來源：中國稀土學報、北京大學

【文獻信息】馮宗玉, 王猛, 趙龍勝, 徐旸, 張永奇, 黃小衛(wèi). 稀土元素萃取分離提純技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望 [J]. 中國稀土學報, 2021,39(3):469-478.

稀土元素萃取分離提純技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望

前 沿

稀土因其獨特而優(yōu)異的磁、光、電、催化等物理化學特性，是全球公認的未來科技發(fā)展必須依賴的關鍵戰(zhàn)略金屬，被譽為“現(xiàn)代工業(yè)維生素”和“21世紀新材料寶庫”，在新能源汽車、風力發(fā)電、新型顯示與照明、工業(yè)機器人、電子信息、航空航天、國防軍工、節(jié)能環(huán)保及高端裝備制造等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中均發(fā)揮著不可或缺的核心關鍵作用。稀土的綠色高效提取、分離提純是稀土高新材料及應用發(fā)展的重要物質(zhì)保障。由于稀土礦物多金屬共生、礦石品位低，成分和結(jié)構(gòu)復雜，且稀土元素物理化學性質(zhì)相似，相鄰元素分離系數(shù)小，致使稀土分離提純難度大，工藝流程長，化工材料消耗高，三廢排放量大等，是世界有色金屬行業(yè)公認的重大難題之一。

我國稀土冶煉分離技術研發(fā)起步于20世紀50年代，60多年來國內(nèi)稀土工作者根據(jù)稀土資源的特點，開發(fā)了一系列具有原創(chuàng)性的稀土冶煉分離提純技術，各個時代應運而生的代表性成果有力推動了我國稀土工業(yè)的進步和發(fā)展。歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，我國建立了較完整的稀土采選冶、材料加工與應用工業(yè)體系，已成為全球最大的稀土資源國、生產(chǎn)國、出口國和應用國。稀土冶煉分離能力達到30萬噸/年以上，稀土冶煉分離產(chǎn)品產(chǎn)量達18萬噸/年以上，占世界總產(chǎn)量的85%左右，稀土分離提純技術全球領先。本世紀以來，隨著稀土應用需求及產(chǎn)業(yè)規(guī)?？焖僭鲩L，資源浪費和環(huán)境污染問題日益突出，引起了國家對稀土行業(yè)綠色化、清潔化發(fā)展的高度重視。

圖文摘要

近年來，我國在稀土萃取分離提純方面取得了長足發(fā)展，開發(fā)了聯(lián)動萃取分離技術、非皂化萃取分離稀土新工藝、碳酸氫鎂法分離提純稀土新工藝等系列代表性清潔工藝，并實現(xiàn)規(guī)模化應用，從源頭減少或消除稀土分離提純過程的氨氮、高鹽廢水污染，引領行業(yè)的綠色化發(fā)展。

主要內(nèi)容

1、稀土萃取分離提純技術發(fā)展現(xiàn)狀及進展

1.1稀土萃取分離技術及應用特點

（1）P204、P507-H2SO4-HCl復合體系萃取分離稀土技術

20世紀80年代，有研總院開發(fā)了第三代硫酸法冶煉包頭混合型稀土礦工藝，實現(xiàn)了P204-H2SO4體系萃取分離與轉(zhuǎn)型工藝的大規(guī)模應用。2005年，有研稀土又開發(fā)了H2SO4-HCl體系P204-P507協(xié)同萃取轉(zhuǎn)型與分離工藝、P507-H2SO4-HCl體系萃取分組分離工藝，進一步降低了體系平衡酸度，改善了重稀土反萃能力。2010年，有研稀土、五礦稀土研究院、甘肅稀土合作將非皂化萃取分離技術與聯(lián)動萃取分離技術有機結(jié)合，開發(fā)了P507、P204在硫酸、鹽酸及其復合體系中萃取分組-轉(zhuǎn)型-分離工藝，成功實現(xiàn)了工業(yè)化運行，酸堿消耗大幅降低，產(chǎn)品純度得到進一步改善和提升。

