我国稀土采选分离技术全球领先

在神话中，息壤是可以自己生长不息的土壤。如今，一种类似“息壤”功能的新型萃取沉淀剂面世了，其“神奇”之处在于，可与稀土形成固体萃合物，并可以反复萃取和循环使用，大大提高了稀土分离富集效率，有效避免传统技术中大量“三废”污染。
作为不可再生的稀缺性战略资源，稀土被誉为“超级工业味精”，当前低成本稀土清洁生产技术成为世界性难题，是各国竞争拼抢的行业制高点。这项由中科院海西研究院厦门稀土材料研究所孙晓琦团队发明的科技成果，相关工作日前在国际期刊《湿法冶金》上发表，使我国在稀土采选分离技术上继续保持全球领先地位。
　繁荣之中的“三废”隐忧
小到手机、照相机，大到精确制导导弹、火箭卫星，现实中处处都有稀土的影子。稀土分轻稀土和重稀土两类。特别是，分布我国南方的离子型矿，占据了全球70％以上的重稀土资源，其资源稀缺，可替代性小，可广泛应用于航天、军事、国防及新材料合成等高精尖领域。
然而，早前的中国，虽是稀土大国，却是相关研发的“弱国”。上世纪60年代，稀土分离提纯核心技术一直掌握在世界少数国家手中。拥有巨大稀土资源的中国，当时却不得不从国外高价购进深加工的稀土产品。
经过徐光宪院士等老一辈科学家几十年的艰苦努力，我国稀土分离化学与工程研究取得长足进步，在稀土采掘、冶炼、分离提纯方面占据领先地位，建立了完整的稀土资源利用产业链，成为全球储量最大、产量最大和出口量最大的国家。但传统的稀土分离提纯技术也带来资源利用率有待提高、环境治理成本较高等问题。
据测算，我国传统离子型稀土矿冶金技术平均资源利用率不到25％，每分离1吨离子吸附型稀土矿消耗8—10吨盐酸、6—8吨液碱或1—1.2吨液氨等。国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者特聘教授李梅为此曾痛心地说：“几十年来，我们为全世界提供了90％以上的稀土原料，别的国家用上了新材料，我们自己却制造出了严重的环境污染。”
事实上，国内传统工业稀土分离体系源于国外，已工业运用几十年，企业很难通过调节流程参数对其存在缺陷加以优化。如何改变稀土提取的原料结构，让整个稀土提取工艺不产生“三废”问题？多年来，国内稀土行业一直在思考和探索着。
改变“亦步亦趋”的困境，从源头上开辟自主创新之路！孙晓琦团队着眼国家目标、立足基础研究，开拓新型萃取体系，推动清洁高性能稀土分离技术的研发，提升资源综合利用水平，努力实现可持续发展。
　　找到“息壤”，率先开发新型“分离术”
在稀土湿法冶金工业中，以萃取剂为基础分离流程的主要作用是使金属得到提纯与富集，因此萃取剂是影响萃取工艺成败的最关键因素。
在我国稀土工业生产领域，溶剂萃取法和化学沉淀法是应用最广泛的两种分离技术，但在现阶段仍然存在诸多不足，如溶剂萃取法需要大量使用挥发性有机溶剂，存在安全和环境问题；碳酸氢氨和草酸工业沉淀剂难以循环使用，所产生废水对环境造成不良影响。
“实现清洁高效稀土分离技术研发的关键，在于设计、制备和筛选低成本、高性能的萃取—沉淀剂。”孙晓琦说，这是一个相当复杂的过程，需要全面考虑成本、原料、稳定性、萃取率、选择性、平衡时间、萃取容量、反萃性能、溶解性、毒性等因素。
为此，孙晓琦团队开展了大量应用基础研究，应用世界前沿技术，对高效清洁稀土分离工艺研发过程中所涉及的溶液配位化学、萃取剂设计、萃取机理、分离材料等基本科学问题开展系统研究，解决稀土分离流程从应用基础研究向产业化过渡过程中的关键科学问题。
在此基础上，孙晓琦团队设计制备了新型苯氧羧酸类萃取剂，该型萃取剂可以定量萃取低浓度稀土，与稀土形成固体萃合物，并可以反复萃取和循环使用。基于该类萃取剂，结合溶剂萃取法和化学沉淀法的优势，开发出了全新的萃取—沉淀法工艺。
该团队通过与赣州稀土集团、厦门钨业股份有限公司、北方稀土集团等合作开展的工业试验表明，与传统分离技术相比，这一新型分离技术的特征是萃取过程不使用有机溶剂，萃取—沉淀剂能够反萃及循环使用，具有无工业废水产生、低成本等优势；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几十倍以上，大大提高了稀土分离提纯效率，具备良好的工业应用前景。
可按萃取剂“基因图谱”定制最优分离工艺
我国福建、江西、广东、广西、湖南等南方省份都有离子型稀土矿分布，但成份差异较大。以福建、江西的离子型矿为代表，其矿中稀土配分就不相同，因此，所研发的工艺参数也会有较大差异。这一问题如何破解呢？
为此，中科院海西院厦门稀土所与国家重大科学工程上海光源合作，采用同步辐射技术对设计制备的新型萃取剂与稀土的作用机理、构效关系、物种分布开展研究，力争从分子水平认识萃取剂的各种因素对稀土分离流程的影响，形成面向不同种类离子型矿稀土的萃取—沉淀剂“基因图谱”。
在此基础上，孙晓琦团队与相关企业合作，研究不同种类离子型矿分离工艺。对于有工业应用前景的萃取剂和分离材料，根据分离工艺需要，协调成本和性能的关系，进一步筛选和优化结构。同时，系统评估不同矿种、不同萃取体系、不同分离装备对流程的影响，优化工艺参数，确定最优工艺路线。
目前，孙晓琦团队已构建起新型的清洁高效稀土分离技术体系，包括新型萃取剂和分离材料、稀土矿浸出液富集技术、重稀土分离工艺、离子液皂化技术、放射性废渣综合处理技术等。其创新性工作相继在《美国化学工程师学会会志》《美国化学会可持续化学与工程》《绿色化学》等国际期刊发表，并入选英国化学工程师学会全球奖、中国化工学会侯德榜化工科学技术奖、中国稀土学会杰出工程师奖。
“从工程技术中发现基础科学问题，再将基础研究所取得的成果应用于工业实践”，目前该所已组建稀土高效清洁分离团队、稀土回收技术研发团队等8个产业化研发团队，加快所研发技术在行业内的推广，推动我国离子型稀土分离工业的发展。