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离子吸附型稀土研究、勘查、开发利用史上一些重大事项的回顾(一)

作者:丁嘉榆 来源:《稀土信息》2017年第3期 日期:2017-04-11 加入收藏

中国稀土网站独家授权转载

  作者介绍:丁嘉榆,教授级高工,享受国务院特殊津贴。原赣州有色冶金研究所科研副所长、所长,原江西南方稀土高技术股份有限公司董事、总经理,原江西稀有稀土金属钨业控股集团公司高级顾问,现任虔东稀土集团股份有限公司独立董事。长期从事“离子型”稀土研发、生产、推广、应用工作。亲自参与、组织、领导了离子型稀土“原地浸出”工艺研发、推广应用工作,以及一大批与“离子型”稀土开发应用有关的项目。获得多项国家级、省(部)级科技成果奖励。

  摘要:1969 年以来,我国于世界上首先发现、命名了“离子相”矿物、“离子相”稀土矿物、“风化壳离子吸附型稀土矿”,并发明了“离子相”稀土矿物的两代提取工艺。从而,为世界提供了一种新型、特殊、富含中、重稀土、高科技所需的战略性矿产资源。本文回顾了“离子吸附型”稀土发现、命名和两代提取工艺发明的有关情况,介绍了离子型稀土矿的勘查与地质简况,以及在其开发应用历程中发生的一些重大事项。重点介绍了事件的主人公——赣州有色冶金研究所为此作出的贡献。旨在增加人们对它的认知和了解,进一步为“振兴中华”添砖加瓦。本文涉及的许多事项,尚属首次公布。
(由于篇幅较长,本网将分期连载)

前 言

  1969 年以来,我国科技工作者在世界上首先发现、命名了“离子相”矿物、“离子相”稀土矿物、“风化壳离子吸附型稀土矿”,并发明了“离子相”稀土矿物的两代提取工艺,为世界高科技的发展和人类高品质生活做出了重要的贡献。主要是:一是发现和命名了世界上一种新型的矿物种类——“离子相”矿物;二是发现和命名了世界上一种新型稀土矿物种类及其赋存的新型稀土矿种(床)——“离子相稀土矿物”(下称“离子相”稀土)与“风化壳离子吸附型稀土矿种(床)”(下称“离子型稀土矿”或“离子矿”),这种新型稀土矿床富含中、重稀土,是人类和高科技不可或缺的战略性矿产资源;三是发明了针对该新型稀土矿物的提取工艺——第一代“池浸工艺”与第二代“原地浸出工艺”。最近,人们在实验室又完成了针对它的一套全新的工艺。该工艺技术水平大幅提高,产品品种和产品结构发生重大变化,环保达标,技术经济指标优于现工艺,为“其它相态”稀土资源的利用提供了新的途径。

  这种主要以“离子”状态赋存,被吸附在某些“载体”矿物上的特殊稀土矿物与矿种,以其五大优势,深受世界高科技的青睐:稀土元素配分齐全;高科技应用的中、重稀土元素种类多,含量高;有价元素含量、产品价格高;赋存浅,易于开采和提取,产品纯度、综合回收率高;放射性比度低。这些显著优点,是其它稀土资源难以比拟的。

  笔者作为科技工作者,和“离子相”矿物、“离子相”稀土矿物与“离子吸附型”稀土矿发现、命名、两代工艺发明的主要单位领导,从事“离子型”稀土矿研发、生产、推广、应用、贸易工作几十年,参与、组织、领导了一大批涉及“离子型”稀土矿研发与应用的相关工作。对“离子矿”的研发与应用,有较多的经历和阅历。正因“离子矿”是我国拥有的特种战略性资源,故在1971 年至2004 年期间,国家将它列入保密范畴。在业已解密的今天,为增加人们对它的认知和了解,为“振兴中华”进一步添砖加瓦,笔者现将涉及此事件中的一些重要事项,进行些许回顾与记述。重点对事件的主人公——赣州有色冶金研究所(下称“赣州有色所”或“赣州所”),为此作出的重要贡献,介绍给世人。同时,扼要地介绍“离子矿”的勘查、地质和开发简况。

