Estrazione delle terre rare

L’estrazione delle terre rare si riferisce all’insieme dei processi fisici e chimici necessari a separare le miscele naturali di elementi delle terre rare nei singoli componenti puri. Sebbene questi elementi non siano particolarmente rari dal punto di vista geologico, la loro estrazione rappresenta una sfida tecnologica rilevante, poiché presentano proprietà fisico-chimiche molto simili tra loro, che rendono difficile una separazione selettiva ed efficiente.

A differenza di altri metalli, le terre rare non si trovano generalmente in forma elementare, ma sono disperse in minerali complessi e spesso associate tra loro, rendendo necessario un trattamento chimico articolato per ottenere prodotti di elevata purezza.

La complessità del processo estrattivo non risiede tanto nella fase mineraria, quanto soprattutto nelle operazioni di concentrazione, lisciviazione e raffinazione, che richiedono trattamenti multipli e un elevato controllo chimico. Per questo motivo, l’estrazione delle terre rare è storicamente stata un’attività ad alta intensità tecnologica, sviluppatasi in parallelo con il progresso della chimica dei processi e dell’ingegneria chimica.

Minerali contenenti terre rare

Le terre rare vengono comunemente suddivise in elementi delle terre rare leggere (LREE) ed elementi delle terre rare pesanti (HREE). Questa classificazione non è legata al peso atomico in senso stretto, ma riflette differenze nella struttura elettronica, nel comportamento chimico e nella distribuzione geologica degli elementi.

Terre rare leggere (LREE)

Le terre rare leggere (LREE) sono generalmente più abbondanti in natura e si trovano prevalentemente in giacimenti di roccia dura, spesso associati a carbonatiti e rocce alcaline. La loro maggiore disponibilità relativa si riflette in costi di estrazione e prezzi di mercato inferiori rispetto alle terre rare pesanti.

Questo gruppo comprende lantanio (La), cerio (Ce), praseodimio (Pr), neodimio (Nd), promezio (Pm) e samario (Sm). Tra questi, neodimio e praseodimio rivestono un ruolo particolarmente rilevante dal punto di vista industriale, poiché sono impiegati nella produzione di magneti permanenti ad alte prestazioni, fondamentali per numerose tecnologie energetiche ed elettroniche. Dal punto di vista minerario, le LREE sono estratte principalmente da bastnasite e monazite.

Terre rare pesanti (HREE)

Le terre rare pesanti (HREE) sono generalmente meno abbondanti e più difficili da concentrare, poiché tendono a essere disperse in minerali complessi o in depositi secondari. La loro rarità e l’elevata difficoltà di separazione le rendono materiali strategici e critici.

Gli HREE includono gadolinio (Gd), ittrio (Y), olmio (Ho), erbio (Er), tulio (Tm), itterbio (Yb) e lutezio (Lu). Elementi come terbio (Tb) e disprosio (Dy) sono particolarmente preziosi per il loro contributo al miglioramento delle prestazioni termiche e magnetiche dei materiali avanzati.

Il principale minerale industriale per le HREE è lo xenotime.

Minerali di maggiore importanza economica

Nonostante l’elevata varietà di minerali contenenti terre rare, l’estrazione commerciale su larga scala si concentra principalmente su un numero limitato di fasi mineralogiche. A livello globale, le principali miniere sfruttano soprattutto:

-bastnasite, ricca in LREE e caratterizzata da una buona lavorabilità industriale;

-monazite, importante fonte di LREE ma associata a problematiche radiologiche;

-xenotime, una delle principali fonti di HREE e ittrio.

Questi minerali rappresentano il punto di partenza dei processi estrattivi industriali, dai quali dipendono le successive fasi di separazione e raffinazione delle terre rare.

