Verfahren zur Abtrennung einer definierten mineralischen Wertstoffphase aus einem gemahlenen Erz

Die Abtrennung von definierten mineralischen Wertstoffphasen aus einem gemahlenen Erz die insbesondere sehr fein verteilt in dem Erz vorliegen, stellt stets ein technisches Problem dar. Dieses fein verteilte Vorliegen von Wertstoffphasen in einem Erz tritt insbesondere bei Seltenerdphasen aber auch bei anderen herkömmlichen metallischen Phasen wie Kupfermineralien auf. Aufgrund des gehäuften Auftretens dieser Separa ^¬ tionsproblematik bei Seltenerdelementen bzw. Seltenerdverbindungen in mineralischem Gestein, wird im Weiteren insbesonde- re auf die Gewinnung von Seltenen Erden eingegangen. Das folgende beschriebene Verfahren lässt sich grundsätzlich jedoch auf eine Vielzahl von Gewinnungsprozessen anderer Metalle anwenden . Die Seltenen Erden liegen in der Natur stets in oxidierter Form zum Beispiel als Carbonate oder Phosphate in unter ^¬ schiedlichen Mineralien vor. Obwohl es eine Vielzahl von Mineralien gibt, bestehen 95% der weltweiten Seltenerdressourcen aus den drei Mineralien Bastnäsit, Monazit und Xenotim. Charakteristisch für Seltenerdminerale ist, dass sie das ge ^¬ samte Spektrum der Seltenerdelemente beinhalten. Durch diese Vergesellschaftung und die hohe Ähnlichkeit der Seltenerdele ^¬ mente in ihrem chemischen Verhalten bestehen sehr hohe Anforderungen an den Trennprozess der Einzelsubstanzen. Ein cha- rakteristisches und technisch stets herausforderndes Merkmal bei den Seltenerdmineralen besteht darin, dass sie im Erz meist sehr fein verwachsen sind, wodurch zudem hohe Anforderungen an den Aufbereitungsprozess bestehen. So muss das Erz zum einen ausreichend zerkleinert werden um einen ausreichen- den Aufschlussgrad an Wertstoffen zu erzielen. Zum anderen erschweren sehr feine Korngrößen häufig das Wertstoffausbringen bei der Konzentratherstellung (Flotation) . Hinzu kommt, dass ein hoher Flächenbedarf für die anfallenden Mengen an wertlosem Material (Bergestrom, bzw. Gangart, im Weiteren Tailing genannt) benötigt wird. Eine weitere Eigenschaft der Seltenen Erden ist, dass sie häufig mit radioaktiven Begleit ^¬ stoffen wie Thorium und Uran verwachsen sind. Diese werden bei der Aufbereitung mit freigelegt, wodurch ebenfalls Risi ^¬ ken für die Umwelt bestehen. Aufgrund der genannten ökologischen und ökonomischen Probleme werden viele Lagerstätten von Seltenerdmineralien heutzutage nicht abgebaut. Bei der Aufbereitung von Bastnäsit, also einem typischen Seltenerdmineralien enthaltendes Erz, werden nach dem Brechen des Erzes die Bruchstücke auf eine Flotationsfeinheit von we ^¬ niger als 150 Mikrometer gemahlen. Bei diesem Prozess entstehen erhebliche Energiekosten. Im Allgemeinen richtet sich die Zielkorngröße der Mahlung nach der AufSchlusskorngröße des Seltenerdminerals. Diese ist sehr stark vom Erztyp und der jeweiligen Lagerstätte abhängig. Unter AufSchlusskorngröße wird hierbei die Korngröße verstanden, in der die einzelnen mineralischen Phasen als einzelnes Korn vorliegen. Grundsätz- lieh wäre ein Aufschlussgrad von 100% anzustreben, in der Re ^¬ alität kann es je nach Lagerstätte sein, dass Aufschlussgrade von 50% - 70% realistisch sind. Wird die AufSchlusskorngröße, also die Korngröße bei der die einzelnen mineralischen Phasen singulär vorliegen, durch die Zerkleinerung unterschritten, kommt es zu einer Übermahlung der Partikel und damit zur Bil ^¬ dung eines hohen Feinanteils. Dieser kann bei der anschlie ^¬ ßenden Flotation, die der Trennung von Wertstoff und wertlosem Material (Gangart, Tailing) dient, häufig nicht mitgewon ^¬ nen werden, bzw. den Prozess sogar negativ beeinträchtigen. Wird die AufSchlusskorngröße hingegen überschritten, liegt das Mineral nicht vollständig frei vor, wodurch die Interak ^¬ tion zwischen Mineraloberfläche und den chemischen Agenzien reduziert bzw. verhindert wird. Dadurch kann der zu gewinnende Wertstoff bei der Flotation nicht hinreichend an den auf- steigenden Gasblasen anhaften und sich in der Schaumzone am Flüssigkeitsspielgel anreichern. Neben der Effizienz der Extraktion beeinflusst die Ausbringung bei der Flotation (Recovery) maßgeblich die Effizienz des Gesamtprozesses zur Gewinnung von Seltenen Erden. Je höher die Ausbringung an Seltenen Erden und damit die Anreiche- rung von Seltenen Erden im Konzentrat ist, desto geringer ist der Verlust an Wertstoff im Prozess. Derzeit sind Ausbrin ^¬ gungsraten an Seltenen Erden von 65% - 70% realisierbar. Somit werden allerdings auch 30% - 35 % der im Ausgangserz enthaltenen Seltenerdmaterialien nicht flotiert und gehen im Tailing verloren. Eine Ursache dafür ist die schlechte Flo- tierbarkeit feiner Werkstoffpartikel , insbesondere Partikel mit einer Korngröße unter 20 Mikrometer sind davon betroffen. Dies liegt vor allem an der geringen Kollisionseffizenz zwischen kleinen Partikeln und Gasblasen. Zudem erfordern kleine Partikelgrößen große Blasenoberflächen, um die WertstoffPartikel zu binden, was bei der herkömmlichen Flotation nur mit einem hohen Anteil sehr kleinen Gasblasenerreicht werden kann. Diese wiederum sind jedoch nicht geeignet, die größeren Wertstoffpartikel in die Schaumschicht zu transportieren, und sind zudem in der konventionellen Flotation (Rührwerks- oder mechanische Zellen; Säulenzelle) nur mit erheblichem Energie ^¬ aufwand herstellbar.

