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稀土是什么？稀土是土嗎？稀土并不是土，而是一種重要的戰(zhàn)略資源，也被稱為“工業(yè)維生素”。

在開采稀土這種重要資源的過程中，技術(shù)上發(fā)生了很多次變革。如今，我們發(fā)現(xiàn)了更為高效且兼具環(huán)保的稀土開采方法。如果這種方法可以推行的話，在將來，可能只需要“電一電”，稀土就出來了。

在認(rèn)識這種新方法之前，我們得先弄清楚稀土是什么。

后工業(yè)時(shí)代的“工業(yè)維生素”——稀土

稀土，是元素周期表上第三副族的21號元素鈧（Sc）、39號元素釔（Y）和原子序數(shù)51到71的鑭系元素的統(tǒng)稱。由于稀土元素在國防軍工、航空航天、特種材料、冶金、能源和農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域具有特殊的用途和重要性，大家經(jīng)常稱其為“工業(yè)維生素”。我國未來著重發(fā)展的高端裝備制造、新能源、新材料產(chǎn)業(yè)、新能源汽車產(chǎn)業(yè)等重點(diǎn)制造領(lǐng)域都和稀土有密切的關(guān)系，稀土是我國高度重視的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源。

Rare earth element（REE）稀土介紹(圖片來源：作者自制)

名為稀土，稀土不稀

從1794年發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)的稀土元素成員釔元素，到1947年最后一個(gè)發(fā)現(xiàn)的钷元素，稀土元素的發(fā)現(xiàn)前后歷經(jīng)153年。由于早期分析技術(shù)水平低，而且它們一般被發(fā)現(xiàn)于富集的風(fēng)化殼上，呈土狀（這也是稀土名字的來源），難以溶解，人們誤認(rèn)為它們在地殼中很稀少。

實(shí)際上稀土并不稀少，稀土的地殼豐度（指一種元素在地球表面的地殼中的含量）為0.017%。稀土元素中的一些成員，如鑭（Ce）、鈰（La）、釹（Nd）的地球化學(xué)豐度比我們更為熟悉的錫（Sn）、鉛（Pb）等金屬元素還要高。

“不成礦”的稀土礦——中國南方離子吸附型稀土礦

1969年，江西地質(zhì)局九〇八大隊(duì)在龍南縣開展區(qū)域普查時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)刈愣吹貐^(qū)花崗巖風(fēng)化殼中的稀土含量異常的高。但是，按照當(dāng)時(shí)常規(guī)的重選選礦方式，所得重砂卻很低，且淘洗時(shí)間越長，收集到的稀土越少，甚至無法回收。

研究人員通過對選礦產(chǎn)物的多次檢測、研究后發(fā)現(xiàn)，稀土元素竟然都流到了洗選后的選礦廢水中。這一獨(dú)特現(xiàn)象揭開了我國第一個(gè)離子吸附型稀土礦。通過大量的地質(zhì)勘探、試驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐證明，最終認(rèn)定該礦床為我國獨(dú)特的新型外生稀土類型。

離子吸附型稀土礦是什么呢？它又與傳統(tǒng)的稀土礦有什么區(qū)別呢？

該礦床中的稀土不以傳統(tǒng)的稀土礦物存在，而是以一種特殊的“不成礦”的“離子相”吸附于黏土礦物中。

隨著地質(zhì)工作的進(jìn)一步深入，此后廣東、福建、湖南、廣西等地也相繼發(fā)現(xiàn)了離子吸附型稀土礦床的分布。僅南嶺地區(qū)勘探礦化面積就達(dá)近10萬平方公里，礦區(qū)二百余個(gè)。

與北方輕稀土礦床相比，南方離子吸附型稀土礦稀土元素配分齊全、重稀土元素含量高，稀土元素賦存狀態(tài)種類多，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但其稀土元素含量極低、分布不均勻，導(dǎo)致其開采也非常困難。

山體破碎——稀土傳統(tǒng)開采方式

稀土元素因性質(zhì)不同，可以分為輕稀土、中稀土和重稀土。

我們國家稀土資源主要分布在三大礦集區(qū)：一是白云鄂博，儲量約3500萬噸稀土氧化物；二是川西，約500萬噸；三是南方七省離子吸附型稀土，約1000萬噸。前兩個(gè)地區(qū)主要富輕稀土，而南方離子吸附型稀土礦則相對富中重稀土。