  需予说明,本文仅是依据个人的经历和掌握的资料,对“离子矿”的研究、勘查、开发利用历程中,一些重要事项进行回忆性整理的记叙性文章,带有杂记性质。难免挂一漏万,条理零碎,对事项的情节描绘不尽准确,错误难免。盼望得到知情者指正,当不胜感激之至。

  撰写此文,旨在将一些重要的历史性事件力争概要性地还原和记录下来,以资留念,供后人参考。尤应指出,本文叙述的许多内容,尚属首次公布于世。其中的众多事项,背后都有它们各自深邃的底蕴。故每一重大事项,都是一篇良好的题材,都可写出各自扎实、有份量、精彩的文章。

1. 关于上世纪六十年代中叶我国的“南方重稀土资源基地”军工会战

  众所周知,我国包头拥有丰富的稀土资源,但其稀土配分中主要是轻、中稀土。包头稀土中、轻稀土(La、Ce、Pr、Nd)配分含量一般占93%~98%,中稀土(Sm、Eu、Gd)配分含量一般占3%~5%。

  上世纪六十年代,人们发现,某些重稀土元素在军事上有着重要的用途。那时,我国不缺轻、中稀土,但缺重稀土,更缺乏重稀土资源原料基地。由于江西某矿的花岗岩围岩中,“6 号产品”元素丰度较高,为此,上世纪六十年代中叶,原冶金工业部牵头,组织“南方重稀土资源基地”军工会战,旨在寻求和建立起我国的重稀土资源原料基地。包括赣州有色所在内的,隶属于冶金部、中科院等相关部门的几个科研单位,对该矿区围岩中的重稀土,尤其是对主旨目标产品——“6 号产品”的提取,开展了科技攻关。至文革时,业已完成阶段性试验,流程已全面打通。经过技术攻关,可以获得今日看来纯度不太高,但当时具有一定技术难度的单一“6 号产品”稀土氧化物(纯度≥ 99%REO)。但是制作成本非常高。在当时的历史条件下,工业实施困难,“基地”难以建设。此后不久,文革深入,会战中断。

2. 关于“离子相”矿物、“离子相”稀土矿物与“风化壳离子吸附型稀土”矿种(以下统称“离子吸附型”稀土或“离子型”稀土)的发现、命名和提取工艺的发明

2.1 下汶滩矿勘查时,在不知情下曾否定该“离子矿”

  在“离子吸附型”稀土矿物、矿种发现、命名和提取工艺发明之前,世界上还没有任何关于“离子相”矿物、“离子相”稀土矿物和“离子吸附型”稀土矿床的概念及其科学知识。人们对这方面的认识,属于“零”认知。

  上世纪六十年代中、后叶,江西九0 八地质队在“不知情”的情况下,在赣县下汶滩矿区,于世上第一次接触到“离子吸附型”稀土矿床。该矿床赋存于花岗岩风化壳中,在这种呈“粘土状”的风化壳中,发现含有稀土。按当时的理念和看法,认为这是一种“不成矿”的“矿”,不知里面含有“离子相”稀土。受当时传统技术与矿产检测、评价方法的局限,在常规的重砂分析中(注:此时不知检测“离子相”稀土矿物),由于“离子相”以外的“其它相态”(例如“矿物相”等)稀土矿物含量很低,一般仅为几克/ 吨,达不到相关工业指标的要求,故将该矿床予以否定。可惜当时人们“只缘身在此山中”,却“不识庐山真面目”。“离子型”稀土矿的发现、命名和提取工艺发明后,后续的工作表明,这是一个迄今仍然为数甚少的高钇型“离子型”稀土矿。