Um hierfür Abhilfe zu schaffen werden prinzipiell zwei Ansät- ze verfolgt. Der eine besteht in der Erhöhung der Werstoff- partikelgröße oder in der Reduzierung der Gasblasengröße. Zur Erhöhung der Partikelgröße dienen die selektive Flockung, die Koagulation und die hydrophobe Aggregation der Partikel. Die ^¬ se Verfahren benötigen Zusätze wie Polymere oder Elektrolyte und sind bereits in der industriellen Anwendung. Der Vorteil von zugegebenen Polymeren im Vergleich zu Elektrolyten besteht in der hohen Selektivität, sie binden lediglich die Werkstoffpartikel und nicht das wertlose Material. Allerdings kommt es häufig zu Einschlüssen von Gangmaterial (Tailing) in den Zwischenräumen der gebildeten Aggregate. Die Reduzierung der Gasblasengröße wird beispielsweise bei der Dissolved Gas Flotation, der Electroflotation und der Turbulent Microflotation verfolgt. Aufgrund der kleinen Gasblasen werden gerin- ge Auftriebsgeschwindigkeiten erreicht, wodurch die kleinen Partikel während der Aufwärtsbewegung haften bleiben können. Dies resultiert allerdings in großen Verweilzeiten des Wert ^¬ stoffs in der Flotationszelle. Außerdem können sich die ge- ringen Auftriebsgeschwindigkeiten negativ auf die Selektivität auswirken.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Ausbeute an mi ^¬ neralischen Wertstoffphasen, die fein verteilt in einem ge- mahlenen Erz vorliegen, gegenüber dem zum Stand der Technik gehörenden Flotationsverfahren zu verbessern.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Abtrennung einer definierten mineralischen Wertstoffphase aus einem gemahlenen Erz nach Anspruch 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 dient zur Ab ^¬ trennung einer definierten mineralischen Wertstoffphase, im Wesentlichen einer Phase eines Seltenerdminerals aber auch zur Abtrennung von anderen metallischen Erzen wie Kupfer aus einem gemahlenen Erz. Dabei weist das gemahlene Erz mehrere chemische Phasen auf und es liegt in einer heterogenen Korngrößenverteilung vor. Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte :

