離子型稀土發(fā)現(xiàn)、命名與提取工藝發(fā)明大解密
離子型稀土的技術(shù)是我國完全擁有的自主知識產(chǎn)權(quán)。贛州有色冶金研究所是我國離子吸附型稀土礦的發(fā)現(xiàn)、命名和二代稀土提取工藝科技成果的主要享有單位。時(shí)任贛州有色冶金研究所分管科研副所長、后任所長的丁嘉榆同志，作為離子型稀土礦第二代提取工藝的發(fā)明及應(yīng)用的主要參與者、領(lǐng)導(dǎo)者，對這一事件的歷史發(fā)展進(jìn)程有著刻骨銘心的記憶。應(yīng)記者之約，丁嘉榆同志對這一歷史事件進(jìn)行了全面地、系統(tǒng)地回顧和總結(jié)。
讓我們沿著贛州有色冶金研究所等單位的科技工作者的足跡，去領(lǐng)略這些我國在離子型稀土資源開發(fā)利用、洗提工藝發(fā)明等方面具有里程碑式的重大事件吧！
一、離子型稀土礦的發(fā)現(xiàn)
時(shí)至1970年，在過去長達(dá)175年的稀土礦產(chǎn)資源開發(fā)利用史中，人們發(fā)現(xiàn)自然界中含稀土元素及其化合物的礦物多達(dá) 200 種。但真正實(shí)際有工業(yè)利用價(jià)值的稀土礦物原料卻為數(shù)不多，數(shù)量約十種左右。主要有獨(dú)居石、鈰硅石、氟碳鈰礦、硅鈹釔礦、磷釔礦、褐簾石、鈮釔礦、黑稀金礦。但這些礦物中卻大部份含有一定數(shù)量的鈾或釷，而且稀土礦物均以固態(tài)、礦物相礦物性態(tài)存在，它們往往是與放射性元素共生或伴生 。
20世紀(jì)后期，隨著世界范圍內(nèi)高科技及其工業(yè)化進(jìn)程突飛猛進(jìn)的發(fā)展，尤其是自20世紀(jì)80年代以來，全球范圍內(nèi)對中、重稀土元素的使用量激增，其中又特別是對釹、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、釔等稀土元素的需求量劇烈地增長。鑒于下述原因：一是在傳統(tǒng)的稀土礦產(chǎn)資源中，上述大多數(shù)稀土元素的含量有限，獲取稀土精礦較為困難；二是由于生產(chǎn)工藝的繁鎖，流程很長，成本較高，價(jià)格昂貴，若得工業(yè)化應(yīng)用，難度很大，產(chǎn)量也難以滿足要求；三是根據(jù)傳統(tǒng)稀土礦床資源賦存的特點(diǎn)，若希望在某一礦山，同時(shí)獲得上述目標(biāo)的元素，難能湊效，必然要開采多個(gè)、多種不同配分的稀土礦山，才有可能同時(shí)滿足上述需求。顯而易見，僅僅依靠對傳統(tǒng)稀土資源的開發(fā)，勢必難于滿足現(xiàn)代高科技高速發(fā)展態(tài)勢，對有關(guān)稀土元素的需求。因此，這種局勢必然導(dǎo)致人們對稀土新資源的追求和探索，期望著能夠獲得高科技所需稀土資源的可靠保障。
其實(shí)早在20世紀(jì)60年代，我國就從戰(zhàn)略的高度，認(rèn)識到中、重稀土，尤其是重稀土資源在國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要作用。20世紀(jì)60年代中葉，原冶金工業(yè)部根據(jù)國家軍工計(jì)劃任務(wù)的安排，組織了南方重稀土資源科研大會戰(zhàn)。旨在針對南方某礦圍巖中，通過科技攻關(guān)，獲得代號為"6號產(chǎn)品"的重稀土產(chǎn)品。經(jīng)參戰(zhàn)單位的協(xié)同攻關(guān)，已打通工藝流程，并拿出"6號產(chǎn)品"樣品。但成本很高，工業(yè)化實(shí)施存在困難。然而接踵而至的"文革"，會戰(zhàn)只好暫時(shí)中斷。
"701礦區(qū)"特殊的稀土礦物，揭開南方"離子型"重稀土的"露頭"
