近日，我國科學家在稀土電驅開采技術方面取得新的重大進展，克服了規(guī)模化應用中的技術瓶頸，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(jié)約60%，向環(huán)境排放的氨氮量降低95%，表現出潛在的經濟可行性。最新研究成果于北京時間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)略礦產資源。風化殼型稀土礦是我國優(yōu)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(tài)環(huán)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的問題，2023年中國科學院廣州地化所率先提出了一種綠色、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初步的實驗成果。但在實際應用過程中，該技術仍面臨一系列問題和挑戰(zhàn)，主要包括電極在潮濕和侵蝕性環(huán)境中長期運行的穩(wěn)定性、大規(guī)模礦區(qū)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及核心技術攻關，進一步發(fā)展和完善了稀土電驅開采新技術。通過研發(fā)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(chuàng)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(guī)模的稀土礦中試開采（圖1）。
圖1. 風化殼型稀土礦原位電驅開采示意圖
針對常規(guī)金屬電極在土壤環(huán)境中易被腐蝕的問題，研究團隊開發(fā)了一種新型塑料導電電極。該電極具有優(yōu)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，并因其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(fā)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，研究團隊設計了一種高壓防滲策略，通過高壓電場將浸出液封閉在指定收集區(qū)，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(chuàng)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(huán)境污染的難題，為高效、安全的稀土開采提供了創(chuàng)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，研究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。此外，通過給局部區(qū)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(qū)域同時通電，該方法可顯著節(jié)約電能，降低了成本。
通過60天的通電開采，工業(yè)試驗的稀土采收率達到了95%以上（圖2a）。環(huán)境監(jiān)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%（圖2b，2c），極大降低了稀土開采的環(huán)境影響。基于技術經濟分析，電驅開采技術在不計入環(huán)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(huán)境成本和生態(tài)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(huán)境優(yōu)勢。
圖2 工業(yè)試驗結果圖。（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）、《化學工程雜志》（CEJ）（2024）、《稀土學報》（JRE）（2024）等，授權專利12件（包含3件國際專利）。
該研究受到了中國科學院前瞻戰(zhàn)略科技先導專項（A類先導專項）、廣東省基礎與應用基礎研究重大項目和國家自然科學基金等項目的資助。
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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