在神話中，息壤是可以自己生長(zhǎng)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(fù)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(yù)為“超級(jí)工業(yè)味精”，當(dāng)前低成本稀土清潔生產(chǎn)技術(shù)成為世界性難題，是各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)拼搶的行業(yè)制高點(diǎn)。這項(xiàng)由中科院海西研究院廈門(mén)稀土材料研究所孫曉琦團(tuán)隊(duì)發(fā)明的科技成果，相關(guān)工作日前在國(guó)際期刊《濕法冶金》上發(fā)表，使我國(guó)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(jī)、照相機(jī)，大到精確制導(dǎo)導(dǎo)彈、火箭衛(wèi)星，現(xiàn)實(shí)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(guó)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(yīng)用于航天、軍事、國(guó)防及新材料合成等高精尖領(lǐng)域。
然而，早前的中國(guó)，雖是稀土大國(guó)，卻是相關(guān)研發(fā)的“弱國(guó)”。上世紀(jì)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(guó)家手中。擁有巨大稀土資源的中國(guó)，當(dāng)時(shí)卻不得不從國(guó)外高價(jià)購(gòu)進(jìn)深加工的稀土產(chǎn)品。
經(jīng)過(guò)徐光憲院士等老一輩科學(xué)家?guī)资甑钠D苦努力，我國(guó)稀土分離化學(xué)與工程研究取得長(zhǎng)足進(jìn)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(chǔ)量最大、產(chǎn)量最大和出口量最大的國(guó)家。但傳統(tǒng)的稀土分離提純技術(shù)也帶來(lái)資源利用率有待提高、環(huán)境治理成本較高等問(wèn)題。
據(jù)測(cè)算，我國(guó)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(guó)家杰出青年基金獲得者、教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授李梅為此曾痛心地說(shuō)：“幾十年來(lái)，我們?yōu)槿澜缣峁┝?0%以上的稀土原料，別的國(guó)家用上了新材料，我們自己卻制造出了嚴(yán)重的環(huán)境污染。”
事實(shí)上，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)工業(yè)稀土分離體系源于國(guó)外，已工業(yè)運(yùn)用幾十年，企業(yè)很難通過(guò)調(diào)節(jié)流程參數(shù)對(duì)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(gè)稀土提取工藝不產(chǎn)生“三廢”問(wèn)題?多年來(lái)，國(guó)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(kāi)辟自主創(chuàng)新之路!孫曉琦團(tuán)隊(duì)著眼國(guó)家目標(biāo)、立足基礎(chǔ)研究，開(kāi)拓新型萃取體系，推動(dòng)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(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
找到“息壤”，率先開(kāi)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(guó)稀土工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，溶劑萃取法和化學(xué)沉淀法是應(yīng)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(jī)溶劑，存在安全和環(huán)境問(wèn)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(duì)環(huán)境造成不良影響。
“實(shí)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(jì)、制備和篩選低成本、高性能的萃取—沉淀劑。”孫曉琦說(shuō)，這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，需要全面考慮成本、原料、穩(wěn)定性、萃取率、選擇性、平衡時(shí)間、萃取容量、反萃性能、溶解性、毒性等因素。
為此，孫曉琦團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了大量應(yīng)用基礎(chǔ)研究，應(yīng)用世界前沿技術(shù)，對(duì)高效清潔稀土分離工藝研發(fā)過(guò)程中所涉及的溶液配位化學(xué)、萃取劑設(shè)計(jì)、萃取機(jī)理、分離材料等基本科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展系統(tǒng)研究，解決稀土分離流程從應(yīng)用基礎(chǔ)研究向產(chǎn)業(yè)化過(guò)渡過(guò)程中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
在此基礎(chǔ)上，孫曉琦團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(fù)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(xué)沉淀法的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)出了全新的萃取—沉淀法工藝。
該團(tuán)隊(duì)通過(guò)與贛州稀土集團(tuán)、廈門(mén)鎢業(yè)股份有限公司、北方稀土集團(tuán)等合作開(kāi)展的工業(yè)試驗(yàn)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(guò)程不使用有機(jī)溶劑，萃取—沉淀劑能夠反萃及循環(huán)使用，具有無(wú)工業(yè)廢水產(chǎn)生、低成本等優(yōu)勢(shì);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(yīng)用前景。
可按萃取劑“基因圖譜”定制最優(yōu)分離工藝
我國(guó)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(huì)有較大差異。這一問(wèn)題如何破解呢?
為此，中科院海西院廈門(mén)稀土所與國(guó)家重大科學(xué)工程上海光源合作，采用同步輻射技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)制備的新型萃取劑與稀土的作用機(jī)理、構(gòu)效關(guān)系、物種分布開(kāi)展研究，力爭(zhēng)從分子水平認(rèn)識(shí)萃取劑的各種因素對(duì)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(tuán)隊(duì)與相關(guān)企業(yè)合作，研究不同種類離子型礦分離工藝。對(duì)于有工業(yè)應(yīng)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(jìn)一步篩選和優(yōu)化結(jié)構(gòu)。同時(shí)，系統(tǒng)評(píng)估不同礦種、不同萃取體系、不同分離裝備對(duì)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(tuán)隊(duì)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(guó)化學(xué)工程師學(xué)會(huì)會(huì)志》《美國(guó)化學(xué)會(huì)可持續(xù)化學(xué)與工程》《綠色化學(xué)》等國(guó)際期刊發(fā)表，并入選英國(guó)化學(xué)工程師學(xué)會(huì)全球獎(jiǎng)、中國(guó)化工學(xué)會(huì)侯德榜化工科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)、中國(guó)稀土學(xué)會(huì)杰出工程師獎(jiǎng)。
“從工程技術(shù)中發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，再將基礎(chǔ)研究所取得的成果應(yīng)用于工業(yè)實(shí)踐”，目前該所已組建稀土高效清潔分離團(tuán)隊(duì)、稀土回收技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)等8個(gè)產(chǎn)業(yè)化研發(fā)團(tuán)隊(duì)，加快所研發(fā)技術(shù)在行業(yè)內(nèi)的推廣，推動(dòng)我國(guó)離子型稀土分離工業(yè)的發(fā)展。(記者 謝開(kāi)飛)
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