1969年底、1970年初，原江西省地質(zhì)局908隊(duì)根據(jù)群眾報(bào)礦的線索，在江西省龍南縣一個(gè)以后命名為"701礦區(qū)"的礦化區(qū)域內(nèi)，發(fā)現(xiàn)了一種特殊的"不成礦"的稀土礦物。于此，908隊(duì)在701礦區(qū)開始做普查工作時(shí)，盡管發(fā)現(xiàn)此區(qū)域含有一定品位的稀土，但因礦物相稀土礦物僅有8.4克/噸，導(dǎo)致評價(jià)工作無法深入下去，幾乎將其判為沒有工業(yè)利用價(jià)值。于是，1970年10月，908隊(duì)將此礦樣委托給贛州有色冶金研究所（原江西有色冶金研究所）進(jìn)行研究。
始于1970年10月的新類型稀土資源的科技攻關(guān)，開始逐步揭開"離子吸附型稀土礦"的序幕。
該所以楊悅、雷捷、陳啟仁等同志為代表、908隊(duì)以胡淙聲同志為代表的多學(xué)科、多專業(yè)科技人員，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，在幾經(jīng)周折，使用傳統(tǒng)試驗(yàn)研究方法均遭失敗的情況下，依然不懼艱難，百折不撓，堅(jiān)持探索，努力攻關(guān)。經(jīng)過艱苦的工作，拋棄了以往研究花崗巖風(fēng)化殼稀土礦床的傳統(tǒng)做法，創(chuàng)造性地采用稀土可溶性分析和礦漿樹脂吸附等多種綜合技術(shù)手段，精誠所至，金石為開，終于逐步地揭開了這種"不成礦"的"離子吸附型稀土礦"的奧秘。
"八大研究發(fā)現(xiàn)"，揭示其內(nèi)在奧秘
首先，在利用多種傳統(tǒng)的選礦方法，不能有效地富集稀土礦物的過程中，存在著一種奇怪的現(xiàn)象，即入選物料與選出物料金屬不平衡，選礦過程中出現(xiàn)金屬流失的現(xiàn)象。那么，它流往何處？怎么流的？第二，繼之，跟蹤追擊，發(fā)現(xiàn)這種奇怪的稀土礦物，它不是以傳統(tǒng)的"礦物相"礦物而存在的"礦物"，而是以一種"不成礦"的、非常特殊的性態(tài)存在，即以一種新型的"離子相"礦物性態(tài)存在。亦即稀土礦物中的稀土，絕大部份以陽離子狀態(tài)存在，而被吸附在某些礦物載體上，例如，主要被吸附在高嶺石、白云母等鋁硅酸鹽礦物或氟碳酸鹽礦物上。第三，進(jìn)而，科技人員依據(jù)這些特征，將這種新型的"不成礦"的稀土礦物，命名為"離子吸附型稀土礦物"。亦即，"離子吸附型稀土礦物"是以"離子相"礦物性態(tài)存在，被吸附于"載體"礦物表面上的稀土礦物；而由這種"離子吸附型稀土礦物"構(gòu)成的礦體，則命名為"離子吸附型稀土礦"。第四，深入的試驗(yàn)工作發(fā)現(xiàn)，只要以某種電解質(zhì)溶液作為"洗提劑"或"浸礦劑"，對含離子相稀土礦物進(jìn)行"滲濾洗提"或"淋洗"，則溶液中的化學(xué)性質(zhì)更為活潑的離子，將同被吸附在高嶺石等載體礦物表面的"離子相"稀土發(fā)生交換，形成新狀態(tài)的稀土，而進(jìn)入到溶液之中，由此獲得"含稀土母液"。第五，若對含稀土母液，或直接施加"沉淀劑"，沉淀后可獲得混合稀土，經(jīng)灼燒后，又可獲得純度較高的混合氧化稀土（一般TREO≥92%）；或經(jīng)萃取粗分組，得分組富集稀土，經(jīng)沉淀、灼燒后，得分組氧化稀土。第六，科技人員依據(jù)以上科學(xué)發(fā)現(xiàn)，深入研究后，發(fā)明出這種新型稀土礦的稀土提取工藝，即為"江西稀土洗提工藝"。第七，隨著"離子相"稀土礦物的發(fā)現(xiàn)，新類型"離子吸附型稀土礦"的命名，和這種稀土礦物中稀土的提取工藝的發(fā)明，而將這種新類型的稀土礦床相應(yīng)命名為"離子吸附型稀土礦床"；之后經(jīng)進(jìn)一步的地質(zhì)工作，又將其稱之為"風(fēng)化殼淋積型稀土礦床"。從而，在世界上首次確定，以"離子相"礦物性態(tài)賦存的新類型"離子吸附型稀土礦"礦床類型，具備工業(yè)利用價(jià)值，它不僅可供工業(yè)開發(fā)，而且比傳統(tǒng)稀土礦床類型，具有更高的工業(yè)利用價(jià)值。第八，上述研究成果，為這種新類型的稀土資源的勘探和評價(jià)，提供了可靠的依據(jù)。
