高效綠色稀土開采新技術(shù)——通電開采

　　稀土是高科技領(lǐng)域和國防科技中的關(guān)鍵材料，也是節(jié)能環(huán)保和滿足美好生活要求所必須的先進材料。近十年來，隨著新的稀土工業(yè)污染物排放標準的實施，人們在廣泛的稀土新功能發(fā)現(xiàn)和新材料制備的研究中對于環(huán)境保護和稀土資源利用效率給予了更大的關(guān)注。

　　一、“不成礦”的稀土礦——中國南方離子吸附型稀土礦

　　我國的稀土礦床類型主要有兩種，分別是堿性巖-碳酸巖型礦床和離子吸附型稀土礦床。

圖：世界最大稀土礦區(qū)白云鄂博

　　離子吸附型稀土礦的英文簡稱為iREE，又被稱為風化殼型稀土礦，于1969年在江西龍南首次被發(fā)現(xiàn)，雖然其品位不算高，但稀土元素配分齊全，因中重稀土含量高引起高度重視。

　　離子吸附型稀土礦床是典型的表生作用下形成的礦床，在潮濕高溫的地區(qū)，成礦母巖經(jīng)過一系列的風化作用后，含有大量稀土元素且易風化的礦物會被分解，其中的稀土元素也從礦物的晶格中析出，形成離子態(tài)，并隨著土壤溶液和地下水向下運移，被高嶺石、蒙脫石、埃洛石等黏土礦物所吸附，最終富集成礦。

　　二、離子吸附型稀土的綠色、高效電動開采新技術(shù)

　　近日，中國科學院廣州地球化學研究所何宏平研究員團隊在《自然·可持續(xù)》(Nature Sustainability)上發(fā)表了通電開采離子吸附型稀土礦的研究成果，提出了通電開采離子吸附型稀土礦的新概念。該技術(shù)設(shè)想在礦山的山頂和山腳分別布置電極并連接電源的正極和負極，將電源和山體連接，構(gòu)成一個超級大電池。通電后土壤中的稀土陽離子在外加電場的作用下從電源正極向電源負極方向流動，最終在電源負極附近被收集。這個大膽的設(shè)想是基于土壤具有導(dǎo)電性，土壤中的稀土離子能夠被其它陽離子交換釋放，且稀土離子能夠在土壤中的孔隙中移動的條件，而離子吸附型稀土礦中稀土獨特的離子存在的狀態(tài)恰好滿足這樣的條件。研究人員通過實驗室模擬實驗和現(xiàn)場驗證逐步探索了最佳通電條件，驗證了這一理論的可行性。

　　首先，向稀土礦山中加入電解質(zhì)溶液，一個個被“束縛”的稀土離子被解吸釋放出來，在土壤中游動，整裝待發(fā)。同時，游離的稀土離子使得土壤導(dǎo)電性大大增加。此時，給土壤通入直流電，稀土離子將沿著電流方向疾速前進。此外，研究還發(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(yīng)性差異實現(xiàn)“自除雜”，有望顯著降低稀土純化的成本。

　　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)為其他以離子態(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。該技術(shù)的研發(fā)過程形成了以國家發(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，研究團隊正在合作開展應(yīng)用示范。