（2）P507-HCl體系萃取分離稀土技術

20世紀70年代，中科院上海有機所首先在國內(nèi)實現(xiàn)了P507的工業(yè)化制備，北京大學徐光憲先生提出了稀土串級萃取理論，在稀土萃取分離工藝優(yōu)化與工程設計中得到了廣泛應用。1979～1983年，有研總院、包頭稀土院等研發(fā)了適用于包頭礦的P507-HCl體系萃取分離稀土工藝，得到鑭、鈰、鐠、釹等單一稀土產(chǎn)品和含銪富集物產(chǎn)品；20世紀80年代初，中科院長春應化所、有研總院、九江有色金屬冶煉廠、江西六〇三廠等合作開發(fā)出適用于龍南離子型稀土礦的P507-HCl體系萃取分離單一稀土的工藝。經(jīng)過40年的發(fā)展，P507-HCl體系萃取分離提純稀土元素是目前工業(yè)應用最廣泛的稀土分離提純工藝技術。

（3）環(huán)烷酸-HCl體系萃取分離稀土技術

1974～1983年有研總院、中科院長春應化所、江西稀土研究所、江西806廠等合作研發(fā)出環(huán)烷酸一步法萃取分離高純氧化釔工藝，批量制備99.99%～99.999%的熒光級氧化釔，成為我國獨創(chuàng)的國際領先的稀土萃取技術之一。1985年，有研總院將該技術轉(zhuǎn)讓給原德意志民主共和國，是中國第一個出口的稀土分離技術。目前，環(huán)烷酸-HCl體系萃取分離釔工藝仍然是工業(yè)生產(chǎn)中釔分離提純主流工藝。

1.2稀土萃取分離有機相皂化技術研究進展

上世紀80年代，我國科技工作者開發(fā)出氨皂化有機相萃取分離稀土工藝，大幅提高了萃取分離效率，在稀土萃取分離工業(yè)上廣泛應用。近20年來，相繼開發(fā)了氫氧化鈉皂化萃取分離稀土工藝、氧化鈣或氫氧化鈣皂化萃取分離稀土工藝、碳酸氫鎂皂化萃取分離稀土工藝等。其中，有研稀土研發(fā)成功碳酸氫鎂法分離提純稀土原創(chuàng)技術，首次將稀土萃取分離過程產(chǎn)生的鎂鹽廢水和CO2氣體循環(huán)回收制備碳酸氫鎂溶液，替代液氨、液堿等用于皂化有機相萃取分離稀土，從源頭解決了稀土分離過程氨氮、高鹽廢水排放難題，適用性強，可應用于離子型稀土礦、包頭混合型稀土礦、氟碳鈰礦等各種稀土資源的稀土分離提純，可在現(xiàn)有稀土分離提純生產(chǎn)線基礎上進行改造升級，對現(xiàn)有生產(chǎn)設施改動較小，投資少，具有廣闊的應用前景。

2稀土分離提純新方法、新技術研究進展

2.1稀土分離提純過程物料循環(huán)利用技術

稀土分離提純過程消耗大量酸、堿、鹽，不可避免產(chǎn)生含鹽廢水，如氯化鎂廢水、氯化鈣廢水、氯化鈉廢水等，直接排放對環(huán)境造成不利影響。因此，亟需突破稀土分離提純過程酸、堿及氯根綜合利用技術，實現(xiàn)物料循環(huán)利用及污染物近零排放。有研稀土研究提出了一種稀土分離過程含氯化鎂或氯化鈣廢水的綜合利用方法，擬解決酸、堿、氯根的循環(huán)利用問題。對于氯化銨廢水的分解與循環(huán)利用，較為典型的技術包括堿土金屬氧化物法、硫酸氫鹽法以及雙極膜電滲析法等。

