稀土开采新技术出炉


  稀土是什么?稀土是土吗?稀土并不是土,而是一种重要的战略资源,也被称为“工业维生素”。

  在开采稀土这种重要资源的过程中,技术上发生了很多次变革。如今,我们发现了更为高效且兼具环保的稀土开采方法。如果这种方法可以推行的话,在将来,可能只需要“电一电”,稀土就出来了。

  在认识这种新方法之前,我们得先弄清楚稀土是什么。

  后工业时代的“工业维生素”——稀土

  稀土,是元素周期表上第三副族的21号元素钪(Sc)、39号元素钇(Y)和原子序数51到71的镧系元素的统称。由于稀土元素在国防军工、航空航天、特种材料、冶金、能源和农业等诸多领域具有特殊的用途和重要性,大家经常称其为“工业维生素”。我国未来着重发展的高端装备制造、新能源、新材料产业、新能源汽车产业等重点制造领域都和稀土有密切的关系,稀土是我国高度重视的战略性矿产资源。

  名为稀土,稀土不稀

  从1794年发现并确认的稀土元素成员钇元素,到1947年最后一个发现的钷元素,稀土元素的发现前后历经153年。由于早期分析技术水平低,而且它们一般被发现于富集的风化壳上,呈土状(这也是稀土名字的来源),难以溶解,人们误认为它们在地壳中很稀少。

  实际上稀土并不稀少,稀土的地壳丰度(指一种元素在地球表面的地壳中的含量)为0.017%。稀土元素中的一些成员,如镧(Ce)、铈(La)、钕(Nd)的地球化学丰度比我们更为熟悉的锡(Sn)、铅(Pb)等金属元素还要高。

  “不成矿”的稀土矿——中国南方离子吸附型稀土矿

  1969年,江西地质局九〇八大队在龙南县开展区域普查时,发现当地足洞地区花岗岩风化壳中的稀土含量异常的高。但是,按照当时常规的重选选矿方式,所得重砂却很低,且淘洗时间越长,收集到的稀土越少,甚至无法回收。

  研究人员通过对选矿产物的多次检测、研究后发现,稀土元素竟然都流到了洗选后的选矿废水中。这一独特现象揭开了我国第一个离子吸附型稀土矿。通过大量的地质勘探、试验研究和生产实践证明,最终认定该矿床为我国独特的新型外生稀土类型。

  离子吸附型稀土矿是什么呢?它又与传统的稀土矿有什么区别呢?

  该矿床中的稀土不以传统的稀土矿物存在,而是以一种特殊的“不成矿”的“离子相”吸附于黏土矿物中。

  随着地质工作的进一步深入,此后广东、福建、湖南、广西等地也相继发现了离子吸附型稀土矿床的分布。仅南岭地区勘探矿化面积就达近10万平方公里,矿区二百余个。

  与北方轻稀土矿床相比,南方离子吸附型稀土矿稀土元素配分齐全、重稀土元素含量高,稀土元素赋存状态种类多,具有极高的经济价值,但其稀土元素含量极低、分布不均匀,导致其开采也非常困难。

  山体破碎——稀土传统开采方式

  稀土元素因性质不同,可以分为轻稀土、中稀土和重稀土。

  我们国家稀土资源主要分布在三大矿集区:一是白云鄂博,储量约3500万吨稀土氧化物;二是川西,约500万吨;三是南方七省离子吸附型稀土,约1000万吨。前两个地区主要富轻稀土,而南方离子吸附型稀土矿则相对富中重稀土。

  由于轻重稀土矿床中的稀土存在形式差异巨大,其开采方式也是截然不同。

  北方轻稀土矿床中的稀土主要以稀土氧化物的形式赋存于含稀土矿物中,其开采方式是表土剥离、开挖山体、采掘矿石、破碎加工、化学溶解、除杂精制。该方法对山体的破坏性强,加工过程使用大量的酸、碱,环境污染严重。

  离子吸附型稀土矿开采的划时代变革——原地浸取工艺

  在离子吸附型稀土矿中,稀土以离子态吸附在土壤中,容易被其它离子交换出来。其开采经历了池浸、堆浸和原地浸出三个主要的发展阶段。

  池浸和堆浸工艺是用人力或机械将露天采掘的矿土运至水池或堆浸场中进行渗滤浸出。这两种工艺最大的缺点与轻稀土的开采相同,需要开挖山体、采掘矿石,对矿山环境破坏尤为严重。据统计,每生产1吨稀土产品,会产生1200-1500 m3的尾矿。

  原地浸取工艺是在不破坏矿区地表植被、不开挖表土与矿石的情况下,将高浓度的阳离子溶液(通常是硫酸铵溶液)注入矿山,交换浸出其中的稀土离子。稀土离子在上方注水压力和重力的作用下流向矿山底部,并最终被收集。

  显然,原地浸出工艺极大地改变了传统的“搬山运动式”的采矿方式,在根本上改变了矿山开采的理念,具有划时代的意义。

  打破传统开采模式,提出稀土开采新理念——通电开采

  虽然原地浸出工艺已经是矿产开发的大突破,但是科研人员们又提出开采稀土矿的新发现——通过通电来采集稀土。

  这种新工艺,如果具体施行的话,将大大提升开采的速度,又将成为矿山开采的一次大进步!

  近日,中国科学院广州地球化学研究所何宏平研究员团队在《自然·可持续》(Nature Sustainability)上发表了通电开采离子吸附型稀土矿的研究成果(阅读原文:https://www.nature.com/articles/s41893-022-00989-3),提出了通电开采离子吸附型稀土矿的新概念。

  该技术设想在矿山的山顶和山脚分别布置电极并连接电源的正极和负极,将电源和山体连接,构成一个超级大电池。通电后土壤中的稀土阳离子在外加电场的作用下从电源正极向电源负极方向流动,最终在电源负极附近被收集。

  通电开采稀土示意图(图片来源:作者自制)

  这个大胆的设想是基于土壤具有导电性,土壤中的稀土离子能够被其它阳离子交换释放,且稀土离子能够在土壤中的孔隙中移动的条件,而离子吸附型稀土矿中稀土独特的离子存在的状态恰好满足这样的条件。

  “电一下”,稀土出来了

  研究人员通过实验室模拟实验和现场验证逐步探索了最佳通电条件,验证了这一理论的可行性。

  首先,向稀土矿山中加入电解质溶液,一个个被“束缚”的稀土离子被解吸释放出来,在土壤中游动,整装待发。同时,游离的稀土离子使得土壤导电性大大增加。此时,给土壤通入直流电,稀土离子将沿着电流方向疾速前进。

  与现有的开采手段相比,稀土离子所受电场力远大于自然状态下的重力,因而其移动速度也大大提高。结果表明,在通电的作用下稀土成功地从土壤中分离了出来,且通电开采效率远高于现有的开采手段。

  研究人员下一步的工作目标就是把这种通电的技术应用起来,积极推广该技术的实用化,将我们的“想象”转变为现实。我们共同期待,在未来,可能“电一电”,就能环保高效地开采稀土啦!

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