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离子型稀土发现、命名与提取工艺发明解密

时间: 2011-07-05 00:00 来源: 作者: 饶振华 点击:
稀土是稀土族元素的简称,人们往往将17种元素划归于稀土大家族。我国是稀土资源最丰富的国家,储量和产量均居世界首位。离子型稀土是我国特有的一种新型的稀土矿产资源。以其配分齐全、高附加值元素含量高、放射性比度低、高科技应用元素多、综合利用价值大"五大"突出优点,异军崛起,独占鳌头,并从某种意义上改变、促进和加速了世界高科技的进程。离子型稀土第二代提取工艺--"原地浸矿工艺",于1996年荣获"八五"国家科技攻关重大成果奖,是国家"八五"科技攻关中"十大世界领先技术成果"之一,1997年荣获国家发明奖。该项研究成果1996年被中央电视台在新闻联播节目中予以报道,这是我国特有的离子型稀土自1970年发现、命名和二代提取工艺发明以来,在经历25年保密管理之后,首次向国内外的正式公开"亮相"。

离子型稀土的技术是我国完全拥有的自主知识产权。赣州有色冶金研究所是我国离子吸附型稀土矿的发现、命名和二代稀土提取工艺科技成果的主要享有单位。时任赣州有色冶金研究所分管科研副所长、后任所长的丁嘉榆同志,作为离子型稀土矿第二代提取工艺的发明及应用的主要参与者、领导者,对这一事件的历史发展进程有着刻骨铭心的记忆。应记者之约,丁嘉榆同志对这一历史事件进行了全面地、系统地回顾和总结。

让我们沿着赣州有色冶金研究所等单位的科技工作者的足迹,去领略这些我国在离子型稀土资源开发利用、洗提工艺发明等方面具有里程碑式的重大事件吧!

一、离子型稀土矿的发现

时至1970年,在过去长达175年的稀土矿产资源开发利用史中,人们发现自然界中含稀土元素及其化合物的矿物多达 200 种。但真正实际有工业利用价值的稀土矿物原料却为数不多,数量约十种左右。主要有独居石、铈硅石、氟碳铈矿、硅铍钇矿、磷钇矿、褐帘石、铌钇矿、黑稀金矿。但这些矿物中却大部份含有一定数量的铀或钍,而且稀土矿物均以固态、矿物相矿物性态存在,它们往往是与放射性元素共生或伴生 。

20世纪后期,随着世界范围内高科技及其工业化进程突飞猛进的发展,尤其是自20世纪80年代以来,全球范围内对中、重稀土元素的使用量激增,其中又特别是对钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、钇等稀土元素的需求量剧烈地增长。鉴于下述原因:一是在传统的稀土矿产资源中,上述大多数稀土元素的含量有限,获取稀土精矿较为困难;二是由于生产工艺的繁锁,流程很长,成本较高,价格昂贵,若得工业化应用,难度很大,产量也难以满足要求;三是根据传统稀土矿床资源赋存的特点,若希望在某一矿山,同时获得上述目标的元素,难能凑效,必然要开采多个、多种不同配分的稀土矿山,才有可能同时满足上述需求。显而易见,仅仅依靠对传统稀土资源的开发,势必难于满足现代高科技高速发展态势,对有关稀土元素的需求。因此,这种局势必然导致人们对稀土新资源的追求和探索,期望着能够获得高科技所需稀土资源的可靠保障。

其实早在20世纪60年代,我国就从战略的高度,认识到中、重稀土,尤其是重稀土资源在国防建设和国民经济建设中的重要作用。20世纪60年代中叶,原冶金工业部根据国家军工计划任务的安排,组织了南方重稀土资源科研大会战。旨在针对南方某矿围岩中,通过科技攻关,获得代号为"6号产品"的重稀土产品。经参战单位的协同攻关,已打通工艺流程,并拿出"6号产品"样品。但成本很高,工业化实施存在困难。然而接踵而至的"文革",会战只好暂时中断。

"701矿区"特殊的稀土矿物,揭开南方"离子型"重稀土的"露头"

1969年底、1970年初,原江西省地质局908队根据群众报矿的线索,在江西省龙南县一个以后命名为"701矿区"的矿化区域内,发现了一种特殊的"不成矿"的稀土矿物。于此,908队在701矿区开始做普查工作时,尽管发现此区域含有一定品位的稀土,但因矿物相稀土矿物仅有8.4克/吨,导致评价工作无法深入下去,几乎将其判为没有工业利用价值。于是,1970年10月,908队将此矿样委托给赣州有色冶金研究所(原江西有色冶金研究所)进行研究。

始于1970年10月的新类型稀土资源的科技攻关,开始逐步揭开"离子吸附型稀土矿"的序幕。

该所以杨悦、雷捷、陈启仁等同志为代表、908队以胡淙声同志为代表的多学科、多专业科技人员,以严谨的科学态度,在几经周折,使用传统试验研究方法均遭失败的情况下,依然不惧艰难,百折不挠,坚持探索,努力攻关。经过艰苦的工作,抛弃了以往研究花岗岩风化壳稀土矿床的传统做法,创造性地采用稀土可溶性分析和矿浆树脂吸附等多种综合技术手段,精诚所至,金石为开,终于逐步地揭开了这种"不成矿"的"离子吸附型稀土矿"的奥秘。