2.2 “七0 一”离子矿发现始末及勘查概况

  “七0 一矿”即龙南县足洞稀土矿。是江西省地质局九 0 八大队(现赣南地质调查大队,下同)1969 年在开展1:50000 区域普查找矿中发现的。在寻找含Ta、Nb的伟晶岩时,对足洞一带的花岗岩普遍存在“纳化”的现象引起了注意。在岩体风化程度不同的部位,均进行了观察和取样化验,发现在全风化层的样品中普遍含较高的Y2O3。于是,对此运用少量工程,大体圈定了矿化范围。同时进行了重砂淘洗和鉴定,发现重砂中含稀土的矿物如同下汶滩矿一样,均远低于按化验品位应有的含量,平均含量仅达8.4 克/ 吨,导致勘查与评价工作无法深入下去。

  鉴于该区域矿化面积远大于下汶滩矿,且又存在Y2O3 含量较高的现象,故九 0 八大队于1970 年10 月,请赣州有色所(原江西有色冶金研究所)给予支持,共同研究稀土的赋存状态。经过艰苦的努力,终于发现该地区稀土矿物的赋存性态呈现出与众不同的特殊状态,它主要呈离子吸附状态出现,由此揭开了“离子吸附型稀土矿”的神秘面纱。

  随后,在初步肯定该矿具有工业价值的基础上,九0 八大队选定以足洞为中心的40Km2 范围为普查评价对象,并列入1971 年度重点项目。经原国家计委地质局批准,1971 年7 月至1972 年3 月进行了稀土大“会战”,参加会战的单位除九0 八大队外,还有地质科学院地矿所、四川矿产综合研究所和江西地质实验室等单位。会战结束后,1972 年10 月至1973 年12 月,九0 八队又选择矿区西部黄沙岗和里陂两个较富的区段,进行了地质勘探和验证工作。

  经多年的勘查工作,查明七0 一矿区储量规模达大型,这是世界上首次发现并查明的风化壳离子吸附型重稀土矿。

  该矿赋存特征与“下汶滩”矿类似,也是赋存于花岗岩风化壳中。该矿区属丘陵低山地形,地表植被稀少,“远看癞痢头,近看白石头”,为其地貌典型特征和现状的真实写照,这也是“离子矿”早期的“找矿标志”。花岗岩风化后,裸露地表呈中、粗粒砂粒,山(矿)体渗透性能较好。

2.3“离子吸附型”稀土的发现、命名和提取工艺的发明

  1970 年,赣州所接获试料后,迅即组成试验组,组长:杨悦高工,岩矿负责人:雷捷高工,九0 八队:胡淙声高工。试验工作一度用尽传统的选矿方法,稀土难于有效地富集。但在众多的试验中,发现有稀土物料流失的情况,入选与选出物料不平衡。后来,当时的选矿研究室主任陈启仁高工,从前苏联的一份选矿技术资料揭示的“有的矿物可溶于电解质溶液”的信息得到启发,怀疑是否有稀土矿物进入电解质溶液?于是,当即安排试验组会同分析研究室陈精一高工等科技人员,按新思路开展研究工作,探索稀土溶入电解质溶液的可能性。结果,7 天之内取得“突破性”进展,发现该试验物料中,确有稀土矿物可进入电解质溶液。这个十分重要的发现,于世上首次揭示了人们当时未知的一种新型稀土矿物——“离子相”稀土的真实存在。

  此后,经过深入的岩矿鉴定及相应的矿物提取的研究工作,逐步地发现和摸索出这种类型稀土矿物与矿种的性状特征:一是赋存于花岗岩风化壳中;二是其主要稀土矿物,是以“离子”状态,被“吸附”在某些“载体”矿物(例如高岭土、云母等)上,肉眼看上去,似是“不成矿”的“矿”,矿体主要呈现“粘土状”;三是以电解质溶液作为浸取“离子相”稀土的物质,则呈“离子”状态的“离子相”稀土矿物中的“可交换性吸附态”稀土矿物,可被电解质溶液中化学性质更为活泼的离子交换出来,而进入溶液之中,从而使溶液演变成为“含稀土母液”。“离子相”稀土中的“可交换性吸附态”稀土所具备的这一典型的“可交换性”特征,成为了“离子相”稀土提取的技术依据与工艺原理。

