離子吸附型稀土是我國的特色資源，為全世界提供了90%以上的中重稀土。然而，現(xiàn)有的離子吸附型稀土開采工藝（銨鹽原地浸取技術(shù)）存在生態(tài)環(huán)境破壞嚴重、浸出周期長、資源利用效率低等問題，嚴重制約了我國離子吸附型稀土資源的開采利用。面向國家稀土戰(zhàn)略，研發(fā)新一代高效、綠色的開采技術(shù)迫在眉睫。
為此，中科院廣州地化所何宏平研究員團隊研發(fā)了一種離子吸附型稀土電動開采新技術(shù)。該技術(shù)的核心思想是通過外加電場驅(qū)動風化殼中稀土離子的活化、定向遷移和快速收集（圖1）。該技術(shù)的稀土回收率大于90%，浸取劑用量減少80%，浸出液中有害雜質(zhì)含量降低70%，不僅解決了稀土開采帶來的環(huán)境污染問題，還顯著提高了離子吸附型稀土的開采效率，具有綠色、高效的特點。
圖1. 離子吸附型稀土礦電動開采示意圖
研究團隊先后完成了土柱模擬實驗、放大試驗和場地示范。與傳統(tǒng)銨法開采技術(shù)相比，電動法稀土開采的效率顯著提高（圖2A）。實驗表明：電動法在67 h稀土回收率可達到96%，而傳統(tǒng)銨法在130h稀土回收率僅為60%左右（圖2B）。基于模擬實驗和放大試驗的結(jié)果，研究團隊在廣州周邊某稀土富集區(qū)進行了原位場地試驗。結(jié)果表明，僅11天，電動法稀土開采效率即可達到90%以上，且浸取劑用量較傳統(tǒng)銨法降低了約80%，取得了良好的效果（圖2C和2D）。
圖2. （A）土柱模擬實驗結(jié)果，（B）放大試驗結(jié)果，（C）原位場地試驗結(jié)果和（D）原位場地試驗現(xiàn)場圖
此外，研究團隊還發(fā)現(xiàn)了電動開采過程中的“自除雜”現(xiàn)象。與傳統(tǒng)銨法相比，在電動法收集的浸出液中，雜質(zhì)金屬含量降低約70%。研究表明，在電動開采過程中，高價態(tài)的REE3+、Al3+等優(yōu)先遷移至陰極并形成高勢壘，阻礙低價的雜質(zhì)金屬離子向陰極遷移，從而抑制雜質(zhì)浸出。同時，Al3+、Ca2+等雜質(zhì)離子容易與陰極電解產(chǎn)生的OH-生成次生礦物，并沉淀在陰極附近（圖3）。因此，電動法開采技術(shù)可依靠稀土與雜質(zhì)金屬的遷移性和反應性差異實現(xiàn)“自除雜”，可望顯著降低稀土純化的成本。
圖3. 電動發(fā)稀土開采過程的自除雜機制示意圖
總之，該技術(shù)具有稀土提取率高、浸取劑用量少和雜質(zhì)含量低等特點，有望成為新一代的離子吸附型稀土開采技術(shù)。同時，該技術(shù)也為其它以離子態(tài)等形式賦存的金屬礦產(chǎn)資源（如紅土型鎳礦、風化型鈧礦床等）的開采提供了技術(shù)支撐。
在該技術(shù)的研發(fā)過程中，團隊形成了以國家發(fā)明專利“通電開采稀土礦的方法”為核心，涵蓋礦體精準定位、稀土野外快速測定、綠色浸取劑制備等內(nèi)容的專利群。目前，團隊正與廣東有色金屬股份有限公司合作開展應用示范。
該研究受到了廣東省基礎與應用基礎研究重大項目（2019B030302013）、國家重點研發(fā)計劃（2021YFC2901701）和國家自然科學基金（41825003）等項目的聯(lián)合資助。相關研究成果近期在《自然-可持續(xù)》（Nature Sustainability）上發(fā)表，更多信息請參見原文。
論文信息：Gaofeng Wang（王高鋒）, Jie Xu（徐潔）, Lingyu Ran（冉凌瑜）, Runliang Zhu（朱潤良）, Bowen Ling（凌博聞）, Xiaoliang Liang（梁曉亮）, Shichang Kang（康石長）, Yuanyuan Wang（王園園）, Jingming Wei（魏景明）, Lingya Ma（馬靈涯）, Yanfeng Zhuang（莊艷峰）, Jianxi Zhu（朱建喜）, Hongping He*（何宏平）, A green and efficient technology to recover rare earth elements from weathering crusts, Nature Sustainability, 2022. DOI: 10.1038/s41893-022-00989-3
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