我國在稀土采選分離技術上繼續保持全球領先地位

  • 科技日報
  • 2019-06-03 15:16:54

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使用,大大提高了稀土分離富集效率,有效避免傳統技術中大量“三廢”污染。

作為不可再生的稀缺性戰略資源,稀土被譽為“超級工業味精”,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明的科技成果,相關工作日前在國際期刊《濕法冶金》上發表,使我國在稀土采選分離技術上繼續保持全球領先地位。

繁榮之中的“三廢”隱憂

小到手機、照相機,大到精確制導導彈、火箭衛星,現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。

經過徐光憲院士等老一輩科學家幾十年的艱苦努力,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、分離提純方面占據領先地位,建立了完整的稀土資源利用產業鏈,成為全球儲量最大、產量最大和出口量最大的國家。但傳統的稀土分離提純技術也帶來資源利用率有待提高、環境治理成本較高等問題。

據測算,我國傳統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,我們為全世界提供了90%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境污染。”

事實上,國內傳統工業稀土分離體系源于國外,已工業運用幾十年,企業很難通過調節流程參數對其存在缺陷加以優化。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,提升資源綜合利用水平,努力實現可持續發展。

找到“息壤”,率先開發新型“分離術”

在稀土濕法冶金工業中,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,但在現階段仍然存在諸多不足,如溶劑萃取法需要大量使用揮發性有機溶劑,存在安全和環境問題;碳酸氫氨和草酸工業沉淀劑難以循環使用,所產生廢水對環境造成不良影響。

“實現清潔高效稀土分離技術研發的關鍵,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研究,解決稀土分離流程從應用基礎研究向產業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使用?;谠擃愝腿?,結合溶劑萃取法和化學沉淀法的優勢,開發出了全新的萃取—沉淀法工藝。

該團隊通過與贛州稀土集團、廈門鎢業股份有限公司、北方稀土集團等合作開展的工業試驗表明,與傳統分離技術相比,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使用,具有無工業廢水產生、低成本等優勢;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,具備良好的工業應用前景。

可按萃取劑“基因圖譜”定制最優分離工藝

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,所研發的工藝參數也會有較大差異。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合作,研究不同種類離子型礦分離工藝。對于有工業應用前景的萃取劑和分離材料,根據分離工藝需要,協調成本和性能的關系,進一步篩選和優化結構。同時,系統評估不同礦種、不同萃取體系、不同分離裝備對流程的影響,優化工藝參數,確定最優工藝路線。

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》《美國化學會可持續化學與工程》《綠色化學》等國際期刊發表,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。

“從工程技術中發現基礎科學問題,再將基礎研究所取得的成果應用于工業實踐”,目前該所已組建稀土高效清潔分離團隊、稀土回收技術研發團隊等8個產業化研發團隊,加快所研發技術在行業內的推廣,推動我國離子型稀土分離工業的發展。

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