稀土開采新技術出爐

　　稀土是什么?稀土是土嗎?稀土并不是土，而是一種重要的戰略資源，也被稱為“工業維生素”。

　　在開采稀土這種重要資源的過程中，技術上發生了很多次變革。如今，我們發現了更為高效且兼具環保的稀土開采方法。如果這種方法可以推行的話，在將來，可能只需要“電一電”，稀土就出來了。

　　在認識這種新方法之前，我們得先弄清楚稀土是什么。

　　后工業時代的“工業維生素”——稀土

　　稀土，是元素周期表上第三副族的21號元素鈧(Sc)、39號元素釔(Y)和原子序數51到71的鑭系元素的統稱。由于稀土元素在國防軍工、航空航天、特種材料、冶金、能源和農業等諸多領域具有特殊的用途和重要性，大家經常稱其為“工業維生素”。我國未來著重發展的高端裝備制造、新能源、新材料產業、新能源汽車產業等重點制造領域都和稀土有密切的關系，稀土是我國高度重視的戰略性礦產資源。

　　名為稀土，稀土不稀

　　從1794年發現并確認的稀土元素成員釔元素，到1947年最后一個發現的钷元素，稀土元素的發現前后歷經153年。由于早期分析技術水平低，而且它們一般被發現于富集的風化殼上，呈土狀(這也是稀土名字的來源)，難以溶解，人們誤認為它們在地殼中很稀少。

　　實際上稀土并不稀少，稀土的地殼豐度(指一種元素在地球表面的地殼中的含量)為0.017%。稀土元素中的一些成員，如鑭(Ce)、鈰(La)、釹(Nd)的地球化學豐度比我們更為熟悉的錫(Sn)、鉛(Pb)等金屬元素還要高。

　　“不成礦”的稀土礦——中國南方離子吸附型稀土礦

　　1969年，江西地質局九〇八大隊在龍南縣開展區域普查時，發現當地足洞地區花崗巖風化殼中的稀土含量異常的高。但是，按照當時常規的重選選礦方式，所得重砂卻很低，且淘洗時間越長，收集到的稀土越少，甚至無法回收。

　　研究人員通過對選礦產物的多次檢測、研究后發現，稀土元素竟然都流到了洗選后的選礦廢水中。這一獨特現象揭開了我國第一個離子吸附型稀土礦。通過大量的地質勘探、試驗研究和生產實踐證明，最終認定該礦床為我國獨特的新型外生稀土類型。

　　離子吸附型稀土礦是什么呢?它又與傳統的稀土礦有什么區別呢?

　　該礦床中的稀土不以傳統的稀土礦物存在，而是以一種特殊的“不成礦”的“離子相”吸附于黏土礦物中。

　　隨著地質工作的進一步深入，此后廣東、福建、湖南、廣西等地也相繼發現了離子吸附型稀土礦床的分布。僅南嶺地區勘探礦化面積就達近10萬平方公里，礦區二百余個。

　　與北方輕稀土礦床相比，南方離子吸附型稀土礦稀土元素配分齊全、重稀土元素含量高，稀土元素賦存狀態種類多，具有極高的經濟價值，但其稀土元素含量極低、分布不均勻，導致其開采也非常困難。

　　山體破碎——稀土傳統開采方式

　　稀土元素因性質不同，可以分為輕稀土、中稀土和重稀土。

　　我們國家稀土資源主要分布在三大礦集區：一是白云鄂博，儲量約3500萬噸稀土氧化物;二是川西，約500萬噸;三是南方七省離子吸附型稀土，約1000萬噸。前兩個地區主要富輕稀土，而南方離子吸附型稀土礦則相對富中重稀土。

　　由于輕重稀土礦床中的稀土存在形式差異巨大，其開采方式也是截然不同。

　　北方輕稀土礦床中的稀土主要以稀土氧化物的形式賦存于含稀土礦物中，其開采方式是表土剝離、開挖山體、采掘礦石、破碎加工、化學溶解、除雜精制。該方法對山體的破壞性強，加工過程使用大量的酸、堿，環境污染嚴重。

　　離子吸附型稀土礦開采的劃時代變革——原地浸取工藝

　　在離子吸附型稀土礦中，稀土以離子態吸附在土壤中，容易被其它離子交換出來。其開采經歷了池浸、堆浸和原地浸出三個主要的發展階段。

　　池浸和堆浸工藝是用人力或機械將露天采掘的礦土運至水池或堆浸場中進行滲濾浸出。這兩種工藝最大的缺點與輕稀土的開采相同，需要開挖山體、采掘礦石，對礦山環境破壞尤為嚴重。據統計，每生產1噸稀土產品，會產生1200-1500 m3的尾礦。

　　原地浸取工藝是在不破壞礦區地表植被、不開挖表土與礦石的情況下，將高濃度的陽離子溶液(通常是硫酸銨溶液)注入礦山，交換浸出其中的稀土離子。稀土離子在上方注水壓力和重力的作用下流向礦山底部，并最終被收集。

　　顯然，原地浸出工藝極大地改變了傳統的“搬山運動式”的采礦方式，在根本上改變了礦山開采的理念，具有劃時代的意義。

　　打破傳統開采模式，提出稀土開采新理念——通電開采

　　雖然原地浸出工藝已經是礦產開發的大突破，但是科研人員們又提出開采稀土礦的新發現——通過通電來采集稀土。

　　這種新工藝，如果具體施行的話，將大大提升開采的速度，又將成為礦山開采的一次大進步!

　　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》(Nature Sustainability)上發表了通電開采離子吸附型稀土礦的研究成果(閱讀原文：https://www.nature.com/articles/s41893-022-00989-3)，提出了通電開采離子吸附型稀土礦的新概念。

　　該技術設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。

　　通電開采稀土示意圖(圖片來源：作者自制)

　　這個大膽的設想是基于土壤具有導電性，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恰好滿足這樣的條件。

　　“電一下”，稀土出來了

　　研究人員通過實驗室模擬實驗和現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。同時，游離的稀土離子使得土壤導電性大大增加。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。

　　與現有的開采手段相比，稀土離子所受電場力遠大于自然狀態下的重力，因而其移動速度也大大提高。結果表明，在通電的作用下稀土成功地從土壤中分離了出來，且通電開采效率遠高于現有的開采手段。

　　研究人員下一步的工作目標就是把這種通電的技術應用起來，積極推廣該技術的實用化，將我們的“想象”轉變為現實。我們共同期待，在未來，可能“電一電”，就能環保高效地開采稀土啦!