Zunächst wird das Erz klassiert, wobei ein Partikeldurchmes ^¬ ser definiert wird, und mindestens zwei Fraktionen erstellt werden, wobei die eine Fraktion Partikeldurchmesser aufweist, die im Wesentlichen größer als der definierte Partikeldurch- messer sind und die zweite Fraktion Partikel aufweist, die im Wesentlichen kleiner als der definierte Partikeldurchmesser ist. Der Begriff im Wesentlichen wird deshalb dazugefügt, da es großtechnisch nicht möglich ist, eine beliebige Trennung in zwei Fraktionen bei einem exakt diskreten Partikeldurch- messer zu erzeugen. Es ist nicht auszuschließen, dass in der Fraktion mit dem größeren Partikeldurchmesser auch Partikel enthalten sind, die nominell kleiner als der definierte Par ^¬ tikeldurchmesser sind und umgekehrt. Die Fraktion mit dem größeren Partikeldurchmesser wird einem herkömmlichen Flotationsprozess zugeführt und die minerali ^¬ schen Wertstoffpartikel werden selektiv in einem Flotations ^¬ konzentrat angereichert. Ferner werden die mineralischen Wertstoffpartikel in der zweiten Fraktion mit dem kleineren Partikeldurchmesser selektiv mit magnetisierbaren Partikeln (im Folgenden mit dem Überbegriff „Magnetit" bezeichnet, wo ^¬ bei auch andere geeignete ausreichend chemisch inerte magne ^¬ tische Werkstoffe als Magnetit Fe ₃ Ü ₄ verwendet werden kön- nen) ) versehen und anschließend einem Magnetseparationspro- zess unterzogen. Auch hier entsteht ein Konzentrat mit einer Anreicherung der definierten mineralischen Wertstoffphase, die jedoch in einem geringeren Partikeldurchmesser vorliegt. Im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem alle Partikel des gemahlenen Erzes über einen herkömmlichen Flotationsprozess konzentriert werden, liegt der wesentliche Punkt der vorlie ^¬ genden Erfindung darin, selektiv nach mindestens zwei Partikelfraktionen zu unterscheiden und die kleinere Partikelfrak- tion mit einem Magnetseparationsverfahren zu konzentrieren.

Im Vergleich zum herkömmlichen Flotationsprozess, bei dem die Gasblasengröße die selektierbaren Erzpartikel limitiert, kön ^¬ nen zum einen bei der Magnetseparation Magnetit-Partikel mit einem kleinen Durchmesser verwendet werden, wodurch die spe- zifische Oberfläche erhöht wird und damit mehr Oberfläche zur Anbindung des Wertstoffs zur Verfügung steht. Zum anderen können die beladenen kleinen Magnetit-Partikel mit einer höheren Trennleistung im Magnetfeld abgetrennt werden, als die kleinen Gasblasen bei der Flotation. Ein weiterer Vorteil der Magnetseparation besteht in der gezielten Steuerbarkeit der

Magnetitkorngrößenverteilung. So ist es im Vergleich zur Herstellung von Gasblasen einfacher die Größenverteilung des Magnetits hinsichtlich des abzutrennenden Wertstoffs maßzu- schneidern, wodurch die Ausbeute erheblich erhöht werden kann.

Weiterhin vorteilhaft an der Kombination aus Flotation und Magnetseparation in der Aufbereitung von Seltenen Erden ist die Gewinnung von zwei verschiedenen Tailing-Strömen . Die Tailing-Ströme aus der Magnetseparation die eher feine Parti ^¬ kel enthalten, enthalten in der Regel auch den Großteil an umweltschädlichen Substanzen wie beispielsweise Thorium oder Schwermetalle, da diese umweltschädlichen Substanzen eben- falls beim klassieren mitsepariert werden. Ist dies der Fall, so resultiert aufgrund der beiden getrennt gewonnenen Tai- lingströme ein deutlich geringerer Volumenbedarf für die Lagerung der kritischen Substanzen. In herkömmlichen Verfahren werden sowohl die feinen als auch die groben Erzpartikel der Flotation zugeführt, wodurch sich Ausbeuten von lediglich 65% - 70% erzielen lassen. Durch die erfindungsgemäße Kombination aus Flotation und Magnetsepara ^¬ tion lässt sich die Gesamtausbringung an Seltenen Erden je nach Erz und Lagerstätte signifikant (je nach Erz um 5~6

15%) erhöhen und damit die Effizienz der Aufbereitungsprozes- se positiv beeinflussen. Als Konsequenz kann damit der Abbau verschiedener Seltenerdlagerstätten wirtschaftlich rentabel werden, die bisher nicht in Betracht gezogen wurde.

