Many literatures have been published recently regarding the recovery of REEs from coal-related materials, such as coal waste, acid mine drainage, and coal combustion ash. The recovery of REEs from coal waste has been investigated by the author in recent years, and it was found that after calcination at 600 ℃ for 2 h, a significant improvement in REE recovery can be achieved. In order to reveal the mechanisms of the enhanced REE recovery after calcination, coal waste samples from two different seams, i.e., Western Kentucky No. 13 and Fire Clay, were selected to investigate the modes of occurrence of REEs. Scanning electron microscopy- and transmission electron microscopy-energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS and TEM-EDS) analyses were conducted to investigate the mineralogy of REEs in two coal waste samples. Totally, 49 and 50 REE-bearing particles were found from the SEM specimens of Western Kentucky No. 13 and Fire Clay coal waste samples, respectively. Based on the elemental composition analyses and TEM-EDS characterization, it was found that apatite, monazite, and crandallite-group minerals were the major light REE (LREE) carriers, while the heavy REEs (HREE) primarily occurred in zircon and xenotime in these two coal waste samples. Further analyzing the REE content and number of REE-bearing particles, it was confirmed that monazite, xenotime, and crandallite-group minerals were the dominant contributors to the total REE (TREE) contents in both materials. In addition to the mineralogy of REEs, the morphology of REE-bearing particles was also investigated. The SEM images suggested that the particle size of most REE-bearing particles was less than 5 μm. Moreover, not only completely liberated particles, but particles encapsulated by the host minerals present in the two coal waste samples. To identify the changes of mineralogy of REEs after recovery, the leaching solid residues of the raw and calcined coal waste samples were also characterized by SEM-EDS analysis. After REE recovery, the same REE mineralogical results were observed from the leaching residues of the raw coal waste samples. However, as for the calcined samples, the crandallite-group minerals disappeared. These results suggested that the crandallite-group minerals were decomposed into easy-to-leach forms after calcination at 600 ℃, thus leading to the improved REE recovery. Moreover, the number of REE-bearing particles (N) found from per area of the calcined leaching residue was confirmed to be larger compared to that of the raw ones. A combination analysis of these results indicated that two mechanisms of the enhanced REE recovery after calcination can be confirmed: (1) decomposing the crandallite-group minerals into more soluble species; and (2) promoting the liberation of the REE-bearing particles encapsulated in the host minerals. The thermal decomposition of crandallite-group minerals was mainly responsible for the enhanced REE recovery from coal waste. However, as a result of the complex isomorphic substitutions and association characteristics, it is difficult to collect a pure endmember of crandallite-group mineral for characterization. Therefore, florencite-(Ce) was synthesized in this study. X-ray diffraction (XRD), SEM-EDS, TEM, thermogravimetric and differential thermal analyses (TGA-DTA), and acid leaching tests were conducted on the synthesized product. The results showed that the variation in Ce leaching recovery corresponded to the phase transformation of florencite. The gradual transformation of florencite from a crystalline mineral into an amorphous phase resulted in the increases in the solubility of Ce. In addition, the thermal transformation of florencite was an independent reaction, which was not interfered by the host materials, such as kaolinite and coal waste. / Doctor of Philosophy / Coal waste has been identified as a promising alternative source of rare earth elements (REEs). This study showed that calcination can significantly improve the REE recovery from coal waste materials. Scanning electron microscopy- and transmission electron microscopy-energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS and TEM-EDS) analyses were conducted to investigate the mineralogy of REEs in two coal waste samples. The results indicated that the REEs mainly present as apatite, zircon, monazite, xenotime, and crandallite-group minerals in the coal waste samples. However, after REE recovery, the crandallite-group minerals disappeared from the calcined coal waste samples. Therefore, it can be confirmed that the calcination treatment resulted in the solubility improvement of crandallite-group minerals in coal waste samples. In order to further investigate the crandallite-group minerals, florencite was synthesized and subjected to a series of characterizations. The results suggested that the thermal phase transformation of florencite from crystalline into amorphous state resulted in the solubility improvement.

