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

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技術成為世界性難題，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上繼續(xù)保持全球領先地位。

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域。

然而，早前的中國，雖是稀土大國，卻是相關研發(fā)的“弱國”。上世紀60年代，稀土分離提純核心技術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)領先地位，建立了完整的稀土資源利用產業(yè)鏈，成為全球儲量最大、產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構，讓整個稀土提取工藝不產生“三廢”問題?多年來，國內稀土行業(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、立足基礎研究，開拓新型萃取體系，推動清潔高性能稀土分離技術的研發(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”

在稀土濕法冶金工業(yè)中，以萃取劑為基礎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鍵因素。

在我國稀土工業(yè)生產領域，溶劑萃取法和化學沉淀法是應用最廣泛的兩種分離技術，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研發(fā)的關鍵，在于設計、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研究，應用世界前沿技術，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研究向產業(yè)化過渡過程中的關鍵科學問題。

在此基礎上，孫曉琦團隊設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)分離技術相比，這一新型分離技術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，采用同步輻射技術對設計制備的新型萃取劑與稀土的作用機理、構效關系、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”。

在此基礎上，孫曉琦團隊與相關企業(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)調成本和性能的關系，進一步篩選和優(yōu)化結構。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，孫曉琦團隊已構建起新型的清潔高效稀土分離技術體系，包括新型萃取劑和分離材料、稀土礦浸出液富集技術、重稀土分離工藝、離子液皂化技術、放射性廢渣綜合處理技術等。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獎、中國稀土學會杰出工程師獎。

“從工程技術中發(fā)現(xiàn)基礎科學問題，再將基礎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、稀土回收技術研發(fā)團隊等8個產業(yè)化研發(fā)團隊，加快所研發(fā)技術在行業(yè)內的推廣，推動我國離子型稀土分離工業(yè)的發(fā)展。