2.2稀土分離提純新方法

針對現(xiàn)有稀土分離提純過程氯化物廢水難以循環(huán)利用、特定雜質(zhì)靶向深度去除難等問題，優(yōu)化升級、迭代發(fā)展稀土分離提純新方法也是實現(xiàn)稀土綠色提取的有效途徑之一。目前的研究熱點主要包括離子印跡、離子液體萃取、Rapid SX?分離、氯化稀土熱解、氯化稀土電解等，未來有望應用于稀土分離提純領域。

3、稀土綠色分離提純技術發(fā)展展望

展望未來，應重點從以下幾個方面推進稀土行業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展：一是鼓勵綠色化工藝技術研發(fā)、優(yōu)化升級與推廣應用；二是迭代發(fā)展新型綠色冶煉分離稀土技術；三是建立系統(tǒng)化稀土綠色制造評價體系。

作者簡介

黃小衛(wèi),女,中國工程院院士

現(xiàn)任有研科技集團有限公司首席科學家、稀土國家工程研究中心主任、雄安稀土功能材料創(chuàng)新中心有限公司董事長;兼任中國有色金屬學會稀有金屬冶金學術委會主任、中國稀土學會稀土化學及濕法冶金專業(yè)委員會主任等。先后獲得中國首屆“杰出工程師獎”、“全國優(yōu)秀科技工作者”、“全國勞動模范全國創(chuàng)新爭先獎”等榮譽稱號。

30多年來,黃小衛(wèi)教授一直從事稀土礦冶煉、稀土分離提純和稀土化合物材料的研究、工程化開發(fā)及推廣應用,在稀土資源高效清潔提取、綠色分離提純等方面取得多項創(chuàng)新成果,如包頭混合型稀土礦硫酸強化固磷焙燒-萃取轉(zhuǎn)型分離技術、非皂化萃取分離稀土新技術、碳酸氫鎂皂化萃取分離稀土原創(chuàng)技術、離子型稀土原礦浸萃一體化技術等專利技術,在北方稀土集團、中國稀有稀土集團、廈門鎢業(yè)等40多家大型稀土企業(yè)推廣應用,從源頭消除氨氮廢水及放射性污染,鎂鹽廢水和CO2有效循環(huán)利用,大幅提升稀土資源利用率,有力推動了我國稀土資源高效清潔開發(fā)利用引領稀土行業(yè)綠色發(fā)展。發(fā)表高水平學術論文200余篇,授權發(fā)明專利110余件(其中,國外發(fā)明專利30件);創(chuàng)新成果先后獲得國家技術發(fā)明等獎1項、國家科技進步二等獎和三等獎各1項省部級一等獎10項。

先生之風 山高水長——記北京大學徐光憲院士

人們稱他為“稀土之父”，欽佩于他竟能撬動世界稀土市場的格局，“扼住美日的咽喉”。然而當把2008年度國家最高科學技術獎捧在手上時，他卻不安地說：“北大有許多優(yōu)秀的學生，我獲獎的工作都是我的學生和研究團隊完成的，我只是這個集體的代表?！?/span>

范仲淹說：云山蒼蒼，江水泱泱，先生之風，山高水長。他學術如山，山高千丈；性情如水，靜水深流，實在當?shù)闷稹吧礁咚L”。

徐光憲榮獲2008年度國家最高科學技術獎

他就是徐光憲，2008年度國家最高科學技術獎獲得者，中國科學院院士。1920年出生于浙江省紹興，1944年畢業(yè)于交通大學（西安交大、上海交大前身）化學系，1951年獲美國哥倫比亞大學物理化學博士學位，不久回國，到北京大學任教。曾任北京大學化學與分子工程學院教授、博士生導師。

稀土之父，中國傳奇

是什么原因促使風靡全球的“蘋果”手機在中國設廠？為什么“愛國者”導彈能比較輕易地擊落“飛毛腿”？這都源于一種極為重要的戰(zhàn)略資源——稀土。稀土有“工業(yè)維生素”之稱，其具有優(yōu)良的光電磁等物理特性，能與其它材料組成性能各異、品種繁多的新型材料，并大幅度提高其它產(chǎn)品的質(zhì)量和性能?？梢哉f，稀土是21世紀最重要的戰(zhàn)略資源之一。