La compréhension de la stabilité et des relations de phases des minéraux de terres rares est devenue indispensable dans des domaines aussi variés que le stockage des déchets nucléaires, la datation du métamorphisme ou encore la géochimie des terres rares. L'évaluation de la stabilité de ces minéraux sur une gamme de températures inférieures à 500 °C a été au centre de ce travail. Pour cela, nous avons combiné des études analogiques et expérimentales, et l'acquisition de propriétés calorimétriques. Les occurrences naturelles ont été étudiées dans des roches métamorphiques dites de "basses températures". Les échantillons ont été collectés dans des schistes noirs du moyen pays himalayen et dans les métapélites du Rif (Maroc). Les minéraux, ont été identifiés à l'échelle micrométrique par une pétrologie fine combinant microscopie à balayage et microsonde électronique. Si dans des conditions de « très basse température » (T < 300 °C), les terres rares sont principalement incorporées dans des phases détritiques ou authigènes comme la florencite, la monazite apparaît pour des températures aussi faibles que 350 °C dans les échantillons rifains et himalayens. Avec l'augmentation du métamorphisme, les monazites réagissent pour former une épidote de terres rares, l'allanite. Les âges U-Th-Pb de la monazite, obtenus par microsonde ionique, démontrent que celle-ci peut cristalliser pour des conditions bien inférieures à celles qui sont admises communément et qu'elle présente un bon potentiel comme géochronomètre du métamorphisme de bas degré. Les propriétés thermodynamiques ont été acquises pour les minéraux suivants : les pôles fuorés et hydroxylés de l'apatite silicatée au lanthane ou britholite, Ca2La3(SiO4)3(OH,F), la monazite, LaPO4, et l'épidote-Mg lanthanée ou dissakisite CaLaMgAl2(SiO4)3(OH). Les enthalpies de formation ont été obtenues par calorimétrie de dissolution à 973 K (Bochum , Allemagne). La chaleur spécifique (Cp) de la monazite à basses températures [20-300 K] et pression atmosphérique a été mesurée par calorimétrie adiabatique (LPC, Orsay). Les chaleurs spécifiques entre 143 et 723 K ont été déterminées par calorimétrie différentielle à balayage (Perkin Elmer 7, Kiel, Allemagne). Ces données ont été introduites dans la base de données de Berman (1988), afin de calculer les équilibres entre minéraux de terres rares dans le système chimique La2O3-CaO-MgO-Al2O3-SiO2-P2O5-H2O. Les résultats calorimétriques nous ont permis également d'étudier la solubilité des minéraux proposés comme matrice de confinement des actinides mineurs : l'apatite silicatée de terres rares et la monazite. Les diagrammes de solubilité calculés montrent que ces deux minéraux sont très peu solubles pour certaines conditions de pH. Pour valider ces résultats, la résistance de ces minéraux a été évaluée dans un dispositif expérimental en présence de réactifs simulant le champ proche du concept de stockage (argiles, ciment). La faible solubilité de ces phases nous a poussé à choisir un dispositif expérimental sous gradient thermique (320 – 400 °C) afin d'obtenir des taux de réaction compatibles avec des durées d'expériences raisonnables. Apres deux à huit mois, les deux minéraux de terres rares sont toujours présents et ont peu réagi, ce qui est cohérent avec leur grande stabilité thermochimique et naturelle. En comparaison, ces deux minéraux sont bien plus résistants que le phosphate di-phosphate de thorium, Th4(PO4)4P2O7, proposé également pour le conditionnement des radionucléides. Cette étude montre que la monazite peut cristalliser à des températures inférieures à 350 °C. La florencite apparaît comme un bon candidat d'altération des minéraux de terres rares en conditions supergènes. Aux conditions de HP-BT, la monazite et la florencite réagissent pour former de l'allanite. La monazite présente d'excellentes qualités de matrice d'actinides en terme de durabilité chimique. La stabilité des apatites silicatées est favorisée par les conditions attendues en contexte d'enfouissement.