"八大研究发现",揭示其内在奥秘

首先,在利用多种传统的选矿方法,不能有效地富集稀土矿物的过程中,存在着一种奇怪的现象,即入选物料与选出物料金属不平衡,选矿过程中出现金属流失的现象。那么,它流往何处?怎么流的?第二,继之,跟踪追击,发现这种奇怪的稀土矿物,它不是以传统的"矿物相"矿物而存在的"矿物",而是以一种"不成矿"的、非常特殊的性态存在,即以一种新型的"离子相"矿物性态存在。亦即稀土矿物中的稀土,绝大部份以阳离子状态存在,而被吸附在某些矿物载体上,例如,主要被吸附在高岭石、白云母等铝硅酸盐矿物或氟碳酸盐矿物上。第三,进而,科技人员依据这些特征,将这种新型的"不成矿"的稀土矿物,命名为"离子吸附型稀土矿物"。亦即,"离子吸附型稀土矿物"是以"离子相"矿物性态存在,被吸附于"载体"矿物表面上的稀土矿物;而由这种"离子吸附型稀土矿物"构成的矿体,则命名为"离子吸附型稀土矿"。第四,深入的试验工作发现,只要以某种电解质溶液作为"洗提剂"或"浸矿剂",对含离子相稀土矿物进行"渗滤洗提"或"淋洗",则溶液中的化学性质更为活泼的离子,将同被吸附在高岭石等载体矿物表面的"离子相"稀土发生交换,形成新状态的稀土,而进入到溶液之中,由此获得"含稀土母液"。第五,若对含稀土母液,或直接施加"沉淀剂",沉淀后可获得混合稀土,经灼烧后,又可获得纯度较高的混合氧化稀土(一般TREO≥92%);或经萃取粗分组,得分组富集稀土,经沉淀、灼烧后,得分组氧化稀土。第六,科技人员依据以上科学发现,深入研究后,发明出这种新型稀土矿的稀土提取工艺,即为"江西稀土洗提工艺"。第七,随着"离子相"稀土矿物的发现,新类型"离子吸附型稀土矿"的命名,和这种稀土矿物中稀土的提取工艺的发明,而将这种新类型的稀土矿床相应命名为"离子吸附型稀土矿床";之后经进一步的地质工作,又将其称之为"风化壳淋积型稀土矿床"。从而,在世界上首次确定,以"离子相"矿物性态赋存的新类型"离子吸附型稀土矿"矿床类型,具备工业利用价值,它不仅可供工业开发,而且比传统稀土矿床类型,具有更高的工业利用价值。第八,上述研究成果,为这种新类型的稀土资源的勘探和评价,提供了可靠的依据。

根据上述一系列的科研成果,908队的后续工作,使701矿区很快地被确定为世界上最大型的高钇型离子型重稀土矿床,矿化面积达几十平方公里,稀土配分中Y2O3含量高达64.97% ,实属世界罕见。至此,20世纪60年代稀土军工科技会战的目标得以全面实现。随着时间的流逝,至今,世界上还未发现比它更好的重稀土矿床。

之后,又陆续在江西寻乌、广东平远发现大型低钇富铕型"离子型"轻稀土矿床,在江西信丰发现中钇富铕型"离子型"稀土矿床。然后又在赣、粤、闽、湘、桂、滇、淅等南方诸省(区)先后发现大量的"离子型"稀土矿。

列为国家保护性开采矿种

鉴于我国特有的离子吸附型稀土矿,在工业与高科技发展中的特殊地位和作用,1991年国家将其列为实行保护性开采特定矿种矿产资源之一,国家对其实施保护性开采。规定禁止与外商合作、合资及外商独资开采离子型稀土矿产;禁止个体(含联户)开采离子型稀土矿产;矿山产品开采总量实行指标控制。

第一代提取工艺--"池浸工艺"荣获国家发明奖奖励

1984年4月,有关单位在系统综合十多年来围绕新类型离子型稀土的发现、命名和第一代提取工艺(池浸工艺)发明等有关科技成果后,向国家呈报发明申报书 。随后,根据上级要求,又将发明申报材料改为"离子吸附型稀土矿的发现及其洗提工艺"。1985年6月,国家向赣州有色冶金研究所、江西地质局908队、江西大学正式授予"江西稀土洗提工艺"国家发明奖。

至此,由于我国对"离子吸附型稀土矿"一系列的科技攻关和地质勘探、评价工作的结果,使我国拥有了至今世界上仍然独有的新型稀土资源矿种,尤其是拥有了大量的中、重稀土资源,足以与世界上任何国家相抗衡。因此,中国的新类型离子型稀土彻底地改写了世界稀土矿产资源的历史。

