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モナザイトは、主に赤褐色のリン酸塩鉱物で、希土類元素を含んでいます。組成にばらつきがあるため、モナザイトは鉱物のグループとして扱われます。このグループで最も一般的なのはモナザイト-(Ce)で、これはセリウムを主成分とする鉱物です。
モナザイトには、鉱物中の希土類元素の相対量に応じて、最も一般的な5つの異なる種があります。[ 3 ]
モナザイト（Ce）は、このグループの中で圧倒的に最も一般的なものです。[ 4 ]通常、小さな孤立した結晶として産出します。モース硬度スケールで5.0～5.5の硬度を持ち、比重（相対密度とも呼ばれる）も5～5.5です。[ 4 ]
括弧内の元素は、鉱物中の相対的な割合の順にリストされています。ランタンはモナザイト（La）で最も一般的な希土類元素であり、以下同様です。シリカ（SiO 2 ）は微量に存在し、ウランとトリウムも少量含まれています。トリウムとウランのアルファ崩壊により、モナザイトにはかなりの量のヘリウムが含まれており、加熱によって抽出できます。[ 6 ]
以下の分析は、(I)米国ノースカロライナ州バーク郡、(II)ノルウェー、アレンダル、(III)オーストラリア、ニューサウスウェールズ州エマビル産のモナザイトの分析結果である。[ 7 ]
モナザイトは、トリウム[ 8 ] 、ランタン、セリウム[ 9 ]の重要な鉱石です。砂鉱床でよく見られます。インド、マダガスカル、南アフリカには、モナザイト砂の大きな鉱床があります。インドの鉱床は特にモナザイトが豊富です。
モナザイトは、トリウム、そしてまれにウランの存在により放射性です。ウランとトリウムの鉛への放射性崩壊により、モナザイト年代測定法によってモナザイトの年代を特定することができます。モナザイト結晶には、モナザイトの結晶化につながる連続的な地質学的イベントによって形成された複数の明確なゾーンが存在することがよくあります。[ 10 ]これらのドメインの年代を測定することで、その母岩の地質学的歴史についての洞察を得ることができます。
モナザイトという名前は、古代ギリシャ語のμονάζειν（孤立する）から始まり、ドイツ語のMonazitを経て、孤立した結晶であることに由来する。[ 11 ]
すべてのモナザイトは同じ構造を採用しており、原子の結合は他のM(III)PO 4型の化合物と非常によく似ています。M(III) 中心は歪んだ配位圏を持ち、約 2.6 Å の長さの M–O 距離を持つ 8 つの酸化物に囲まれています。リン酸アニオンは通常どおり四面体です。同じ構造モチーフはクロム酸鉛( PbCrO 4 ) でも観察されます。[ 12 ]モナザイトは、ジルコン、ゼノタイム、シェーライト、無水石膏、重晶石、およびラブドファンとも多くの構造的類似性を共有しています。[ 13 ]
ブラジル産のモナザイト砂は、 1880年代にカール・アウアー・フォン・ウェルスバッハが船のバラスト水として運ばれていた砂の中に初めて発見された。フォン・ウェルスバッハは、新しく発明した白熱マントル用のトリウムを探していた。モナザイト砂はすぐにトリウム源として採用され、希土類産業の基盤となった。[ 14 ]
モナザイト砂は、アメリカ合衆国ノースカロライナ州でも短期間採掘されたが、その後まもなく、南インドで大規模な鉱床が発見された。第二次世界大戦前は、ブラジル産とインド産のモナザイトが業界を支配していた。[ 15 ] 第二次世界大戦後、モナザイトの採掘は南アフリカに移った。[ 14 ]
1904年、西オーストラリア州のピルバラで採取されたモナザイトのサンプルを分析したTH LabyとDouglas Mawson [ 16 ]によって、オーストラリアで初めてラジウムを含む鉱石が発見されたのはモナザイトであった。[ 17 ] [ 16 ]サンプルはシドニー大学の工学研究所で試験された。Edgeworth Davidは、 1904年10月5日にニューサウスウェールズ王立協会で、彼らの発見を記述した論文を正式に発表した。[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]オーストラリアには大規模なモナザイト鉱床がある。
モナザイトは商業用ランタニドの唯一の重要な供給源であったが、トリウムの放射性娘核種の廃棄に関する懸念から、1960年代にはトリウム含有量がはるかに低いバストネサイトがランタニド生産においてモナザイトに取って代わるようになった。原子力エネルギーにおけるトリウムへの関心の高まりにより、モナザイトが再び商業的に利用されるようになる可能性がある。
モナザイト鉱物は密度が高いため、ペグマタイトの風化によって放出されると沖積砂に濃縮されます。これらのいわゆる漂砂鉱床は、多くの場合、海岸砂または化石化した海岸砂であり、ジルコンやイルメナイトなど、商業的に価値のある他の重鉱物も含まれています。モナザイトは、重力分離、磁気分離、静電分離を用いることで、ほぼ純粋な濃縮物として分離することができます。