Metodi di estrazione delle terre rare

L’estrazione delle terre rare può avvenire attraverso miniere a cielo aperto, miniere sotterranee oppure mediante lisciviazione in situ, a seconda della tipologia del giacimento, della mineralogia e delle condizioni geologiche locali. In generale, i metodi estrattivi impiegati presentano molte analogie con quelli utilizzati per altri metalli, ma risultano più intensivi in termini di risorse e trattamenti successivi.

Estrazione a cielo aperto e sotterranea

Nel caso di giacimenti di roccia dura, l’estrazione viene condotta tramite miniere a cielo aperto o, in alternativa, miniere sotterranee, utilizzando sistemi convenzionali con escavatori e pale meccaniche. Le fasi principali del processo includono:

-rimozione dello strato di copertura;
–estrazione del minerale;
–frantumazione e macinazione;
–separazione e concentrazione delle fasi contenenti terre rare.

Il concentrato ottenuto dopo la fase di separazione può contenere circa il 30–70% di minerali contenenti terre rare, rappresentando il materiale di partenza per le successive operazioni chimiche di lisciviazione e raffinazione.

Rispetto ad altri metalli comuni, l’estrazione delle terre rare richiede quantità significativamente maggiori di acqua ed energia, con consumi tipici dell’ordine di 0.2–1 GJ di energia per tonnellata di ossidi di terre rare (REO) e 0.3–1.8 megalitri di acqua per tonnellata di REO. A ciò si aggiunge la produzione di notevoli volumi di rifiuti, come sterili di miniera e acque reflue, dovuti alla bassa concentrazione di terre rare nei minerali di partenza.

Estrazione da sabbie minerali ricche in monazite

Quando i giacimenti sono costituiti da sabbie minerali, come nel caso dei depositi ricchi in monazite, vengono adottati metodi estrattivi differenti rispetto alla roccia dura.

In questi contesti si utilizzano principalmente dragaggio a umido e estrazione a secco

Nel dragaggio a umido, una draga galleggiante estrae il materiale al di sotto della superficie di un bacino o di un deposito alluvionale e pompa una fanghiglia di minerale verso un concentratore a umido, spesso anch’esso galleggiante, dove avviene la separazione preliminare delle fasi ricche in terre rare.

L’estrazione a secco, invece, presenta maggiori analogie con i sistemi convenzionali, impiegando escavatori e pale meccaniche per la raccolta del materiale, seguiti da operazioni di separazione fisica.

Lisciviazione in situ

In alcuni casi specifici, l’estrazione delle terre rare può avvenire mediante lisciviazione in situ, una tecnica che prevede l’iniezione di soluzioni chimiche direttamente nel giacimento per solubilizzare selettivamente le terre rare, che vengono poi recuperate in superficie.

Questo metodo è applicabile solo a particolari tipologie di depositi e richiede un attento controllo ambientale, soprattutto per evitare contaminazioni delle acque sotterranee.

Processi chimici di estrazione e raffinazione delle terre rare

Dopo la fase mineraria e la concentrazione del minerale, l’estrazione delle terre rare entra nella sua fase più complessa, che è essenzialmente di natura chimica. A seconda della mineralogia delle fasi contenenti terre rare e della reattività della ganga, vengono impiegati processi acidi o alcalini, con una netta prevalenza dei primi: oltre il 90% dei processi industriali si basa infatti su trattamenti acidi.

Nella maggior parte dei casi, il minerale concentrato è sottoposto a un trattamento termochimico preliminare, durante il quale viene riscaldato a circa 400–500 °C in presenza di acido solforico concentrato. Questo passaggio consente di rimuovere componenti indesiderate, come fluoruri e anidride carbonica, e di modificare la struttura del minerale, rendendo le terre rare più facilmente solubili nelle fasi successive.

Il materiale così trattato è quindi lavato e separato dalle impurità solide fini, ottenendo una pasta minerale che può essere ulteriormente lavorata. Le terre rare vengono estratte mediante lisciviazione, spesso in più stadi, utilizzando soluzioni acide come acido cloridrico. In questa fase si ottengono soluzioni contenenti miscele di terre rare, che devono essere ulteriormente purificate.

