風化殼型稀土綠色、高效電驅開采技術研發取得突破

我國科學家在稀土電驅開采技術方面取得新的重要進展，克服了規模化應用的技術瓶頸，使稀土采收率大于95%，浸取劑用量減少80%，開采時間縮短70%，所需電能節約60%，向環境排放的氨氮量降低95%，表現出潛在的經濟可行性。1月6日，相關研究成果在線發表在《自然-可持續性》（Nature Sustainability）上。

稀土是世界性戰略礦產資源。風化殼型稀土礦是我國優勢礦種，為全世界提供了90%以上的中重稀土。然而，傳統的風化殼型稀土開采工藝——銨鹽原地浸取技術存在生態環境破壞嚴重、浸出周期長、資源利用效率低等問題，2018年以后已被我國禁用。為解決風化殼型稀土礦綠色高效開采問題，2023年中國科學院廣州地球化學研究所率先提出了綠色、高效、經濟和快速的電驅開采技術理念，完成了原理可行性驗證并取得了初步的實驗成果。而在實際應用過程中，該技術面臨一系列問題和挑戰，主要包括電極在潮濕和侵蝕性環境中長期運行的穩定性、大規模礦區應用時可能出現的浸出液泄漏，以及地下水文條件和礦體結構對稀土采收率的復雜影響。

為此，廣州地化所朱建喜研究員、何宏平院士團隊通過深入凝練科學問題與核心技術攻關，進一步發展和完善稀土電驅開采新技術。研究通過研發新型防腐蝕低阻耗的惰性導電材料，設計高壓防滲策略，以及創新性地采用周期性交替通電方法，將該技術成功應用于5000噸土方規模的稀土礦中試開采。

針對常規金屬電極在土壤環境中易被腐蝕的問題，該團隊開發了新型塑料導電電極。這一電極具有優異的導電性（200 S/m）和良好的耐電流沖擊能力（70 A，兩個月無損）。同時，由于塑料表面的疏水性，該電極能夠防止電化學腐蝕和減少水電解，同時因柔韌性可以更緊密地貼合礦體表面，從而提高電驅開采過程的效率。

實際礦山結構復雜、裂隙發育嚴重，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、導致稀土采收率降低。為此，該團隊設計了高壓防滲策略，通過高壓電場將浸出液封閉在指定收集區，同時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。這一創新策略有效避免了傳統開采中的“跑冒滴漏”，解決了傳統開采中稀土浸出液無序流動和環境污染的難題，為高效、安全的稀土開采提供了創新性解決方案。

在實際開采過程中，電極數量眾多并相互干擾，且長時間通電會引起電荷累積，降低通電效率并增加能耗。為此，該團隊設計了周期性交替通電方法。通過周期性切換陽極與陰極，有效減少了電極極化現象，提升了電流效率。同時，通過給局部區域輪換通電，利用停電期間的額外擴散作用促進了浸取劑和稀土離子的交換反應，提高了稀土采收率。相比給全區域同時通電，該方法可節約60%的電能，顯著降低了成本。

通過60天的通電開采，工業試驗的稀土采收率達到95%以上。環境監測結果表明，地下水和地表水中的氨氮排放量相比傳統開采工藝減少了95%，極大降低了稀土開采的環境影響。基于技術經濟分析，電驅開采技術在不計入環境修復成本的情況下，與傳統開采技術的成本相當，但傳統工藝的后期環境成本和生態修復費用（主要是氨氮污染）通常較高。電驅開采技術展現出潛在的經濟可行性和環境優勢。

《自然-可持續》審稿人提出，本項研究對稀土開采行業做出了寶貴貢獻，在全球稀土需求急劇增長，迫切需要變革性、可持續的開采技術的背景下，相關研究及結果非常切合時宜，相較于當前的稀土開采方法，電驅開采技術能夠顯著改善環境影響。

研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項（A類）、廣東省基礎與應用基礎研究重大項目等的支持。

論文鏈接