根據(jù)上述一系列的科研成果，908隊(duì)的后續(xù)工作，使701礦區(qū)很快地被確定為世界上最大型的高釔型離子型重稀土礦床，礦化面積達(dá)幾十平方公里，稀土配分中Y2O3含量高達(dá)64.97% ，實(shí)屬世界罕見。至此，20世紀(jì)60年代稀土軍工科技會戰(zhàn)的目標(biāo)得以全面實(shí)現(xiàn)。隨著時(shí)間的流逝，至今，世界上還未發(fā)現(xiàn)比它更好的重稀土礦床。
之后，又陸續(xù)在江西尋烏、廣東平遠(yuǎn)發(fā)現(xiàn)大型低釔富銪型"離子型"輕稀土礦床，在江西信豐發(fā)現(xiàn)中釔富銪型"離子型"稀土礦床。然后又在贛、粵、閩、湘、桂、滇、淅等南方諸?。▍^(qū)）先后發(fā)現(xiàn)大量的"離子型"稀土礦。
列為國家保護(hù)性開采礦種
鑒于我國特有的離子吸附型稀土礦，在工業(yè)與高科技發(fā)展中的特殊地位和作用，1991年國家將其列為實(shí)行保護(hù)性開采特定礦種礦產(chǎn)資源之一，國家對其實(shí)施保護(hù)性開采。規(guī)定禁止與外商合作、合資及外商獨(dú)資開采離子型稀土礦產(chǎn)；禁止個(gè)體（含聯(lián)戶）開采離子型稀土礦產(chǎn)；礦山產(chǎn)品開采總量實(shí)行指標(biāo)控制。
第一代提取工藝--"池浸工藝"榮獲國家發(fā)明獎(jiǎng)獎(jiǎng)勵(lì)
1984年4月，有關(guān)單位在系統(tǒng)綜合十多年來圍繞新類型離子型稀土的發(fā)現(xiàn)、命名和第一代提取工藝（池浸工藝）發(fā)明等有關(guān)科技成果后，向國家呈報(bào)發(fā)明申報(bào)書 。隨后，根據(jù)上級要求，又將發(fā)明申報(bào)材料改為"離子吸附型稀土礦的發(fā)現(xiàn)及其洗提工藝"。1985年6月，國家向贛州有色冶金研究所、江西地質(zhì)局908隊(duì)、江西大學(xué)正式授予"江西稀土洗提工藝"國家發(fā)明獎(jiǎng)。
至此，由于我國對"離子吸附型稀土礦"一系列的科技攻關(guān)和地質(zhì)勘探、評價(jià)工作的結(jié)果，使我國擁有了至今世界上仍然獨(dú)有的新型稀土資源礦種，尤其是擁有了大量的中、重稀土資源，足以與世界上任何國家相抗衡。因此，中國的新類型離子型稀土徹底地改寫了世界稀土礦產(chǎn)資源的歷史。
二、解開第一代提取工藝（池浸工藝）密碼
離子型稀土第一代提取工藝，可簡述為"異地提取工藝"，或歸結(jié)為"池浸工藝"。其主要工藝過程為：表土剝離→開挖含礦山體、搬運(yùn)礦石→浸礦池→將按一定比例（濃度要求）配置的電解質(zhì)溶液作為"洗提劑"或"浸礦劑"，加入浸礦池，溶液對池中含"離子相"稀土礦石進(jìn)行"滲濾洗提"或"淋洗" →溶液中活潑離子與稀土離子交換，"離子相"稀土從含礦載體礦物中交換出來，成為新狀態(tài)稀土；加入"頂水"，獲含稀土母液；母液經(jīng)管道或輸液溝流入集液池或母液池，然后進(jìn)入沉淀池；浸礦后廢渣從浸礦池中清出，異地排放→在沉淀池中加入沉淀劑、除雜劑，使稀土母液中稀土除雜、沉淀，獲混合稀土；池中上清液經(jīng)處理后，返回浸礦池，作"洗提劑"循環(huán)使用→混合稀土經(jīng)灼燒，獲純度≥92%的混合稀土氧化物。由上可見，本工藝過程中的技術(shù)關(guān)鍵詞是："表土剝離"、"開挖含礦山體"、"礦石搬運(yùn)"、"浸礦池"、"洗提劑"、"異地滲濾洗提"、"離子交換"、"含稀土母液"、"尾砂異地排放"、"母液池"、"沉淀池"、"沉淀劑、除雜劑"、"沉淀、除雜"、"混合稀土"、"上清液返回"、"灼燒"、"REO≥92%混合稀土氧化物"。
"池浸工藝"與傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝相比較，其第一、二、三道工序過程相似于礦產(chǎn)資源開采中傳統(tǒng)的采礦專業(yè)的各作業(yè)工序；第三、四、五道工序過程相似于傳統(tǒng)選礦專業(yè)和濕法冶金專業(yè)相結(jié)合的各作業(yè)工序；自第五道工序過程以后的各工序，屬于傳統(tǒng)濕法冶金專業(yè)的各作業(yè)工序。其中，第三道工序中的"浸礦池"，起著聯(lián)系傳統(tǒng)采礦、選礦專業(yè)作業(yè)的作用，類似于礦山選廠的"原礦侖"；而第五道工序中的"沉淀池"，卻起著聯(lián)系傳統(tǒng)選礦、濕法冶金專業(yè)作業(yè)的作用，類似于濕法冶金企業(yè)的"原料侖"。
