Seltene Erden – Aufbereitung und Separation in der Praxis

Technischer Hintergrund – Geologie, Aufbereitung, Separation

Seltene Erden treten im Gestein fast nie als eigenständige Metalle auf, sondern ausschließlich gebunden in komplexen Phosphaten, Karbonaten oder Silikaten. Für die industrielle Gewinnung relevant sind im Wesentlichen vier Mineralgruppen: Bastnäsit ((Ce,La)(CO₃)F), Monazit ((Ce,La,Nd,Th)PO₄), Xenotim (YPO₄) sowie Loparit ((Na,Ce,Ca)(Ti,Nb)O₃). Die mineralogische Struktur bestimmt nicht nur den Gehalt, sondern vor allem den späteren chemischen Aufwand. Karbonatminerale lassen sich vergleichsweise mild aufschließen, Phosphate erfordern aggressive Säuren und erzeugen radioaktive Rückstände durch Thorium- und Uranbegleiter.

Die wirtschaftlich bedeutendsten Lagerstätten gehören drei genetischen Typen an.
Karbonatite entstehen aus CO₂-reichen Magmen und liefern große Tonnagen leichter Seltenen Erden bei relativ homogenem Mineralbestand. Schwermineralseifen sind sekundäre Anreicherungen, in denen Monazit und Xenotim mechanisch konzentriert wurden; sie sind technisch einfach abzubauen, aber radiologisch anspruchsvoll. Ionenadsorptionstone bilden sich durch tropische Verwitterung granitischer Ausgangsgesteine. Dort sitzen Seltene Erden nur schwach an Tonminerale gebunden und können mittels Ammoniumsulfat-Laugung gelöst werden. Diese Lagerstätten enthalten den Großteil der global verfügbaren schweren Elemente.

Der Aufbereitungsprozess beginnt konventionell: Zerkleinerung, Mahlen und physikalische Trennung. Je nach Mineral kommen Flotation, Magnetscheidung, Dichtetrennung und elektrostatische Verfahren zum Einsatz. Ziel ist ein Konzentrat mit typischerweise 30–70 % REO (Rare Earth Oxides). Ab diesem Punkt verlässt die Gewinnung den klassischen Bergbau und wird zu hydrometallurgischer Verfahrenstechnik.

Beim chemischen Aufschluss werden Bastnäsitkonzentrate meist geröstet und anschließend mit Salzsäure gelaugt. Monazit wird entweder alkalisch mit Natronlauge gespalten oder mit konzentrierter Schwefelsäure umgesetzt. Beide Wege erzeugen große Mengen an Nebenprodukten, darunter Phosphate, Fluoride sowie thoriumhaltige Rückstände. Die resultierende Lösung enthält noch alle Seltenen Erden gemeinsam — chemisch nahezu identisch und daher schwer zu trennen.

Die Separation erfolgt über mehrstufige Lösungsmittel-Extraktion. Organische Phosphorverbindungen (z. B. D2EHPA oder HEHEHP) binden selektiv einzelne Lanthanoide abhängig von deren Ionengröße. In hunderten hintereinandergeschalteten Mixer-Settler-Stufen verschiebt sich das Gleichgewicht minimal pro Schritt. Aus einer gemeinsamen Lösung entstehen so sukzessive Fraktionen: zunächst Cer-/Lanthan-reiche Ströme, danach Neodym-/Praseodym-Konzentrate und zuletzt dysprosium- bzw. terbiumhaltige Schwerfraktionen. Die technische Schwierigkeit liegt weniger in der Chemie als in der Stabilität: Temperatur, pH-Wert, Oxidationszustand und Spurverunreinigungen müssen über Wochen konstant bleiben.

Anschließend werden die getrennten Lösungen als Oxalate gefällt und zu hochreinen Oxiden kalziniert. Für Magnetanwendungen folgt eine metallothermische Reduktion, meist mittels Calcium oder Elektrolyse in Fluoridschmelzen. Erst danach beginnt die eigentliche Werkstoffmetallurgie – Legierungsbildung, Pulverherstellung und Sintern der Nd-Fe-B-Magnete unter Vakuum.

Der gesamte Prozess ist energie- und chemikalienintensiv. Pro Tonne Oxid entstehen je nach Lagerstättentyp mehrere Tonnen Rückstände. Besonders kritisch sind thoriumhaltige Schlämme aus Monazit sowie ammoniumreiche Laugen aus Ionenadsorptionstonen. Entsprechend hoch sind Anforderungen an Tailings-Management und Wasseraufbereitung; sie bestimmen maßgeblich die Betriebskosten.

Recycling folgt technisch ähnlichen Prinzipien, beginnt jedoch mit komplexeren Eingangsmaterialien. Bei Permanentmagneten werden zunächst Beschichtungen entfernt, anschließend erfolgt Wasserstoffversprödung oder mechanisches Zerkleinern. Danach wird das Material in Säuren gelöst und erneut über Lösungsmittel-Extraktion getrennt. Der Vorteil liegt im hohen Gehalt, der Nachteil in Legierungszusätzen und Beschichtungsmetallen, die zusätzliche Reinigungsschritte erfordern.

Die technische Realität der Seltenen Erden ist damit weniger ein Bergbauproblem als eine kontinuierlich laufende chemische Präzisionsindustrie. Wirtschaftlich entscheidet nicht die Förderrate, sondern die Fähigkeit, über lange Zeit stabile Trennfaktoren im Mikrometerbereich zu kontrollieren. Genau dort entsteht der größte Teil der Wertschöpfung — und der größte Teil des Risikos.

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