近日，我國(guó)科學(xué)家在稀土電驅(qū)開(kāi)采技術(shù)方面取得新的重大進(jìn)展，克服了規(guī)?；瘧?yīng)用中的技術(shù)瓶頸，使稀土采收率大于95%，浸取劑用量減少80%，開(kāi)采時(shí)間縮短70%，所需電能節(jié)約60%，向環(huán)境排放的氨氮量降低95%，表現(xiàn)出潛在的經(jīng)濟(jì)可行性。最新研究成果于北京時(shí)間1月6日在線發(fā)表在《自然-可持續(xù)》（Nature Sustainability）。
稀土是世界性戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源。風(fēng)化殼型稀土礦是我國(guó)優(yōu)勢(shì)礦種，為全世界提供了90%以上的中重稀土。然而，傳統(tǒng)的風(fēng)化殼型稀土開(kāi)采工藝——銨鹽原地浸取技術(shù)存在生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重、浸出周期長(zhǎng)、資源利用效率低等問(wèn)題，2018年以后已被我國(guó)禁用。為解決風(fēng)化殼型稀土礦綠色高效開(kāi)采的問(wèn)題，2023年中國(guó)科學(xué)院廣州地化所率先提出了一種綠色、高效、經(jīng)濟(jì)和快速的電驅(qū)開(kāi)采技術(shù)理念，完成了原理可行性驗(yàn)證并取得初步的實(shí)驗(yàn)成果。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，該技術(shù)仍面臨一系列問(wèn)題和挑戰(zhàn)，主要包括電極在潮濕和侵蝕性環(huán)境中長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性、大規(guī)模礦區(qū)應(yīng)用時(shí)可能出現(xiàn)的浸出液泄漏，以及地下水文條件和礦體結(jié)構(gòu)對(duì)稀土采收率的復(fù)雜影響。
為此，廣州地化所朱建喜研究員、何宏平院士團(tuán)隊(duì)通過(guò)深入凝練科學(xué)問(wèn)題及核心技術(shù)攻關(guān)，進(jìn)一步發(fā)展和完善了稀土電驅(qū)開(kāi)采新技術(shù)。通過(guò)研發(fā)新型防腐蝕低阻耗的惰性導(dǎo)電材料，設(shè)計(jì)高壓防滲策略，以及創(chuàng)新性地采用周期性交替通電方法，將該技術(shù)成功應(yīng)用于5000噸土方規(guī)模的稀土礦中試開(kāi)采（圖1）。
圖1. 風(fēng)化殼型稀土礦原位電驅(qū)開(kāi)采示意圖
針對(duì)常規(guī)金屬電極在土壤環(huán)境中易被腐蝕的問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型塑料導(dǎo)電電極。該電極具有優(yōu)異的導(dǎo)電性（200 S/m）和良好的耐電流沖擊能力（70 A，兩個(gè)月無(wú)損）。同時(shí)，由于塑料表面的疏水性，該電極能夠防止電化學(xué)腐蝕和減少水電解，并因其柔韌性可以更緊密地貼合礦體表面，從而提高電驅(qū)開(kāi)采過(guò)程的效率。
實(shí)際礦山結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裂隙發(fā)育嚴(yán)重，浸取劑和稀土浸出液在重力作用下常沿著裂隙快速遷移、泄露、導(dǎo)致稀土采收率降低。為此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種高壓防滲策略，通過(guò)高壓電場(chǎng)將浸出液封閉在指定收集區(qū)，同時(shí)利用電遷移和電滲原理控制稀土浸出液向集液池定向遷移。這一創(chuàng)新策略有效避免了傳統(tǒng)開(kāi)采中的“跑冒滴漏”，解決了傳統(tǒng)開(kāi)采中稀土浸出液無(wú)序流動(dòng)和環(huán)境污染的難題，為高效、安全的稀土開(kāi)采提供了創(chuàng)新性解決方案。
在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，電極數(shù)量眾多并相互干擾，且長(zhǎng)時(shí)間通電會(huì)引起電荷累積，降低通電效率并增加能耗。為此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了周期性交替通電方法。通過(guò)周期性切換陽(yáng)極與陰極，有效減少了電極極化現(xiàn)象，提升了電流效率。此外，通過(guò)給局部區(qū)域輪換通電，利用停電期間的額外擴(kuò)散作用促進(jìn)了浸取劑和稀土離子的交換反應(yīng)，提高了稀土采收率。相比給全區(qū)域同時(shí)通電，該方法可顯著節(jié)約電能，降低了成本。
通過(guò)60天的通電開(kāi)采，工業(yè)試驗(yàn)的稀土采收率達(dá)到了95%以上（圖2a）。環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，地下水和地表水中的氨氮排放量相比傳統(tǒng)開(kāi)采工藝減少了95%（圖2b，2c），極大降低了稀土開(kāi)采的環(huán)境影響?；诩夹g(shù)經(jīng)濟(jì)分析，電驅(qū)開(kāi)采技術(shù)在不計(jì)入環(huán)境修復(fù)成本的情況下，與傳統(tǒng)開(kāi)采技術(shù)的成本相當(dāng)，但傳統(tǒng)工藝的后期環(huán)境成本和生態(tài)修復(fù)費(fèi)用（主要是氨氮污染）通常較高。電驅(qū)開(kāi)采技術(shù)展現(xiàn)出潛在的經(jīng)濟(jì)可行性和環(huán)境優(yōu)勢(shì)。
圖2 工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果圖。（a）稀土采收率；（b）地下水氨氮含量；（c）地表水氨氮含量。
相關(guān)系列研究成果發(fā)表在《自然-可持續(xù)》（Nature sustainability）（2023,2025）、《創(chuàng)新》（The Innovation）（2024）、《化學(xué)工程雜志》（CEJ）（2024）、《稀土學(xué)報(bào)》（JRE）（2024）等，授權(quán)專利12件（包含3件國(guó)際專利）。
該研究受到了中國(guó)科學(xué)院前瞻戰(zhàn)略科技先導(dǎo)專項(xiàng)（A類先導(dǎo)專項(xiàng)）、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
論文信息：Gaofeng Wang,Jianxi Zhu*,Xiaoliang Liang,Bowen Ling,Jie Xu,Yongqiang Yang,Shichang Kang,Wei Tan,Yongjin Xu,Xiaoshan Zou,Lingyu Ran,Jingming Wei,Hongping He,Industrial-scale sustainable rare earth mining enabled by electrokinetics,Nature Sustainability,2025. DO1:10.1038/s41893-024-01501-9
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41893-024-01501-9??
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