Separazione

La separazione dei singoli elementi avviene attraverso una combinazione di processi di estrazione con solventi e reazioni di precipitazione. Le terre rare sono fatte reagire per formare composti solidi poco solubili, che possono essere isolati e successivamente trasformati. Il prodotto finale di queste operazioni è costituito da ossidi di terre rare, ottenuti mediante riscaldamento del precipitato, che presentano elevati gradi di purezza, spesso superiori al 99%.

In alcuni casi specifici, come nella lavorazione della monazite, può essere utilizzato un processo alternativo di tipo alcalino. In questo approccio, il minerale è trattato con idrossido di sodio, formando idrossidi di terre rare, che vengono successivamente dissolti in acido per ottenere soluzioni di cloruri.

Anche in questo caso, la separazione dei singoli elementi richiede numerose fasi di estrazione con solvente, a testimonianza della forte somiglianza chimica tra le terre rare.

La produzione dei metalli di terre rare rappresenta un’ulteriore fase di complessità. Le terre rare leggere possono essere ottenute tramite elettrolisi di sali fusi, mentre per alcuni elementi medi e pesanti sono necessari processi di riduzione metallotermica ad alte temperature, condotti in atmosfera controllata. Queste operazioni richiedono condizioni operative severe e un elevato controllo del processo.

Nel complesso, la preparazione di composti e metalli di terre rare di qualità commerciale è più simile alla produzione di prodotti chimici fini che all’estrazione di materie prime tradizionali. Inoltre, i minerali di terre rare sono spesso associati ad altri elementi di valore, come niobio e tantalio, il che può rendere i flussi di lavorazione ancora più articolati, ma anche economicamente più interessanti.

Tecniche avanzate di separazione delle terre rare

Dopo l’estrazione dal minerale, le terre rare non sono subito pronte all’uso. Al contrario, si presentano come una miscela di elementi molto simili tra loro, che devono essere separati con grande precisione. Questa fase è una delle più complesse e costose dell’intero processo produttivo.

Estrazione con solventi

Uno dei metodi più utilizzati è l’estrazione con solventi. In questo processo, le terre rare sono sciolte in una soluzione liquida e messe a contatto con sostanze organiche, capaci di “catturare” un elemento alla volta. Ripetendo l’operazione molte volte, si riesce a ottenere ciascun elemento con un elevato grado di purezza. Anche se efficace, questa tecnica richiede impianti complessi e grandi quantità di reagenti chimici.

Scambio ionico

Un’altra tecnica importante è lo scambio ionico, che sfrutta materiali solidi in grado di trattenere selettivamente alcuni elementi e rilasciarne altri. È un metodo molto preciso, particolarmente adatto alla separazione delle terre rare più simili tra loro, ma è utilizzato soprattutto su piccola scala a causa dei costi elevati.

Nuove tecnologie

Negli ultimi anni stanno emergendo tecnologie più innovative, come l’uso di membrane selettive, processi elettrochimici e metodi di separazione biologica basati su microrganismi o molecole naturali. Queste soluzioni puntano a ridurre l’impatto ambientale e il consumo di sostanze chimiche, anche se molte sono ancora in fase di sviluppo o sperimentazione.

In sintesi, la separazione delle terre rare è una sfida tecnologica cruciale: non basta avere il minerale, ma è necessario disporre di processi sofisticati per ottenere elementi puri, indispensabili per l’elettronica, le energie rinnovabili e le tecnologie avanzate.

Riciclaggio delle terre rare

Rispetto ad altri metalli, il riciclaggio delle terre rare è un settore ancora giovane e in rapida evoluzione. Molte tecnologie sono tuttora in fase di sviluppo, ma l’interesse cresce rapidamente a causa dell’aumento della domanda globale e della limitata disponibilità di queste risorse. A ciò si aggiungono i problemi legati alla sicurezza degli approvvigionamenti, aggravati dalle restrizioni alle esportazioni imposte dalla Cina, che domina il mercato mondiale.

