研究人員開發出稀土礦電驅開采預測模型

近日，中國科學院廣州地球化學研究所研究員朱建喜團隊，針對離子吸附型稀土礦開發出電驅開采回收預測模型。團隊通過設計響應面實驗模擬電驅開采過程，從離子傳輸動力學與電荷量生成機制角度，系統闡明了稀土離子在風化殼中的電動回收過程。相關成果發表于《應用物理快報》（Applied Physics Letters）。

硫酸鎂和硫酸銨復配后，提取劑離子比和濃度對（a）電荷量，（b）稀土回收率的影響，（c）復合提取劑與陽離子協同作用機理示意圖。研究團隊供圖，下同

離子吸附型礦床是我國特色稀土資源，供應全球約90%的重稀土產品。但傳統銨鹽原地浸礦技術因存在環境破壞嚴重、稀土浸出周期長、回收率低等問題已被禁用。電驅開采技術憑借稀土回收率高、環境污染小等優勢，有望成為新一代綠色高效開采技術。然而，目前電驅過程的物理機制尚未得到系統闡明，缺乏精準的稀土回收預測和控制模型，制約了電驅技術的進一步發展與工業化應用。

在中國科學院前瞻戰略科技先導專項、國家自然科學基金等項目資助下，研究人員開展研究并開發出預測模型。研究結果顯示，提取劑濃度對總電荷量呈線性影響，陽離子種類及其配比對總電荷量影響較小；提取劑濃度、陽離子種類及其配比與電荷量呈二次關系，復合提取劑對稀土回收具有顯著協同效應，其機理在于離子交換能力和土壤導電性共同增強。

（a）稀土回收率和總電荷量的擬合圖，（b）電荷量和稀土回收率之間的量化關系，（c）基于單一提取劑加權后稀土元素回收率實驗值與計算值的比較。

基于實驗獲取的稀土電驅遷移和電荷量生成原理，研究人員首次建立了基于物理原理的電驅開采稀土回收率定量預測模型。研究發現，總電荷量可作為稀土回收效率的通用預測指標。這是因為電動開采過程中電荷量的產生源于體系中各種離子的遷移，而稀土和提取劑離子是主導遷移離子，所以電荷量與稀土回收率存在量化關系。

基于該模型，研究人員對100種以上開采條件對應的稀土回收率進行驗證。結果表明，在優化條件下（0.10 mol/L硫酸鎂、0.03 mol/L硫酸銨及0.4 V/cm電場強度），電驅開采的稀土回收率可達95%。

該研究不僅深化了我們對非均質風化殼中稀土電動遷移和回收機理的理解，還構建了一個精準高效的稀土回收率預測模型，可用于參數優化與電驅回收過程控制，為推動稀土電驅開采技術的實用化提供了堅實的理論基礎和技術支撐。

相關論文信息：https://doi.org/10.1063/5.0286499