Por: Daniel E. Lazo Martínez, docente de la Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann.

Resumen

Los elementos de tierras raras (REE, por su sigla en inglés) han cobrado mucha importancia en todo el mundo en los últimos años. Los REE han sido reconocidos como materias primas “estratégicas” para el desarrollo de nuevas tecnologías. Los REE son un grupo de metales (de los lantánidos) y otros dos metales: escandio (Sc) e itrio (Y).

Desde los años 90, China es el principal productor y posee las mayores reservas mundiales. El gobierno chino anunció una cuota de exportación de REE en 2009, porque quería retenerlos para su propio mercado. Para ello, aumentó los impuestos a la exportación. El efecto fue una fuerte subida de los precios en el mercado mundial, a esto se ha denominado la crisis de las tierras raras. 

En enero de 2015, las autoridades chinas comunicaron su decisión de revocar su cuota de exportación de REE, aunque existen dudas sobre cuánto tiempo se mantendrá esta política. Varios países, como Estados Unidos de América, Australia y Rusia, están invirtiendo en nuevos proyectos de tierras raras para aumentar su cuota en el mercado mundial.

Palabras clave: minerales, tierras raras, monazita, xenotimo, bastnaesita.

Introducción

Los REE son un grupo de metales (de los lantánidos): prometio (Pm), lutecio (Lu), iterbio (Yb), tulio (Tm), holmio (Ho), terbio (Tb), europio (Eu), gadolinio (Gd), samario (Sm), erbio (Er), disprosio (Dy), praseodimio (Pr), neodimio (Nd), lantano (La), cerio (Ce) y otros dos: escandio (Sc) e itrio (Y). Topp (1965) mencionó que el itrio y el escandio son los precursores del grupo de los lantánidos. El torio (Th) y el uranio (U) no son REE, pero aparecen en varios de sus minerales y, debido a su toxicidad, deben mencionarse.

Desde la década de 1990, China ha sido el principal productor y cuenta con las reservas más importantes a nivel mundial. Debido a varias ventajas como leyes medioambientales benignas, apoyo gubernamental, mano de obra y materiales baratos, China puede competir con gran ventaja contra otros productores globales. 

China limitó la exportación de tierras raras en 2009, con la intención de retenerlas para su propio mercado. Esto se consiguió aumentado los derechos de exportación, que eran originalmente del 10%, pero pasaron del 15% al 25% en 2011. El efecto fue una fuerte subida de los precios de las REE en el mercado mundial, lo que se denominó la crisis de las tierras raras.

En enero de 2015, las autoridades chinas comunicaron su decisión de revocar su cuota de exportación, aunque existe la preocupación de cuánto tiempo se mantendrá esta política. Varios países como EE.UU., Australia y Rusia están invirtiendo en nuevos proyectos de tierras raras para aumentar su participación en el mercado mundial. 

Clasificación

Las REE se clasifican generalmente en dos subgrupos, los elementos ligeros de tierras raras (LREE) o grupo del cerio (lantano a europio) y los elementos pesados de tierras raras (HREE) o grupo del itrio (itrio, gadolinio a lutecio). Todos los REE se pueden encontrar estables en la naturaleza, excepto el prometio, que se produce por desintegración radiactiva en las centrales nucleares. El escandio tiene propiedades muy distintas a las de los lantánidos, por lo que, aunque es un REE, no está incluido en las clasificaciones LREE ni HREE.

Geología de los minerales tierras raras

Kamitani (1991) estableció una clasificación de los tipos principales de depósitos de tierras raras (ver Tabla 1). Los depósitos dominantes se dividen en sedimentarios, ígneos y secundarios. La Figura 1 muestra la distribución mundial según la clasificación.

Las tierras raras están dispersas en una amplia gama de clases minerales como silicatos, fosfatos, óxidos, carbonatos, haluros, etc. Como resultado del estado de oxidación trivalente y los grandes radios iónicos, los iones de tierras raras en los minerales poseen grandes números de coordinación (c.n.) 6 - 10 por aniones (OH, O, F). Los HREE y el Y llenan sitios de 6-8 c.n. y una parte de los fosfatos y son copiosos en los óxidos. Los LRRE tienden a llenar sitios más grandes de 8 - 10 c.n. y se concentran en fosfatos y carbonatos (Kanazawa & Kamitani, 2006).

