The beneficiation of rare earth element-bearing minerals

Jordens, Adam; Jordens, Adam

Thesis

The beneficiation of rare earth element-bearing minerals

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Creator

Jordens, Adam

Contributors

Kristian Waters (Supervisor)

Abstract

English

Rare earth elements (REE) comprise the fifteen elements of the lanthanide series as well as yttrium, and may be found in over 250 different minerals. These elements are required for many different applications such as high-strength permanent magnets, catalysts for petroleum refining, metal and glass additives and phosphors used in electronic displays. REE are abundant in the earth's crust, yet deposits with economically extractable concentrations are much less common. This thesis examines the separation techniques that are currently employed for REE bearing mineral (REM) beneficiation, identifies areas in need of further research, employs characterisation techniques to examine fundamental properties of certain REM, and then applies this knowledge to the beneficiation of the Nechalacho REE deposit in the Northwest Territories of Canada.In order to build up the knowledge of the physicochemical properties of important REM, pure samples of minerals such as bastnäsite, allanite, fergusonite and zircon were acquired along with common gangue minerals in the Nechalacho deposit such as magnetite, hematite and quartz. After characterisation experiments were completed for each of these minerals, lab-scale separation experiments were conducted on a bulk sample from the Nechalacho deposit involving a series of gravity and magnetic separations. A pre-concentration flowsheet was then selected with the resultant product being used for downstream flotation experiments. As the feed sample for flotation was concentrated in many REM, it provided an excellent opportunity for assessing flotation kinetics of these minerals in a multi-mineral system as well as investigating different reagent additions which may be applicable to the development of an industrial flotation process.The major findings from characterisation experiments include the verification of the paramagnetism of REM, the identification of hydroxamates as an ideal flotation reagent for the concentration of bastnäsite from silicate gangue as well as the finding that hydroxamates are not suitable for the flotation of allanite, a silicate REM. Additional work was undertaken to develop a means of floating allanite using alternative reagents such as dodecylamine and the addition of metal ion activators. The concentration of REM from the Nechalacho deposit using physical separation was successfully achieved using a Knelson centrifugal gravity separator and a low intensity magnetic drum separator. The resultant product had a grade of 7.50 wt. % rare earth oxide (REO) and a REO recovery of 11.8 %. An additional finding from this work was that the concentration of the most valuable heavy REE is upgraded in the coarse size fractions after grinding to a P80 of 40 µm.Subsequent ore flotation experiments using this material found that the kinetics of REM flotation from this deposit using hydroxamates are strongly dependent on mineral solubility and metal cation content. Additionally, the addition of lead cations to this system improves the recovery of less floatable REMs such as allanite, and the staged addition of hydroxamates results in improved REM grade and recovery.The implications of this research work includes an improved understanding of fundamental REM properties as well as multiple strategies for improving industrial process designs for the Nechalacho deposit. Implementing selective comminution strategies to upgrade the concentration of the most valuable REE could have a profound effect on any future process by providing a simple means of beneficiation as well as minimizing energy losses in overgrinding. Two different flotation reagent strategies have been investigated with different outcomes. The staged addition of hydroxamate targets REM with rapid flotation kinetics whereas the addition of lead ions is able to improve the recovery of REM with slower flotation kinetics. These reagent schemes may have applications in different stages of an industrial flotation process.

French

Les éléments des terres rares (ETR) comprennent les quinze éléments de la série des lanthanide ainsi que l'yttrium. Ces éléments se retrouve dans plus des 250 minéraux et sont requis dans plusieurs applications technologiques telles les puissants aimants permanents, les catalyseurs pétrochimiques, les additifs pour le métal et le verre ainsi que les luminophores dans les affichages électroniques. Cette thèse examine donc les techniques de séparation actuellement utilisées dans la purification des ETR, elle identifie les domaines où il y a un manque de connaissance, elle emploie différentes techniques de caractérisation des propriétés fondamentales de certains ETR et finalement elle applique cette connaissance à la purification des ETR provenant du dépôt Nechalacho au Territoires du Nord-Ouest.Afin d'améliorer la connaissance des propriétés physicochimiques des minéraux importants contenant des ETR (METR), des échantillons purs de minéraux tels la bastnaésite, l'allanite, la fergusonite et le zircon ont été obtenus ainsi que des échantillons de gangue commune dans le dépôt Nechalacho tels que la magnétite, l'hématite et le quartz. Les propriétés magnétiques de chaque minéraux ont été analysés de même que la chimie de surface de la bastnaésite et de l'allanite en présence de réactifs de flottation. Ensuite, des expériences de séparation gravimétrique et magnétique en laboratoires ont été conduites sur un échantillon en vrac provenant du dépôt Nechalacho. Après l'analyse des résultats de la séparation, un schéma de procédé de pré-concentration a été choisi et le produit de ce schéma a été utilisé pour des expériences de flottation. L'alimentation des tests de flottation étant un concentré de METR, la cinétique de flottation a été analysée de même que l'effet de différents réactifs potentiellement applicable au développement d'un procédé industriel spécifique à ce dépôt.La séparation physique des METR provenant du dépôt Nechalacho a été réalisée avec succès par l'utilisation d'un séparateur centrifuge Knelson et d'un séparateur à tambour magnétique à faible intensité. Le concentré produit a une teneur en oxydes de terres rares (OTR) de 7.50 % (par masse) avec une récupération de 11.8 %. Un autre découverte de ce travail est que les ETR ayant la plus grande valeur économique sont concentrés dans la fraction grossière après un broyage à 80 % passant (P80) 40 µm.Des expériences de flottation de ce produit avec l'utilisation de réactifs hydroxamates ont permis d'établir que la cinétique de flottation des METR de ce dépôt est fortement influencée par la solubilité des minéraux présents ainsi que par la concentration de cations métalliques dans la solution.L'addition de cations de plomb à ce système a amélioré la récupération des METR les moins propices à la flottation tels l'allanite. Quand à elle, l'addition par étape d'hydroxamates lors de la flottation améliore la teneur du concentré et la récupération des METR.L'implication de ces travaux de recherches inclus l'amélioration de la compréhension des propriétés fondamentales des METR ainsi que des multiples stratégies d'amélioration du procédés de traitement du dépôt Nechalacho. L'implantation d'une comminution sélective améliorant la teneur des ETR ayant la plus grande valeur économique pourrait avoir un impact important en considérant l'augmentation de teneur qu'elle pourrait fournir ainsi que la réduction des pertes d'énergie dues à un surbroyage. Finalement, deux réactifs de flottation on été testés, chacun fournissant un résultats différents. L'addition par étape d'hydroxamate cible les METR avec un flottabilité rapide alors que l'addition d'ions de plomb améliore la récupération de METR avec une flottabilité plus lentes. Cette recette de réactifs pourrait avoir plusieurs applications dans différentes étapes du procédé de flottation industriel.

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