由此，相似于傳統(tǒng)選礦專業(yè)的主要選別過程，是在"浸礦池"中完成，而且作為本工藝的中間制品，在此獲得含稀土的母液；而屬于傳統(tǒng)濕法冶金專業(yè)的典型濕法冶金過程，則主要在"沉淀池"中進(jìn)行，并由此獲得"稀土精礦"的初級產(chǎn)品--"混合稀土"；再經(jīng)灼燒處理后即可獲得"稀土精礦"終級產(chǎn)品--REO≥92%的混合稀土氧化物。
進(jìn)而言之，上述作業(yè)過程中，先后在三個(gè)典型的作業(yè)過程中，分別獲得了"中間制品"、"初級產(chǎn)品"和"終級產(chǎn)品"。亦即，在"浸礦池"中，通過離子交換，制得含稀土的母液；在"沉淀池"中，通過沉淀，制得混合稀土；在"灼燒"中，制得混合稀土氧化物。因此，為了確保離子型稀土的產(chǎn)品質(zhì)量，主要應(yīng)從這三個(gè)關(guān)鍵性作業(yè)過程中把好技術(shù)關(guān)。
在此工藝中，所獲得的"稀土精礦"產(chǎn)品，已不再是傳統(tǒng)概念中的"稀土精礦"礦產(chǎn)品，而是純度相對較高的"混合稀土氧化物"產(chǎn)品。嚴(yán)格地說，離子型稀土礦山獲得的終級產(chǎn)品，已不再從屬于"礦產(chǎn)品"，而是濕法冶金范疇的產(chǎn)品。顯然，其產(chǎn)品檔次，比傳統(tǒng)礦山開采的產(chǎn)品，已大大地提高了一步。
以上工藝流程結(jié)構(gòu)，是稀土礦產(chǎn)資源開發(fā)利用中一種嶄新的工藝。它徹底打破了稀土資源開發(fā)的傳統(tǒng)工藝，而將多種專業(yè)和工藝集于一體，在礦山就直接制得純度較高的混合稀土氧化物產(chǎn)品。應(yīng)用這種生產(chǎn)工藝，而生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)，是此前稀土生產(chǎn)工藝難以達(dá)到的?？梢?，以這種產(chǎn)品作為原料，對于稀土冶煉的進(jìn)一步深加工是十分有利的。
然而，世間任何事物往往都具有"兩重性"。離子型稀土擁有非常突出的優(yōu)勢的一面，同時(shí)又由于它的賦存特征和工藝特征，而決定了它不令人滿意的另一面。伴隨著"池浸工藝"工業(yè)化生產(chǎn)后，導(dǎo)致出現(xiàn)一些非常尖銳和突出的問題：一是對生態(tài)環(huán)境破壞大。由于離子型稀土廣泛賦存于地表淺層，展布面積大，再加上"池浸工藝"本身要求，該生產(chǎn)工藝實(shí)際上是一個(gè)"搬山運(yùn)動(dòng)"。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)一噸混合稀土氧化物，約需消耗1,201-2,001噸礦石，同時(shí)還將伴隨產(chǎn)生尾砂1,200-2,000噸，砂化面積約1畝。二是資源利用率低，資源浪費(fèi)大。為便于礦石的采、運(yùn)以及尾砂的排放，降低成本，節(jié)省投資，許多礦山的"浸礦池"建在山坡礦體的中下部，"浸礦池"以下的含礦礦體，被所建生產(chǎn)系統(tǒng)"壓礦"，尤其是如若被尾砂覆蓋后，則更難于開采。據(jù)資料，該工藝表內(nèi)資源利用率一般不達(dá)50%，低者僅25-30%左右。
面對以上存在的突出問題，科技工作者在思索：如何既做到合理開發(fā)利用資源，又可維護(hù)生態(tài)環(huán)境，防止和避免大范圍的荒漠化，真正走出一條可持續(xù)發(fā)展之道路？或者說，能否做到既安全有效地開采出稀土，又能避免大規(guī)模的"搬山運(yùn)動(dòng)"？于是，研究開發(fā)新的工藝代替舊的工藝，已刻不容緩。