鄧小平同志曾經(jīng)說過：“中東有石油，中國有稀土?！敝袊⊥临Y源儲量占世界儲量的70%左右，其地位可與中東的石油相比，具有極其重要的戰(zhàn)略意義。盡管我國稀土儲量位居世界第一，但是生產(chǎn)技術卻長期掌握在外國人手里，直到20世紀70年代，我國還只能向國外廉價出口稀土原料，然后再高價進口深加工的稀土產(chǎn)品。

“空有寶山，卻要受制于人”，這令人扼腕嘆息的局面，正是被徐光憲所改變。1972年，北京大學化學系接受了一項緊急任務——分離鐠釹，研究生產(chǎn)稀土的技術。52歲的徐光憲，臨時受命，成為了這一研究課題的領軍人。經(jīng)過艱辛探索，他大膽摒棄國際上通用的離子交換法，另辟蹊徑，提出串級萃取理論，使本身難以分離的鐠釹具有高達4的分離系數(shù)，遠遠超過了國際同行的結(jié)果。在此基礎上，徐光憲推導出100多個公式，成功設計出了整套工藝流程，實現(xiàn)了稀土的回流串級萃取。此外，他還率先辦起“全國串級萃取講習班”，使新的理論和方法廣泛應用于實際生產(chǎn)，大大提高了中國稀土工業(yè)的競爭力，使我國在稀土分離技術和產(chǎn)業(yè)化水平上躍居世界首位。

徐光憲的成功，使中國從稀土資源大國一躍成為稀土生產(chǎn)和出口大國，撬動了全世界的稀土市場格局。到上世紀90年代初，由于我國單一高純度稀土大量出口，國際稀土價格降為原來近四分之一。包括美國鉬公司、日本的稀土分離企業(yè)、法國的羅地亞公司等長期霸占世界市場的稀土壟斷企業(yè)，不得不減產(chǎn)、停產(chǎn)、破產(chǎn)或?qū)で笸袊诉M行技術合作。他們把這稱為“China Impact”（中國沖擊），這是徐光憲締造的“中國傳奇”。

徐光憲，一直密切關注著國內(nèi)稀土工業(yè)的發(fā)展。他呼吁保護我國白云鄂博稀土礦，呼吁增強我國稀土生產(chǎn)的宏觀控制，呼吁組織“稀土行業(yè)協(xié)會”……用他的話說，“我有稀土情結(jié)，永遠解不開。

“科學無國界，科學家卻有祖國”

徐光憲經(jīng)歷過中國最苦難的時代，終其一生，始終把自己的個人命運與國家命運、民族前途緊緊聯(lián)系在一起，不忘科學報國的本心。

1948年，徐光憲獲得公派自費留學美國的資格，來到美國哥倫比亞大學攻讀博士學位。不久，同樣學習化學的妻子高小霞也來到美國半工半讀。夫婦倆雖然人在美國，可目光始終投注在自己命運多舛的祖國身上，與國同喜，與國同憂。1949年10月1日，中華人民共和國宣告成立，徐光憲感受到了光明和希望，他和留學生朋友們一起興高采烈地沖向紐約中央公園野餐慶祝，有人還特意做了塊“勝利酒家”的牌子放在中間，紀念這個美好的時刻。

新中國雖然成立了，卻百廢待興，需要自己的兒女傾力建設，祖國日新月異的發(fā)展形勢呼喚著徐光憲投身偉業(yè)。徐光憲不愿意繼續(xù)待在美國了?？墒?，妻子高小霞還需一年就能拿到博士學位了，這時放棄會不會太可惜？真正的伴侶，心是相通的。高小霞果斷背上行囊，她說：“科學沒有國界，但科學家有祖國?！边@句話堅定了丈夫回國的決心，1951年4月15日，徐光憲攜妻子回國，乘坐的是美國禁止中國留學生歸國法案正式生效前駛往中國的倒數(shù)第三班游輪。在歸國途中，他經(jīng)歷了人生中最高興的一件事?！拜喆诌_廣州的時候，有小船插著五星紅旗來接我們?？吹轿逍羌t旗，我非常激動，我覺得中國人確實是站起來了?！?/span>