由于輕重稀土礦床中的稀土存在形式差異巨大，其開采方式也是截然不同。

北方輕稀土礦床中的稀土主要以稀土氧化物的形式賦存于含稀土礦物中，其開采方式是表土剝離、開挖山體、采掘礦石、破碎加工、化學(xué)溶解、除雜精制。該方法對山體的破壞性強(qiáng)，加工過程使用大量的酸、堿，環(huán)境污染嚴(yán)重。

離子吸附型稀土礦開采的劃時(shí)代變革——原地浸取工藝

在離子吸附型稀土礦中，稀土以離子態(tài)吸附在土壤中，容易被其它離子交換出來。其開采經(jīng)歷了池浸、堆浸和原地浸出三個(gè)主要的發(fā)展階段。

池浸和堆浸工藝是用人力或機(jī)械將露天采掘的礦土運(yùn)至水池或堆浸場中進(jìn)行滲濾浸出。這兩種工藝最大的缺點(diǎn)與輕稀土的開采相同，需要開挖山體、采掘礦石，對礦山環(huán)境破壞尤為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)1噸稀土產(chǎn)品，會產(chǎn)生1200-1500m3的尾礦。

原地浸取工藝是在不破壞礦區(qū)地表植被、不開挖表土與礦石的情況下，將高濃度的陽離子溶液（通常是硫酸銨溶液）注入礦山，交換浸出其中的稀土離子。稀土離子在上方注水壓力和重力的作用下流向礦山底部，并最終被收集。

顯然，原地浸出工藝極大地改變了傳統(tǒng)的“搬山運(yùn)動式”的采礦方式，在根本上改變了礦山開采的理念，具有劃時(shí)代的意義。

打破傳統(tǒng)開采模式，提出稀土開采新理念——通電開采

雖然原地浸出工藝已經(jīng)是礦產(chǎn)開發(fā)的大突破，但是科研人員們又提出開采稀土礦的新發(fā)現(xiàn)——通過通電來采集稀土。

這種新工藝，如果具體施行的話，將大大提升開采的速度，又將成為礦山開采的一次大進(jìn)步！

近日，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所何宏平研究員團(tuán)隊(duì)在《自然·可持續(xù)》（Nature Sustainability）上發(fā)表了通電開采離子吸附型稀土礦的研究成果（閱讀原文：https://www.nature.com/articles/s41893-022-00989-3），提出了通電開采離子吸附型稀土礦的新概念。

該技術(shù)設(shè)想在礦山的山頂和山腳分別布置電極并連接電源的正極和負(fù)極，將電源和山體連接，構(gòu)成一個(gè)超級大電池。通電后土壤中的稀土陽離子在外加電場的作用下從電源正極向電源負(fù)極方向流動，最終在電源負(fù)極附近被收集。

通電開采稀土示意圖（圖片來源：作者自制）

這個(gè)大膽的設(shè)想是基于土壤具有導(dǎo)電性，土壤中的稀土離子能夠被其它陽離子交換釋放，且稀土離子能夠在土壤中的孔隙中移動的條件，而離子吸附型稀土礦中稀土獨(dú)特的離子存在的狀態(tài)恰好滿足這樣的條件。

“電一下”，稀土出來了

研究人員通過實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場驗(yàn)證逐步探索了最佳通電條件，驗(yàn)證了這一理論的可行性。

首先，向稀土礦山中加入電解質(zhì)溶液，一個(gè)個(gè)被“束縛”的稀土離子被解吸釋放出來，在土壤中游動，整裝待發(fā)。同時(shí)，游離的稀土離子使得土壤導(dǎo)電性大大增加。此時(shí)，給土壤通入直流電，稀土離子將沿著電流方向疾速前進(jìn)。

與現(xiàn)有的開采手段相比，稀土離子所受電場力遠(yuǎn)大于自然狀態(tài)下的重力，因而其移動速度也大大提高。結(jié)果表明，在通電的作用下稀土成功地從土壤中分離了出來，且通電開采效率遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的開采手段。

研究人員下一步的工作目標(biāo)就是把這種通電的技術(shù)應(yīng)用起來，積極推廣該技術(shù)的實(shí)用化，將我們的“想象”轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。我們共同期待，在未來，可能“電一電”，就能環(huán)保高效地開采稀土啦！

（圖片來源：作者自制）

出品：科普中國

作者：王高鋒（中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所）