二、解开第一代提取工艺(池浸工艺)密码

离子型稀土第一代提取工艺,可简述为"异地提取工艺",或归结为"池浸工艺"。其主要工艺过程为:表土剥离→开挖含矿山体、搬运矿石→浸矿池→将按一定比例(浓度要求)配置的电解质溶液作为"洗提剂"或"浸矿剂",加入浸矿池,溶液对池中含"离子相"稀土矿石进行"渗滤洗提"或"淋洗" →溶液中活泼离子与稀土离子交换,"离子相"稀土从含矿载体矿物中交换出来,成为新状态稀土;加入"顶水",获含稀土母液;母液经管道或输液沟流入集液池或母液池,然后进入沉淀池;浸矿后废渣从浸矿池中清出,异地排放→在沉淀池中加入沉淀剂、除杂剂,使稀土母液中稀土除杂、沉淀,获混合稀土;池中上清液经处理后,返回浸矿池,作"洗提剂"循环使用→混合稀土经灼烧,获纯度≥92%的混合稀土氧化物。由上可见,本工艺过程中的技术关键词是:"表土剥离"、"开挖含矿山体"、"矿石搬运"、"浸矿池"、"洗提剂"、"异地渗滤洗提"、"离子交换"、"含稀土母液"、"尾砂异地排放"、"母液池"、"沉淀池"、"沉淀剂、除杂剂"、"沉淀、除杂"、"混合稀土"、"上清液返回"、"灼烧"、"REO≥92%混合稀土氧化物"。

"池浸工艺"与传统的生产工艺相比较,其第一、二、三道工序过程相似于矿产资源开采中传统的采矿专业的各作业工序;第三、四、五道工序过程相似于传统选矿专业和湿法冶金专业相结合的各作业工序;自第五道工序过程以后的各工序,属于传统湿法冶金专业的各作业工序。其中,第三道工序中的"浸矿池",起着联系传统采矿、选矿专业作业的作用,类似于矿山选厂的"原矿仑";而第五道工序中的"沉淀池",却起着联系传统选矿、湿法冶金专业作业的作用,类似于湿法冶金企业的"原料仑"。

由此,相似于传统选矿专业的主要选别过程,是在"浸矿池"中完成,而且作为本工艺的中间制品,在此获得含稀土的母液;而属于传统湿法冶金专业的典型湿法冶金过程,则主要在"沉淀池"中进行,并由此获得"稀土精矿"的初级产品--"混合稀土";再经灼烧处理后即可获得"稀土精矿"终级产品--REO≥92%的混合稀土氧化物。

进而言之,上述作业过程中,先后在三个典型的作业过程中,分别获得了"中间制品"、"初级产品"和"终级产品"。亦即,在"浸矿池"中,通过离子交换,制得含稀土的母液;在"沉淀池"中,通过沉淀,制得混合稀土;在"灼烧"中,制得混合稀土氧化物。因此,为了确保离子型稀土的产品质量,主要应从这三个关键性作业过程中把好技术关。

在此工艺中,所获得的"稀土精矿"产品,已不再是传统概念中的"稀土精矿"矿产品,而是纯度相对较高的"混合稀土氧化物"产品。严格地说,离子型稀土矿山获得的终级产品,已不再从属于"矿产品",而是湿法冶金范畴的产品。显然,其产品档次,比传统矿山开采的产品,已大大地提高了一步。

以上工艺流程结构,是稀土矿产资源开发利用中一种崭新的工艺。它彻底打破了稀土资源开发的传统工艺,而将多种专业和工艺集于一体,在矿山就直接制得纯度较高的混合稀土氧化物产品。应用这种生产工艺,而生产的产品质量指标,是此前稀土生产工艺难以达到的。可见,以这种产品作为原料,对于稀土冶炼的进一步深加工是十分有利的。

然而,世间任何事物往往都具有"两重性"。离子型稀土拥有非常突出的优势的一面,同时又由于它的赋存特征和工艺特征,而决定了它不令人满意的另一面。伴随着"池浸工艺"工业化生产后,导致出现一些非常尖锐和突出的问题:一是对生态环境破坏大。由于离子型稀土广泛赋存于地表浅层,展布面积大,再加上"池浸工艺"本身要求,该生产工艺实际上是一个"搬山运动"。据统计,每生产一吨混合稀土氧化物,约需消耗1,201-2,001吨矿石,同时还将伴随产生尾砂1,200-2,000吨,砂化面积约1亩。二是资源利用率低,资源浪费大。为便于矿石的采、运以及尾砂的排放,降低成本,节省投资,许多矿山的"浸矿池"建在山坡矿体的中下部,"浸矿池"以下的含矿矿体,被所建生产系统"压矿",尤其是如若被尾砂覆盖后,则更难于开采。据资料,该工艺表内资源利用率一般不达50%,低者仅25-30%左右。

面对以上存在的突出问题,科技工作者在思索:如何既做到合理开发利用资源,又可维护生态环境,防止和避免大范围的荒漠化,真正走出一条可持续发展之道路?或者说,能否做到既安全有效地开采出稀土,又能避免大规模的"搬山运动"?于是,研究开发新的工艺代替旧的工艺,已刻不容缓。(end)

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