Minerales de tierras raras

Existen 84 minerales de tierras raras y 159 minerales potencialmente portadores de tierras raras. Sin embargo, solo algunos se han identificado en cantidades significativas en yacimientos minerales económicos: bastnaesita, monazita, xenotimo y arcillas de absorción iónicas.

La principal fuente industrial de LREE es la bastnaesita (la segunda fuente industrial es la monazita), que contiene un 67% a 73% de óxido de tierras raras (REO).  La clave crucial para obtener concentrado de bastnaesita se basa en la separación entre los minerales de bario y los de bastnaesita y calcio. Los yacimientos de bastnaesita más importantes son los de Mountain Pass (California, EE.UU.) y Bayan Obo (Mongolia Interior, China). 

La mayoría de los HREE se obtienen de las arcillas de absorción iónica de tierras raras (la segunda fuente industrial es el xenotimo), que se descubrió por primera vez en la provincia China de Jianxi en 1969.

En 2017, las reservas mundiales probadas totales de óxido de tierras raras (TREO) alcanzaron aproximadamente 120 Mt distribuidas principalmente entre China, Brasil, Vietnam y Rusia, con reservas de 44 Mt, 22 Mt, 22 Mt y 18 Mt, respectivamente. 

Monacita

La monazita tiene una fórmula química CePO₄.El nombre tiene un origen griego «monazeis» que significa «estar solo», debido a que los cristales de monacita están aislados y al hecho de que era escasa cuando se descubrió. Además. La monacita es principalmente LREE como Sm, Nd, Pr, Ce y La. La adición del sufijo (La, Nd, Ce o Pr) es para indicar los REE que aparecen con más frecuencia. El U y el Th suelen estar presentes, aunque las cantidades son tan bajas que su extracción como subproducto no es económicamente viable.

Xenotimo

El nombre xenotimo tiene su origen en el griego «xenos» - «extranjero» y «time» - «honor». La fórmula química común es YPO₄. El xenotimo suele contener cantidades apreciables de HREE (Y, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb y Lu). El xenotimo suele tener disprosio, gadolinio, erbio e iterbio y cantidades menores de terbio, lutecio, tulio y holmio. También puede contener U y/o Th y, dependiendo de la concentración, puede considerarse un subproducto o una plaga.

En cuanto a los actínidos, la monazita tiende a concentrar torio, mientras que el xenotimo tiende a concentrar uranio, aunque puede absorber una cantidad considerable de torio.

Bastnaesita

La bastnasita fue mencionada por primera vez por Wilhelm Hisinger como «base-flúor-cerio», procedente de la mina de Bastnas, cerca de Riddarhyttan, Suecia. La fórmula general de la bastnasita es (CeCO₃)F. El mineral de bastnasita contiene regularmente los LREE como lantano, cerio, neodimio y praseodimio. El Y, de las HREE, solo se encuentra con frecuencia en la bastnaesita. La adición del sufijo Y, Nd, La o Ce se realiza actualmente antes de nombrar para ilustrar el REE dominante.

La bastnaesita, que no tiene Th ni U, sustituyó a la monacita como fuente más importante de LREE. Se encuentra en diferentes rocas ígneas como pegmatitas, rocas metamórficas de contacto, depósitos de vetas y carbonatitas. Los principales depósitos de mineral se asocian principalmente a intrusiones carbonatadas y las carbonatitas se encuentran sobre todo en afinidad con intrusivos alcalinos.

Arcillas de adsorción iónica

Los depósitos de arcillas de tierras raras de adsorción iónica se extienden por una enorme zona del sur de China, básicamente en la región de Nanling. Las rocas huésped más típicas de los depósitos de adsorción iónica son las graníticas. Bajo la influencia de las temperaturas cálidas y el clima húmedo de las regiones subtropicales, estos granitos han sido sometidos a una potente meteorización biológica y química, en la que los iones REE se adsorbieron principalmente en la superficie de los minerales arcillosos. Por lo tanto, los depósitos de arcilla REE se formaron por adsorción de iones.

El cuarzo, los minerales de arcilla y otros minerales formadores de rocas son los componentes más importantes del mineral de arcilla adsorbente de iones. 

