SEM²: Forscher gewinnen mit biologischen Verfahren Seltene Erden

Die Forscher des Projekts „SEM²“ verfolgen zwei Ziele: Zum einen möchten sie chemische Verfahren zum Erschließen Seltener Erden systematisch verbessern und so die Aufbereitungskosten und Folgekosten minimieren. Das zweite Projektziel besteht darin, biologische Alternativen zum üblichen chemischen Verfahren zu erproben, sogenannte bio-hydrometallurgische Verfahren. Das Projekt wird im Rahmen der Fördermaßnahme „r4 – Innovative Technologien für Ressourceneffizienz – Forschung zur Bereitstellung wirtschaftsstrategischer Rohstoffe“ gefördert. „r4“ sichert Hightech-Ressourcen und damit Zukunft.

Bergbaugelände in Madagaskar

Lagerstätte Seltener Erden: das Tantalus Bergbaugelände in Madagaskar.

Lisza Zeidler, G.U.B. Ingenieur AG

Wirtschaftlich und ökologisch

Inhalt des SEM2-Projekts ist es, Lagerstätten der Seltenen Erden in chemisch verwitterten Lateritböden mit optimierten Extraktions- und Aufbereitungsverfahren elementselektiv, kostengünstig und nachhaltig zu erschließen.

SEE (Seltene-Erden-Elemente)-reiche Laterite bestehen haupt­sächlich aus Kaolinit-Tonmineralen und Schichtsilikaten mit Korngrößen kleiner 2 µm, an welche adsorptiv, also oberflächlich angelagert, vor allem Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Samarium (Sm), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy) und Yttrium (Y) gebunden sind. Durch systematische Verbesserung der hydrometallurgischen Laugungs- und Aufbereitungsverfahren sollen die Mineralaufbereitungskosten aber auch Folgekosten durch Umweltschäden gesenkt werden.

Prozessschritte für verschiedene Lagerstätten kombinierbar

Insgesamt wurden fünf Einzelziele abgeleitet, die in ver­schiedenen Prozess-Modulen bearbeitet werden sollen.
Der modulare Aufbau des Projekts SEM² im Sinne eines „metallurgischen Baukastens“ dient der späteren flexiblen Kombinierbarkeit entwickelter Prozessschritte für verschiedene Szenarien und Lagerstätten – durchaus auch in Anwendungsfällen jenseits der Konstellation „Seltene Erden in Ionenadsorptionstonen“. Dieses bietet den Vorteil, dass einzelne Projektbausteine voneinander unabhängig tragfä­hige Resultate erzielen können.

Ionenadsorptionston

Seltene Erden enthaltender Ionenadsorptionston.

Lisza Zeidler, G.U.B. Ingenieur AG

Das vorgeschlagene Verfahren zur SEE-Extraktion basiert im Kern auf einer modifizierten
In-situ-Laugungstechnologie (in situ bedeutet am Ort der Bildung), welche seit mehreren Jahrzehnten industriell weltweit angewendet wird. In-situ-Laugung ermöglicht die selektive chemische Lösung und hydraulische Extraktion der erzhaltigen Laugungslösung aus permeablen, porösen Sand/Sandstein-Sedimenten und ähnlichen Materialien. Das vorgeschlagene Verfahren zielt darauf ab, die Wertstoffe ohne Entnahme der Bodenschichten zu laugen, um die negativen Einflüsse auf das Ökosystem signifikant zu reduzieren und auf die Anlage von großflächigen Schlammbecken (Tailings) vollständig zu verzichten.

Alternative und effizientere chemische Extraktions- und Aufbereitungswege für Seltene Erden aus Ionenadsorptionstonen werden erkundet. Die verfahrenstechnischen Laboruntersuchungen umfassen dabei die gesamte SEE-Extraktions- und Aufbereitungskette. Parallel dazu erfolgt die numerische Simulation und Optimierung der Einzelprozesse sowie der gesamten Verfahrenskette.

Biohydrometallurgie als Alternative

Alternativ werden Biolaugungs- und Biofraktionierungsverfahren entwickelt. Biohydrometallurgische Extraktionsverfahren sind etablierte Verfahren, die derzeit überwiegend zur Gewinnung von Kupfer aus sulfidischen Erzen und von Gold aus refraktären goldhaltigen Erzen eingesetzt werden.

Die zweigleisige Ausrichtung des Projekts SEM2 (Selten-Erden-Metallurgie) hinsichtlich der Extraktionsverfahren wird durch „hoch 2“ hervorgehoben. Auf Grundlage der im Projekt entwickelten und experimentell verifizierten Modelle zur numerischen Simulation einzelner Prozessschritte der Laugung und Aufbereitung, wird ein Gesamtprozess-Schema für die Gewinnung von Seltenen Erden abgeleitet (inklusive Massenbilanzen und Stoffströmen) und anhand einer Parameterstudie optimiert. Der optimierte Gesamtprozess wird die Grundlage für die wirtschaftliche und ökologische Bewertung des entwickelten Verfahrens sein. Dabei stehen die Kosten für Erkundung, Gewinnung und Sanierung dem Wert des vermarktbaren Produkts gegenüber. Der Anteil der hochpreisigen schweren Seltenen Erden wird in den Kalkulationen explizit berücksichtigt.

Weltweit sind circa 200 SEE-reiche Ionenadsorptionston-Lagerstätten bekannt. Verbesserte und neue SEE-Extraktionsverfahren können die Grundlage für weitere Projekte auf dem Feld dieser Lagerstätten sein. Die Produktion Seltener Erden aus möglichst vielen verschiedenen Ionenadsorptionstonlagerstetten würde zur Entspannung des Rohstoffmarktes technologisch wichtiger schwerer Seltener Erden führen.