Il riciclo rappresenta quindi un’opportunità strategica, perché consente di ridurre l’impatto ambientale, diminuire la dipendenza dalle importazioni e utilizzare materiali che, a differenza di alcune risorse minerarie, sono spesso privi di contaminanti radioattivi come torio e uranio.

Fonti di recupero

Le principali fonti di recupero delle terre rare provengono da magneti permanenti, batterie, sistemi di illuminazione e catalizzatori esausti. Questi materiali possono derivare sia dagli scarti industriali di produzione sia dai prodotti a fine vita, come dispositivi elettronici dismessi. I

l recupero dai rifiuti post-produzione è generalmente più semplice: durante la fabbricazione dei magneti, ad esempio, si possono perdere fino al 20–30% dei materiali sotto forma di scarti o fanghi, che risultano relativamente facili da recuperare e riutilizzare.

Il riciclaggio dei beni di consumo a fine vita è invece più complesso. In molti prodotti, le terre rare sono presenti in quantità ridotte e fortemente integrate nei componenti, come nei magneti dei dischi rigidi o nei display elettronici. Per questo motivo, sono necessari processi più articolati, che richiedono una combinazione di trattamenti fisici e chimici e un maggiore consumo di energia.

Metodi

Dal punto di vista tecnologico, il recupero delle terre rare può avvenire attraverso processi ad alta temperatura o mediante trattamenti chimici in soluzione. I primi sono già ampiamente utilizzati nel riciclo dei rifiuti elettronici, ma risultano poco efficienti per le terre rare, che tendono a finire nelle scorie. Per questo motivo, si ricorre spesso a metodi chimici più selettivi, capaci di sciogliere e recuperare questi elementi in modo mirato.

Un esempio concreto è il recupero delle terre rare dalle batterie al nichel-idruro metallico, dalle quali è possibile estrarre elementi come lantanio, cerio e neodimio insieme ad altri metalli preziosi. Al contrario, per alcune applicazioni, come i catalizzatori esausti utilizzati nell’industria petrolifera, il riciclaggio delle terre rare non è ancora considerato tecnicamente ed economicamente sostenibile.

In sintesi, il riciclaggio delle terre rare rappresenta una sfida tecnologica e industriale, ma anche una leva fondamentale per rendere più sostenibile e sicura la transizione verso un’economia basata su tecnologie avanzate e a basse emissioni.

Aspetti storici dell’estrazione delle terre rare

I primi sviluppi industriali legati all’estrazione e alla separazione delle terre rare risalgono alla prima metà del XX secolo, quando aziende come Molycorp negli Stati Uniti, Rhodia in Francia e Santoku in Giappone iniziarono a produrre composti, metalli e leghe di terre rare destinati a impieghi industriali e scientifici.

In India, la Indian Rare Earths Ltd avviò attività estrattive già nel 1914, in seguito alla scoperta di giacimenti di terre rare da parte dello scienziato tedesco Schomberg, rappresentando uno dei primi esempi di sfruttamento sistematico di queste risorse.

Un contributo decisivo allo sviluppo dell’industria moderna delle terre rare provenne dalla ricerca condotta a metà del XX secolo in diversi laboratori della Commissione per l’Energia Atomica (AEC) degli Stati Uniti, dove furono perfezionate tecniche avanzate di separazione mediante estrazione con solventi e scambio ionico. Negli anni ’50 venne dimostrata la possibilità di ottenere singoli elementi delle terre rare con purezze superiori al 99,99%, aprendo la strada a un utilizzo su larga scala.

A partire dalla metà degli anni ’80, la Cina emerse come attore dominante grazie alla scoperta che le terre rare associate a minerali di ferro potevano essere estratte in modo più efficiente e a costi inferiori. Questo cambiamento segnò una profonda riorganizzazione della filiera globale, con effetti che si riflettono ancora oggi sull’approvvigionamento e sulle strategie industriali internazionali.

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