Se deben de cumplir dos requisitos principales en la formación de los depósitos de arcillas de adsorción de iones:

1. Debe tener suficiente cantidad de roca huésped portadora de tierras raras.

2. Los procesos lateríticos o de meteorización deben darse durante un largo periodo y se debe haber evitado la erosión.

Mayores yacimientos de tierras raras

Bayan Obo, Inner Mongolia, China

Mongolia interior es una región autónoma de Chica, fronteriza con Mongolia y Rusia (Figura 1). Es una ciudad minera de la provincia. El nombre Bayan Obo también se escribe como Baiyun-obo o Baiyun ebo. 

Este yacimiento, no solo contiene minerales de REE, sino también tiene presente una importante mineralización de hierro (Fe) y de niobio (Nb). Las reservas de mineral son aproximadamente 1,500 millones de toneladas métricas de hierro con una ley media de 35%, un millón de toneladas de mineral de niobio con una ley media del 0.13% y al menos 48 millones de toneladas de óxidos de tierra raras con una ley media de 6%. El yacimiento se descubrió en 1927 y la extracción, no de REE o Nb sino de hierro, comenzó en 1957.

Mount Pass, California, EE.UU.

Durante mucho tiempo, el principal yacimiento de tierras raras fue el de Mountain Pass (Figura 1). La prospección geológica de la zona comenzó ya en 1861, pero el descubrimiento más importante, del rico yacimiento de REE, se hizo mucho más tarde. La veta contenía una gran cantidad de un mineral de color marrón claro, identificado como bastnaesita. Al encontrar muchas otras vetas en la zona, se llegó a la conclusión de que una gran cantidad de bastnaesita, asociada con algunos minerales de torio, debía estar presente en la zona.

Mount Weld, Western Australia, Australia

Mount Weld este situado a 35 km al sur de Laverton, en Western Australia (Figura 1). El yacimiento de elementos de tierras raras se descubrió en 1988, pero no se explotó durante mucho tiempo porque China suministraba REE a precios bajos. Cuando se produjo la llamada crisis de los REE en 2009, Lynas Corporation, la empresa propietaria del yacimiento decidió explotarlo.

Los minerales ígneos primarios que contienen REE son apatita y monacita principalmente. Los minerales secundarios que contienen REE son la churchita y minerales del grupo de la plumbogummita.

Aplicaciones de las REE

Las aplicaciones de los REE abarcan muchos ámbitos de la industria, principalmente aditivos para vidrio, fósforos, catalizadores para automóviles, imanes, aleaciones para baterías, craqueo catalítico fluido y baterías de óxido metalúrgico. Los REE se utilizan en aplicaciones críticas de defensa: sistemas de comunicación, sistemas de defensa antimisiles, motores de aviones de combate y sistemas de guiado de misiles. Los televisores en color y otros sistemas de visualización utilizan fósforo rojo que debe producirse utilizando óxidos de gran pureza (más del 99.99%) de terbio, europio e itrio. 

Los imanes permanentes de tierras raras (aleaciones Sm-Co y aleaciones Nd-Fe-B) tienen un rendimiento notablemente superior al de los imanes tradicionales, lo que permite aplicaciones en la generación de energía. La adición de REE ayuda a purificar el metal fundido o aleación mediante la eliminación de impurezas nocivas (azufre y oxígeno), cambiando la distribución y la configuración de las impurezas, haciendo los granos más finos y disminuyendo la cantidad y el tamaño de las inclusiones. El aumento de la capacidad de las unidades de craqueo de petróleo entre un 20% y 30% y el aumento de la conversión de la gasolina en un 10% se puede lograr mediante la adición de REE a los catalizadores de craqueo de fluidos.  

Los REE han desempeñado un papel destacado en la fabricación de superaleaciones, medicamentos, catalizadores, imanes permanentes, etc., así como en las nuevas tecnologías, desde los satélites a los teléfonos inteligentes. Varias aplicaciones de los REE, debido a la reactividad química y las estructuras cristalinas, incluyen el pulido, la decoloración/coloración, la clarificación del vidrio y los pigmentos cerámicos. El Y se utiliza ampliamente en aleaciones, dispositivos médicos, superconductores, láseres y granates. El Pr se emplea en aleaciones para motores de aviones, fibra óptica, máquinas de tomografía axial computarizada (TAC).