徐光憲（1920-2015），浙江紹興人，稽山中學杰出校友，北京大學教授，著名化學家、教育家，1980年當選為中國科學院院士。2008年度“國家最高科學技術獎”獲得者，被譽為“中國稀土之父”。

1920年11月7日，徐光憲出生于浙江紹興，兄妹7人中徐光憲排行最小。

中學時期，徐光憲就讀于紹興稽山中學，曾獲浙江省數(shù)理化競賽優(yōu)勝獎。此后，進入多所知名高校深造，畢業(yè)于上海交通大學化學系，并最終獲美國哥倫比亞大學博士學位。

朝鮮戰(zhàn)爭爆發(fā)后，中美關系異常緊張，徐光憲和夫人高小霞均感到祖國更需要自己，高小霞毅然中斷攻讀學位，徐光憲則放棄即將到手的工作，夫妻倆人借華僑回國省親的名義，于1951年4月15日離開舊金山，乘船回到中國。

夫婦倆回國之后，一起到北京大學化學系從事科研和教學工作。在各個領域精尖人才匱乏的局面下，在近60年的時間里，徐光憲根據(jù)國家需要3次轉(zhuǎn)換科研方向，前后涉及量子化學、核燃料化學、配位化學和稀土萃取等科研領域。每次都要“另起爐灶”“重新來過”，徐光憲卻無怨無悔。他干一行、愛一行、專一行，在每個領域都干出了無愧于時代的業(yè)績，因為他深知，祖國的需要是第一位的。

徐光憲與夫人高小霞

1951年5月徐光憲受聘北京大學化學系副教授，1961年晉升為教授。歷任北京大學放射化學教研室主任、原子能系副主任、稀土化學研究中心主任（1986-1999）、稀土材料化學及應用國家重點實驗室主任。曾任中國稀土學會副理事長（1980）、中國化學會第22屆理事會理事長（1986）、中國國家自然科學基金委員會首任化學學部主任（1986-1994）、亞洲化學學會聯(lián)合會主席（1991-1992）。

1983年11月，加入中國共產(chǎn)黨。

2009年1月9日，獲得2008年度國家最高科學技術獎。

2015年4月28日上午，徐光憲院士不幸逝世，享年95歲。

科研成就

徐光憲先生研究興趣廣泛，善于將量子化學理論計算與實驗研究相結(jié)合，將基礎研究與工業(yè)實踐相結(jié)合，在稀土化學與分離、配位化學、量子化學理論與計算等領域均做出了重要的貢獻。

徐光憲獲得國家科學技術獎

徐光憲先生亦非常重視教育和人才培養(yǎng)，先后開設過物理化學、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、量子化學、統(tǒng)計力學、原子核物理導論、配位場理論、絡合物化學、萃取化學、高等無機化學、分子光譜等多門課程，對北京大學乃至全中國的化學學科建設起到了奠基和推動作用。他主持編寫的《量子化學-基本原理和從頭計算法》、《物質(zhì)結(jié)構(gòu)》、《萃取化學原理》、《稀土的溶劑萃取》、《稀土》等教材和學術專著，在中國化學界人才培養(yǎng)中發(fā)揮了巨大作用。

基于在科學研究和教育事業(yè)上的杰出貢獻，徐光憲先生曾先后獲得國家自然科學二等獎(1987)和三等獎(1987)、全國優(yōu)秀教材特等獎(1988)、國家科學技術進步三等獎(1991)和二等獎(1999)、何梁何利科技進步獎(1994)和科技成就獎(2005)等多種獎勵，并榮獲2008年國家最高科學技術獎。

2000年在北大稀土實驗室（左一為嚴純?nèi)A院士）王天天 攝

徐光憲與他的學生討論學術問題

（2008年11月19日新華社記者 高學余 攝）