In einer Ausgestaltungsform der Erfindung wird ein Tailing- strom, der beim Flotieren anfällt, zumindest teilweise dem Magnetseparationsprozess zugeführt. Es hat sich herausge ^¬ stellt, dass der Magnetseparationsprozess durchaus auch mit einem größerem Spektrum einer Korngrößenverteilung zurechtkommt, so dass Wertstoffpartikel bzw. Wertstoffphasen, die bei der Flotation nicht erfolgreich separiert werden konnten, in einem weiteren alternativen Verfahrensschritt noch einmal der Separation unterzogen werden können.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass der defi ^¬ nierte Partikeldurchmesser, der beim Klassieren eingestellt wird, kleiner als 70 Mikrometer ist. Insbesondere ist er kleiner als 50 Mikrometer. Hierbei wird insbesondere ein Hyd- rozyklon zur Klassierung eingesetzt. Andere Klassierverfahren wie Sieben, Spiralförderer etc. sind ebenfalls möglich. Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren auf minerali ^¬ sche Wertstoffpartikel aus den Reihen der Seltenen Erden angewandt. Unter dem Begriff Seltene Erden werden Verbindungen der Seltenerdelemente insbesondere deren Oxide aber auch Car- bonate und Phosphate verstanden. Unter dem Begriff Seltenerd ^¬ elemente werden insbesondere die sogenannten Lanthanoiden, u.a. Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Samarium. Europium, Gadolinium, Terbium. Dysprosium, Holmium, Erbium, Ytterbium und Lutetium verstanden, es werden jedoch wegen ihrer chemischen Ähnlichkeiten in diesem Fall hier auch das Yttrium und das

Scandium dazu gezählt. Seltene Erden sind wiederum Verbindungen von Seltenerdelementen, insbesondere deren Oxide und Phosphate . Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen und weiterte Merk ^¬ male der Erfindung werden anhand der folgenden Figur und Auflistung der folgenden Beispiele näher erläutert. Hierbei handelt es sich lediglich um Ausführungsbeispiele, die keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellen.

Dabei zeigt Figur 1 einen Prozess zur Separation eines mine ^¬ ralischen Wertstoffpartikels , also einem gemahlenen Erz unter Verwendung einer Kombination von Flotation und Magnetseparation .

Anhand der einzigen Figur wird im Weiteren beispielhaft eine Ausgestaltung des Verfahrens zur Abtrennung einer Wertstoffphase 2 aus einem gemahlenen Erz 4 beschrieben. Das Erz 4 wird nach einem herkömmlichen Verfahren gemahlen, wodurch zwangsläufig eine heterogene Korngrößenverteilung der einzel ^¬ nen Partikel auftritt. Der Mahlgrad und damit AufSchlussgröße bzw. -grad sind abhängig von der Lagerstätte bzw. den dort vorliegenden Phasengrößen der zu separierenden Werkstoffphase 2. Jedoch gibt es auch bei dieser Phasengröße der Wertstoff- phase 2 eine Verteilungskurve der Phasengröße, so dass es zweckmäßig ist, dass gemahlene Erz 4 in zwei Fraktion zu klassieren. Dies geschieht in einer Klassiervorrichtung 6, in der zum einen eine erste Fraktion 8 erzeugt wird, die eine Korngrößenverteilung aufweist, die im Wesentlichen größer als 50 Mikrometer ist. Ferner wird in der Klassiervorrichtung 6, die bevorzugt in Form eines Hydrozyklons ausgestaltet ist, eine zweite Fraktion 10 abgetrennt, die Partikelgrößen auf- weist, die im Wesentlichen unter 50 Mikrometer liegen. Grundsätzlich ist es möglich noch weitere Fraktionen herzustellen, die unterschiedlicher Korngrößenverteilungen aufweisen, wenn hierdurch der Selektionsprozess technisch optimiert werden kann .

Die erste Fraktion 8 mit dem größeren Partikeldurchmesser wird nun in eine Flotationsvorrichtung 11 gegeben, die einer herkömmlichen Flotationsvorrichtung entspricht. Bei der Flotation wird ein Flotationskonzentrat 12 erzeugt, das eine An- reicherung der Wertstoffphase 2 enthält. Je nach Flotations ^¬ verfahren und je nach Art und Beschaffenheit des gemahlenen Erzes ist die Ausbeute an Wertstoffphase 2 in dem Flotations ^¬ konzentrat unterschiedlich hoch. Deshalb kann es zweckmäßig sein, den Flotationsprozess 11 mehrfach ablaufen zu lassen.

