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(fù)萃取和循環(huán)使用，大大提高稀土分離富集效率，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”。目前，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(dǎo)導(dǎo)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(yīng)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”。20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(xué)家?guī)资甑钠D苦努力，我國稀土分離化學(xué)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)量最高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噸~10噸鹽酸、6噸~8噸液堿或1噸~1.2噸液氨等。國家杰出青年基金獲得者、教育部長江學(xué)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(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)生的廢水對環(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(fù)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(yīng)用基礎(chǔ)研究，應(yīng)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(xué)、萃取劑設(shè)計、萃取機理、分離材料等基本科學(xué)問題開展系統(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)化過渡過程中的關(guān)鍵科學(xué)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(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，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(yīng)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，但成分差異較大。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材料研究所與國家重大科學(xué)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(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(xué)工程師學(xué)會會志》、《美國化學(xué)會可持續(xù)化學(xué)與工程》、《綠色化學(xué)》等國際期刊發(fā)表，并入選英國化學(xué)工程師學(xué)會全球獎、中國化工學(xué)會侯德榜化工科學(xué)技術(shù)獎、中國稀土學(xué)會杰出工程師獎。

“從工程技術(shù)中發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)科學(xué)問題，再將基礎(chǔ)研究所取得的成果應(yīng)用于工業(yè)實踐。”目前，中科院海西研究院廈門稀土材料研究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。