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我國稀土采選分離技術(shù)全球領(lǐng)先按萃取劑“基因圖譜”定制最優(yōu)分離工藝

2019-06-03 11:29:59來源：科技日報

在神話中，息壤是可以自己生長不息的土壤

。如今，一種類似息壤功能的新型萃取沉淀劑面世了

，其神奇之處在于，可與稀土形成固體萃合物

，并可...

在神話中

，息壤是可以自己生長不息的土壤

。如今

，一種類似“息壤”功能的新型萃取沉淀劑面世了，其“神奇”之處在于

，可與稀土形成固體萃合物

，并可以反復萃取和循環(huán)使用

，大大提高了稀土分離富集效率

，有效避免傳統(tǒng)技術(shù)中大量“三廢”污染

。

作為不可再生的稀缺性戰(zhàn)略資源

，稀土被譽為“超級工業(yè)味精”

，當前低成本稀土清潔生產(chǎn)技術(shù)成為世界性難題

，是各國競爭拼搶的行業(yè)制高點

。這項由中科院海西研究院廈門稀土材料研究所孫曉琦團隊發(fā)明的科技成果，相關(guān)工作日前在國際期刊《濕法冶金》上發(fā)表

，使我國在稀土采選分離技術(shù)上繼續(xù)保持全球領(lǐng)先地位

。

繁榮之中的“三廢”隱憂

小到手機

、照相機

，大到精確制導導彈、火箭衛(wèi)星

，現(xiàn)實中處處都有稀土的影子。稀土分輕稀土和重稀土兩類

。特別是，分布我國南方的離子型礦

，占據(jù)了全球70%以上的重稀土資源

，其資源稀缺，可替代性小

，可廣泛應用于航天

、軍事、國防及新材料合成等高精尖領(lǐng)域

。

然而，早前的中國

，雖是稀土大國

，卻是相關(guān)研發(fā)的“弱國”

。上世紀60年代，稀土分離提純核心技術(shù)一直掌握在世界少數(shù)國家手中

。擁有巨大稀土資源的中國

，當時卻不得不從國外高價購進深加工的稀土產(chǎn)品。

經(jīng)過徐光憲院士等老一輩科學家?guī)资甑钠D苦努力

，我國稀土分離化學與工程研究取得長足進步

，在稀土采掘

、冶煉

、分離提純方面占據(jù)領(lǐng)先地位，建立了完整的稀土資源利用產(chǎn)業(yè)鏈

，成為全球儲量最大

、產(chǎn)量最大和出口量最大的國家。但傳統(tǒng)的稀土分離提純技術(shù)也帶來資源利用率有待提高

、環(huán)境治理成本較高等問題

。

據(jù)測算，我國傳統(tǒng)離子型稀土礦冶金技術(shù)平均資源利用率不到25%

，每分離1噸離子吸附型稀土礦消耗8—10噸鹽酸

、6—8噸液堿或1—1.2噸液氨等

。國家杰出青年基金獲得者

、教育部長江學者特聘教授李梅為此曾痛心地說：“幾十年來

，我們?yōu)槿澜缣峁┝?0%以上的稀土原料

，別的國家用上了新材料，我們自己卻制造出了嚴重的環(huán)境污染。”

事實上

，國內(nèi)傳統(tǒng)工業(yè)稀土分離體系源于國外

，已工業(yè)運用幾十年，企業(yè)很難通過調(diào)節(jié)流程參數(shù)對其存在缺陷加以優(yōu)化

。如何改變稀土提取的原料結(jié)構(gòu)

，讓整個稀土提取工藝不產(chǎn)生“三廢”問題?多年來，國內(nèi)稀土行業(yè)一直在思考和探索著

。

改變“亦步亦趨”的困境，從源頭上開辟自主創(chuàng)新之路!孫曉琦團隊著眼國家目標

、立足基礎(chǔ)研究

，開拓新型萃取體系，推動清潔高性能稀土分離技術(shù)的研發(fā)

，提升資源綜合利用水平，努力實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展

。

找到“息壤”，率先開發(fā)新型“分離術(shù)”

在稀土濕法冶金工業(yè)中

，以萃取劑為基礎(chǔ)分離流程的主要作用是使金屬得到提純與富集

，因此萃取劑是影響萃取工藝成敗的最關(guān)鍵因素。

在我國稀土工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域

，溶劑萃取法和化學沉淀法是應用最廣泛的兩種分離技術(shù)

