначительных количествах (менее одного миллиграмма на метрическую тонну тория) и будет распадаться с периодом полураспада примерно 5,75 лет, радий-226 будет присутствовать. при соотношении выше 300 миллиграммов на метрическую тонну урана и из-за его длительного периода полураспада (~ 1600 лет) по существу останется в остатке. Поскольку радий образует наименее растворимый из известных сульфатов щелочноземельных металлов, сульфат радия будет присутствовать среди твердых продуктов фильтрации после добавления серной кислоты.
В двух исследованиях, одно из которых проверяет возможности хранения радиоактивных отходов синтетического монацита путем его погружения в загрязненную систему сточных вод на длительный период времени, а другое сравнивает долговечность кристаллических структур нескольких минералов, они исследуют способность монацита действовать как место хранения побочных ядерных продуктов из высококачественного плутония в выведенном из эксплуатации ядерном оружии и отработавшем топливе ядерных реакторов. Результаты обоих исследований показывают, что монацит является одним из лучших вариантов хранения по сравнению с ранее использовавшимся боросиликатным стеклом.
В одном исследовании, проведенном в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси [16], сравниваются характеристики синтетического монацита и боросиликатного стекла при обращении с радиоактивными отходами. В этом эксперименте синтетический монацит и боросиликатное стекло вымачивались в загрязненных искусственных отходах обороны реки Саванна в течение 28 дней, в течение этого периода времени измерялись скорости выщелачивания из обоих материалов. Результаты показывают, что синтетический монацит является гораздо более эффективным материалом для хранения радиоактивных отходов из-за его низкой скорости выщелачивания и медленной скорости коррозии.
Во втором исследовании [17] было обнаружено, что природный монацит обладает повышенной способностью справляться с побочными продуктами радиации благодаря свойству радиационной «устойчивости», поскольку он способен оставаться кристаллическим после воздействия большого количества радиации альфа-распада и аморфизироваться. . Из-за такой высокой прочности он считается лучшей альтернативой для размещения таких материалов, как радиоактивный стронций, чем другие проверенные минералы. Также показано, что синтетический монацит имеет долговечность, аналогичную прочности природных кристаллических образцов после полной аморфизации.
