内容概述稀土元素(REE)是当代世界的关键性和战略性资源。由于只有很少的原生矿床含有可回收水平的稀土元素...
稀土元素(REE)是当代世界的关键性和战略性资源。由于只有很少的原生矿床含有可回收水平的稀土元素(稀土含量为0.03%~7.9%),因此其开采面临运营和环境方面的挑战。为了满足不断增长的工业需求,全球范围内不断探索稀土的替代来源,例如工业残留物和消费品。从经济、社会和环境的角度看,从矿山尾矿或工业/家庭废弃物中回收稀土元素相对于原生矿床可能有利于赋予其“第二次生命(循环经济)”并限制其环境足迹(可持续性)。从这个意义上讲,本评述提供了有关从大量二次资源(如矿山废水(MD),磷石膏(PG)残留物和铀矿废料)中回收稀土元素的深入认识。
首先,被动或主动处理煤和金属矿山废水后的残留物通常包含有具有利用前景的稀土元素。矿山废水中发现的稀土元素主要富含重稀土元素和/或中稀土元素,可以通过沉淀或在Fe、Al和/或Mn的羟基氧化物上的选择性吸附得到回收。实际上,稀土元素在环境中的移动性强烈依赖于pH值,稀土元素在高于5.1的pH值下往往不可移动,除了钪可以在pH值为3.5时发生吸附。被动和主动处理系统可固化超过80%的稀土元素。在矿山废水的处理污泥中测得的稀土元素浓度为0.018%至17%的稀土氧化物,而报道的放射性元素含量较低(低于17 mg/kg的U和低于60 mg/kg的Th)。在温和的操作条件下,通过无机酸(H2SO4或HNO3)溶解浓缩在酸性矿山废水处理污泥中的稀土元素。然后,通过草酸盐形式的沉淀或溶剂萃取来回收稀土元素。因此,必须开展两方面的研究工作:更好地表征来自煤矿和贱金属/贵金属矿的矿山废水;开发能够从不同采矿活动产生的多种复杂的含稀土元素的富残留物矿山废水中选择性地回收稀土元素的湿法冶金工艺。
稀土元素的第二种潜在来源是由沉积或火成磷酸盐岩生产H3PO4时产生的磷石膏残留物。沉积磷酸盐岩的资源量较大,但稀土元素含量较低(Florida磷酸盐中的稀土元素为0.01wt%~0.1wt%,轻稀土元素与重稀土元素的比值为4.43),而火成磷酸盐岩的资源量较少,但稀土元素含量较高(为1wt%~2wt%,在Kola磷酸盐中,轻稀土元素与重稀土元素的比值为11.6)。通过对磷石膏的预处理来去除杂质并破坏磷石膏的结构,包括洗脱(H2O或NaCl)、化学处理(Na2CO3)、研磨和超声波处理。多阶段、交叉流和树脂浸提法进行的酸浸已显著提高了从磷石膏中提取稀土元素的比例,最高可达95%,具体取决于磷酸盐岩的来源和提取方法。然后,通过有选择地沉淀为碳酸盐或SRB反应器从浸出液或洗脱液中回收稀土元素。在确定从磷石膏回收稀土元素的最佳条件时,必须在稀土元素和杂质(例如U和Th)的提取与回收之间取得平衡。需要对磷石膏残留物进行进一步研究,以从不同来源确定磷石膏中稀土元素的确切位置,表征浸出机理以解释特定稀土元素在回收率方面的差异,以及扩大实验室规模工艺的规模以测试其从沉积和火成磷酸盐岩中回收磷石膏中稀土元素的技术和经济可行性。
稀土元素也可能大量包含在铀开采的残留物中(Elliot Lak和Saskatchewan地区中轻稀土元素在稀土元素中的占比为0.08~0.73),包括矿山尾矿和矿山废水。尾矿的原位化学或生物浸出、矿石的共提取、以及矿山废水或处理污泥的回收是含铀残留物中稀土元素的主要来源。可以通过以下常规步骤回收稀土元素:如果需要,通过浸出(或生物浸出)溶解含稀土元素矿物;与U或其他杂质分离(沉淀、液-液萃取、固-液萃取(例如离子交换和固相分离)、磁分离);最后必须进行稀土元素单体分离。对于每个步骤,溶剂的重复使用将减少与回收相关的成本。应当注意的是,该方法必须根据铀矿废物或沉积物的类型或所需的杂质和最终元素(例如稀土氧化物、单个稀土元素)进行调整。对铀矿尾矿的反复处理可能会为关键金属生产带来重大的财务收益,同时减少矿山废物处置的负担。需要进一步研究含铀残留物:更好地表征化学成分和年产量;发展绿色采矿技术,以从固体基质中溶解稀土元素,并从浸提液中选择性地回收稀土元素和U,以提高这些工艺的经济可行性;在尾矿再处理之前和之后评估其地球化学行为,以回收稀土元素和U。