Conclusiones

1. Los elementos de tierras raras (REE) son un grupo de metales que tienen un papel fundamental en las nuevas tecnologías. Hace más de una década no se veían la importancia de estos elementos. Actualmente, están presentes en muchos productos que usualmente usamos como teléfonos inteligentes, tabletas, televisores, etc.

2. La explotación de tierras raras a nivel del continente americano es muy limitada. El único yacimiento explotado es el de Mount Pass, California (EE.UU.). En la zona de Concepción (Chile) hay una planta piloto de arcillas de adsorción iónica y varios proyectos en Brasil. 

3. El desafío actualmente en nuestro país es encontrar yacimientos que sean económicamente viables para ser explotados. Asimismo, si se dan las condiciones, producir artículos con valor agregado y no solo exportar concentrados.

Bibliografia

Balachandran, G. 2014. Extraction of rare earths for advanced applications. Industrial Processes. Elsevier. Vol 3B: 1291-1340.

Dawson J.B. in: Tuttle, O.F. Gittins, J. 1966. Carbonatites. John Wiley and Sons Ltd., New York. Pp 155 – 168.

Den, Z., Guillin, J. 1988. Coll. Geolo. Pp 39 – 48.

Frik, Els. 2015. Just when you thought rare earth prices couldn't fall any further. http://www.mining.com/just-when-you-thought-rare-earth-prices-couldnt-fall-any-further-60802/

Folger, T. 2011. The secret ingredients of everything. National Geographic Magazine. June: 6-11

Geoscience Australia. 2016. Rare earth elements. http://www.ga.gov.au/scientific-topics/minerals/mineral-resources/rare-earth-elements

Goodenough, K., Wall, F., Merriman, D. 2017. The rare earth elements: demand, global resources and challenges for resourcibg future generations. Natural Resouces Research. 

Gupta C.K. Krishnamurthy, N. 2005. Extractive Metallurgy of the Rare Earths. CRC Press. Boca Raton.

Hoatson D., Jaireth, S., Miezitis, Y. 2011. The major rare earth earth element deposits of Australia: geological settings, exploration and resources. Geosci Aust 204 p.

Jackson, W. and Christiansen, G. 1993. International strategic minerals inventory summary report - Rare earths oxides.US. Geological Survey Circular 930-N, US. Geological Survey Map Distribution. Denver, CO. 

Kamitani, M. 1991. Proceedings of International Conference on Rare Earth Minerlas and Minerals for electronic uses. Pp. 181 – 191.

Kamitani, M., Hirano,H. 1990. Bull. Geolo. Survey Jpn. 41. 631 – 640.

Kanazawa, Y. Kamitani, M. 2006. Rare earth minerals and resources in the world. Journal of Alloys and Compounds. 408 -412. Pp. 1339 – 1343.

Kumar, J., Jha, M., Kumari, A., Panda, R., Kumar, R., J. 2014. Recovery of rare earths metals (REMS) from primary and secondary resource: a review. Rare metal technology: 81-88.

Lottermoser, B. 1990. Rare earth element mineralisation within the Mount Weld carbonatite laterite. Western Australia Lithos 24: 151 – 167.

Orris, G. Grauch, R. 2002. Rare earth element mines, deposits and occurrences. USGS open file report 02 189.

Paulick, H., Machacek, E. 2017. The global rare earth exploration boom: An analysis of resources outside of China and discussion of development perspectives. Resources Policy, (52):134-153.

Simandl, G. 2014. Geology and market-dependent significance of rare earth element resources. Miner Deposita.

Spedding, F. 1978. Prologue. Handbook on the physics and chemistry of rare earths. Gschneidner K., and Eyring, L. Holland, Elsevier.

Topp, N. E. 1965. The chemistry of rare-earth elements, Elsevier Publishing Company.

Vocken, J.H.L. 2016. The Rare Earth Elements An introduction. Springer,

Wu, C., Huang, D., Guo, Z. 1989. Sinica 4. Act Geol. pp. 349 – 362.

Yang, Z. 1987. Sinica 1. Sci. Geolo. Pp. 70 – 80.

Zhang, J., Zhao, J., Schreiner, B. 2016. Separation hydrometallurgy of rare earth elements. Springer.