，但在現(xiàn)階段仍然存在諸多不足，如溶劑萃取法需要大量使用揮發(fā)性有機溶劑

，存在安全和環(huán)境問題;碳酸氫氨和草酸工業(yè)沉淀劑難以循環(huán)使用

，所產(chǎn)生廢水對環(huán)境造成不良影響。

“實現(xiàn)清潔高效稀土分離技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵

，在于設(shè)計、制備和篩選低成本

、高性能的萃取—沉淀劑。”孫曉琦說

，這是一個相當復雜的過程

，需要全面考慮成本、原料

、穩(wěn)定性

、萃取率、選擇性

、平衡時間

、萃取容量、反萃性能

、溶解性

、毒性等因素。

為此

，孫曉琦團隊開展了大量應用基礎(chǔ)研究

，應用世界前沿技術(shù)

，對高效清潔稀土分離工藝研發(fā)過程中所涉及的溶液配位化學

、萃取劑設(shè)計、萃取機理

、分離材料等基本科學問題開展系統(tǒng)研究

，解決稀土分離流程從應用基礎(chǔ)研究向產(chǎn)業(yè)化過渡過程中的關(guān)鍵科學問題。

在此基礎(chǔ)上

，孫曉琦團隊設(shè)計制備了新型苯氧羧酸類萃取劑

，該型萃取劑可以定量萃取低濃度稀土，與稀土形成固體萃合物

，并可以反復萃取和循環(huán)使用

。基于該類萃取劑，結(jié)合溶劑萃取法和化學沉淀法的優(yōu)勢

，開發(fā)出了全新的萃取—沉淀法工藝

。

該團隊通過與贛州稀土集團、廈門鎢業(yè)股份有限公司

、北方稀土集團等合作開展的工業(yè)試驗表明

，與傳統(tǒng)分離技術(shù)相比，這一新型分離技術(shù)的特征是萃取過程不使用有機溶劑

，萃取—沉淀劑能夠反萃及循環(huán)使用

，具有無工業(yè)廢水產(chǎn)生

、低成本等優(yōu)勢;且安全性好

，萃取—沉淀速率快，所得到的稀土沉淀富集物尺寸可增大幾十倍以上

，大大提高了稀土分離提純效率，具備良好的工業(yè)應用前景

。

可按萃取劑“基因圖譜”定制最優(yōu)分離工藝

我國福建

、江西

、廣東、廣西

、湖南等南方省份都有離子型稀土礦分布

，但成份差異較大。以福建

、江西的離子型礦為代表

，其礦中稀土配分就不相同，因此

，所研發(fā)的工藝參數(shù)也會有較大差異

。這一問題如何破解呢?

為此

，中科院海西院廈門稀土所與國家重大科學工程上海光源合作

，采用同步輻射技術(shù)對設(shè)計制備的新型萃取劑與稀土的作用機理、構(gòu)效關(guān)系

、物種分布開展研究

，力爭從分子水平認識萃取劑的各種因素對稀土分離流程的影響，形成面向不同種類離子型礦稀土的萃取—沉淀劑“基因圖譜”

。

在此基礎(chǔ)上

，孫曉琦團隊與相關(guān)企業(yè)合作，研究不同種類離子型礦分離工藝

。對于有工業(yè)應用前景的萃取劑和分離材料

，根據(jù)分離工藝需要，協(xié)調(diào)成本和性能的關(guān)系

，進一步篩選和優(yōu)化結(jié)構(gòu)

。同時，系統(tǒng)評估不同礦種

、不同萃取體系

、不同分離裝備對流程的影響

，優(yōu)化工藝參數(shù)

，確定最優(yōu)工藝路線。

目前

，孫曉琦團隊已構(gòu)建起新型的清潔高效稀土分離技術(shù)體系

，包括新型萃取劑和分離材料、稀土礦浸出液富集技術(shù)

、重稀土分離工藝、離子液皂化技術(shù)

、放射性廢渣綜合處理技術(shù)等

。其創(chuàng)新性工作相繼在《美國化學工程師學會會志》《美國化學會可持續(xù)化學與工程》《綠色化學》等國際期刊發(fā)表，并入選英國化學工程師學會全球獎

、中國化工學會侯德榜化工科學技術(shù)獎

、中國稀土學會杰出工程師獎。

“從工程技術(shù)中發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)科學問題

，再將基礎(chǔ)研究所取得的成果應用于工業(yè)實踐”，目前該所已組建稀土高效清潔分離團隊

、稀土回收技術(shù)研發(fā)團隊等8個產(chǎn)業(yè)化研發(fā)團隊

，加快所研發(fā)技術(shù)在行業(yè)內(nèi)的推廣，推動我國離子型稀土分離工業(yè)的發(fā)展

。

責任編輯：孫知兵

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