モナザイト砂鉱床は主にモナザイト-( Ce )組成です。通常、このようなモナザイト中のランタニドは、セリウムが約45～48% 、ランタンが約24%、ネオジムが約17% 、プラセオジムが約5% 、そしてサマリウム、ガドリニウム、イットリウムが微量含まれています。ユーロピウムの濃度は低く、約0.05%です。南アフリカのスティーンカンプスクラール産の「岩石」モナザイトは、1950年代から1960年代初頭にかけて、当時世界最大のランタニド生産会社であったアメリカン・ポタッシュ・アンド・ケミカル社のリンゼイ化学部門によって処理されました。スティーンカンプスクラール産のモナザイトは、ランタニドの全セットを供給しました。モナザイトに含まれる最も重いランタニド元素の濃度が非常に低いことから、これらの元素は「希土類元素」と呼ばれ、価格もそれに見合ったものとなっている。モナザイトのトリウム含有量は変動が大きく、20～30%に達することもある。特定のカーボナタイトやボリビアの錫鉱脈から産出されるモナザイトは、実質的にトリウムを含まない。しかし、市販のモナザイト砂には、通常6～12%の酸化トリウムが含まれている。
モナザイトからトリウムとランタニドを抽出するためにモナザイトを「分解」する従来の方法は、濃硫酸を用いて120～150 ℃（250～300 °F）の温度で数時間加熱することであった。酸と鉱石の比率、加熱の程度、およびその後の水の添加量を変化させることで、トリウムとランタニドを分離するためのいくつかの異なるプロセスが開発された。これらのプロセスの1つでは、トリウムが粗リン酸塩またはピロリン酸塩として沈殿し、ランタニド硫酸塩溶液が残った。この溶液からランタニドは容易に複硫酸ナトリウムとして沈殿させることができた。酸を用いる方法では、かなりの量の酸性廃棄物が発生し、鉱石中のリン酸塩が失われるという問題があった。
より新しいプロセスでは、約140 ℃（280 °F）の高温水酸化ナトリウム溶液（73%）を使用します。このプロセスにより、鉱石中の貴重なリン酸塩を結晶性リン酸三ナトリウムとして回収することができます。ランタニド／トリウム水酸化物混合物を塩酸で処理すると、ランタニド塩化物の溶液と、塩基性の低いトリウム水酸化物の不溶性スラッジが得られます。
モナザイト鉱石からの希土類金属の抽出は、硫酸による消化から始まり、続いて水抽出が行われます。このプロセスには、多くの中和と濾過が必要です。[ 22 ] [ 23 ]
このプロセスで得られる最終製品は、リン酸トリウム濃縮物、希土類元素水酸化物、およびウラン濃縮物です。ウラン、トリウム、希土類元素の相対的な市場価格、顧客の入手可能性、および顧客への配送の物流に応じて、これらの製品の一部または全部は販売またはさらに加工して市場性のある形にすることが経済的である一方、残りは廃棄用の尾鉱となります。ウランおよびトリウム崩壊系列の生成物、特にラジウムは微量に存在し、放射性毒性の危険をもたらします。ラジウム228（トリウム崩壊の生成物）は極めて微量（トリウム1トンあたり1ミリグラム未満）しか存在せず、半減期は約5.75年で崩壊しますが、ラジウム226はウラン1トンあたり300ミリグラムを超える割合で存在し、半減期が長い（約1600年）ため、実質的に残留物として残ります。ラジウムは既知のアルカリ土類金属の中で最も溶解度の低い硫酸塩を形成するため、硫酸を添加した後の固形濾過生成物の中には硫酸ラジウムが含まれることになる。
2つの研究のうち、1つは合成モナザイトを汚染された廃水システムに長期間浸漬して放射性廃棄物の貯蔵能力をテストするもので、もう1つは複数の鉱物の結晶構造の耐久性を比較するものである。これらの研究において、研究者らは、廃止された核兵器に含まれる高品位プルトニウムや原子炉の使用済み燃料から生じる核副産物の貯蔵体としてモナザイトがどの程度適しているかを調査した。両方の研究結果から、モナザイトは従来使用されていたホウケイ酸ガラスに比べて、貯蔵に適した選択肢の一つであることが示された。
テネシー州のオークリッジ国立研究所で行われたある研究[ 24 ]では、放射性廃棄物管理における合成モナザイトとホウケイ酸ガラスの性能が比較されています。この実験では、合成モナザイトとホウケイ酸ガラスを汚染された模擬サバンナ川防衛廃棄物に28日間浸漬し、その間、両方の材料からの溶出速度を測定しました。結果は、合成モナザイトは溶出速度が低く腐食速度も遅いため、放射性廃棄物の封じ込めに非常に効果的な材料であることを示しています。
2番目の研究[ 25 ]では、天然モナザイトは、高量のアルファ崩壊放射線にさらされて非晶質化した後も結晶状態を維持できるため、放射線「耐性」という特性により、放射線副生成物に対処する能力が向上していることがわかっています。この高い耐久性により、放射性ストロンチウムなどの物質を収容する上で、他の試験された鉱物よりも優れた代替品と見なされています。合成モナザイトも、完全に非晶質化した後、天然結晶サンプルと同様の耐久性を示すことがわかっています。