Die zweite Fraktion 10 des gemahlenen Erzes 4 wird parallel dazueinem Magnetseparationsprozess zugefügt. Hierzu erfolgt zunächst einer chemischen Konditionierung 20 der Partikel der Fraktion 10, wobei die Konditionierung 20 an sich bekannt ist und daher auf diese hier nicht weiter eingegangen werden soll. Es sei nur gesagt, dass die Wertstoffpartikel mit se ^¬ lektiv wirkenden organischen Substanzen zusammengebracht werden, die sich auf die Oberfläche der Wertstoffpartikel legen, und somit ihre Oberflächeneigenschaften beeinflussen. Ferner wird beim Konditionieren ebenfalls oberflächenbehandelter

Magnetit (Fe ₃ 0 ₄ ) oder eine andere magnetische Phase zugefügt, die selektiv oberflächenbehandelte Wertstoffpartikel 2 anla ^¬ gern. In einem nachgeschalteten Magnetseparationsreaktor 15 werden die aus Magnetit-Partikel 14 und den Wertstoff-Par- tikeln 2 bestehenden Partikelagglomerate abgetrennt. Hierbei fällt ein Tailing-Strom 19 an, der ein weiteres Mal dem Magnetseparationsprozess zugeführt werden kann. Dies ist davon abhängig, wie hoch die Ausbeute an WertstoffPartikeln nach dem ersten Separationsprozess im Separationsreaktor 15 ist. Nach dem Separieren der Magnetitpartikel von der zweiten Fraktion 10 werden die Magnetitpartikel 14, die mit den Wert ^¬ stoffPartikeln 2 verbunden sind, in einer Trennvorrichtung wieder von den WertstoffPartikeln 2 getrennt, so dass auf der einen Seite ein Magnetseparationskonzentrat 16 mit Wertstoff ^¬ partikeln 2 anfällt, auf der anderen Seite werden die Magnetitpartikel 14 zurückgewonnen und wieder dem Konditionier- vorgang 20 zugefügt.

Es hat sich bei verschiedenen Erzen als zweckmäßig herausge ^¬ stellt, einen Tailing-Strom 18, der bei der Flotation 11 anfällt ebenfalls dem Magnetseparationsprozess zuzufügen, wenn dieser noch einen ausreichend hohen Anteil an Wertstoffparti- kein 2 enthält. Dies bedeutet natürlich im Gegenzug, dass in diesem Fall die Ausbeute der Flotation 11 noch nicht befrie ^¬ digend war. Es hat sich herausgestellt, dass die Magnetsepa ^¬ ration 15 gegenüber einer breiteren Korngrößenverteilung weniger anfällig ist als die Flotation 11. Grundsätzlich kann jedoch auch der Tailing-Strom 18 in Form von 18 ^λ verworfen werden und auf einer entsprechenden Deponie endgelagert werden bzw. es können auch hier weitere alternative Wertstoff ^¬ partikel separiert werden. Es hat sich ferner herausgestellt, dass umweltkritische Sub ^¬ stanzen in dem gemahlenen Erz 4, insbesondere radioaktive Partikel wie Uranoxid oder Thoriumdioxid, ebenfalls sehr fein verteilt in dem gemahlenene Erz 4 vorliegen, weshalb ein Großteil dieser umweltschädlichen Substanzen in der zweiten Fraktion 10 angesammelt sind. Diese bleiben dann im Tailing- Strom 19 übrig und können separat vom Tailing-Strom 18 endgelagert werden. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da der Tailing-Strom 19, der aus der Magnetseparation resultiert verglichen mit dem Tailing-Strom 18 bzw. Tailing-Strom 18 der aus dem Flotationsprozess entsteht, das verhältnismäßig geringere Volumen aufweist. Wenn in diesem Tailing-Strom 19 die Anreicherungen an umweltschädlichen Substanzen größer ist, kann dieser vergleichsweise kleine Tailing-Strom separat auf einer hierfür ausgewiesenen Deponie gelagert werden, so dass die umweltschädlichen Produkte die beim Abbau von Sel ^¬ tenerdelementen anfallen, in einer kleineren Fraktion getrennt aufbewahrt werden können, was die Umweltbelastung deutlich reduziert.