  根据这种“不成矿”的“特殊矿物”的赋存特征,1971 年将其定义和命名为“离子相”矿物、“离子相”稀土矿物,其赋存的矿床类型被定义和命名为“风化壳离子吸附型”稀土矿。1971 年,利用“离子相”稀土具备“可交换性”的特殊性能,发明了它的第一代提取工艺——“池浸”工艺。上世纪八十年代后叶,又发明它的第二代提取工艺——“原地浸出”工艺。随时代的进步,新工艺技术不断地涌现出来。

  综上所述,该项重大发现、发明事件:一是为世界增加了一种全新的稀土矿种——“离子吸附型”稀土矿;二是为世界增加了一种全新的矿物——“离子相”矿物;三是为世界稀土矿物大家族,增加了一种全新的稀土矿物——“离子相”稀土矿物;四是发明了对这种新型稀土矿物的提取工艺。

  从1794 年人类发现第一个稀土元素钇以来,在过去200 多年的历史长河中,人类共发现稀土矿物200 来种,但其中真正有工业应用价值的,区区只有10 来种。“离子型”稀土作为一种新发现、对人类有充分工业利用价值、现代高科技十分需要的新型稀土矿物,必然获得人们的高度重视和进入快速开发。无疑,这是激动人心,令人欢欣鼓舞的重大事件。

2.4“离子型”稀土矿中的稀土矿物,由包括“离子相”稀土矿物在内的,统共有“四相八态”的稀土矿物(亦称“全相”稀土)组成,以“离子相”稀土矿物为主

  据研究,1986 年,赣南地调大队(九0 八与九0 九地质队合并而成)在进行“赣南花岗岩类风化壳离子吸附型稀土成矿规律研究”时,发现“离子吸附型稀土矿”中的稀土矿物,亦即“离子型”稀土矿物,是由“四相八态”稀土矿物组成。包括:“离子吸附相( 简称‘离子相’)”( 含可交换性吸附态、专性吸附态)、“胶体分散相”(含胶体吸附态、凝胶态)、独立矿物相(含表生矿物态、残留矿物态)、晶格杂质相(含类质同象态、内潜同晶态)。这“四相八态”稀土矿物,又统称为“全相”稀土矿物。据研究,仅“离子相”稀土矿物中的“可交换性吸附态”稀土矿物,即占“全相”稀土矿物总量的42%~90% 以上。而其它“三相七态”稀土矿物,占“全相”稀土总量的比例依次为(%):0~5,0~11,微,0~22,5~8,1~13(为晶格杂质相一相二态稀土总比例)。亦即,“其它相态”(三相七态)的稀土矿物,总共只占“全相”稀土总量的10%~58%。因此,“离子相”稀土矿物中的“可交换性吸附态”稀土矿物,是“离子型”稀土矿物中的主要稀土矿物,是“离子型”稀土矿物中的“主角”。

  如前所述,“离子型”稀土提取工艺原理,正是基于被“吸附”在某些“载体”矿物上,“离子相”稀土的“可交换性”特征,而对“离子相”稀土矿物中的“可交换性吸附态”稀土进行提取的一种新型的工艺。顾名思义,该发明工艺主要适用于“离子相”稀土中的“可交换性吸附态”稀土,而对“其它相态”稀土的浸出效果差。换言之,在目前工艺技术条件下,“其它相态”的稀土尚不能有效地回收利用。

  因此,就目前工艺对“离子矿”的利用对象与利用水平而言,应以“离子相”稀土中的“可交换性”稀土来衡量。也就是说,评价“离子矿”的资源利用水平,主要应考察“离子相”稀土中“可交换性吸附态”稀土的综合回收率。令人欣慰的是,现有“原地浸出”工艺,能够合理地利用资源,它既可有效地提取“可交换性”“离子相”稀土,又可将其它“三相七态”稀土留在原地原位,待后人开发利用。

2.5“离子型”稀土的突出优势与品位特征

  1969 年我国发现的“离子矿”,主要是以“离子”状态赋存的一种新型、特殊的稀土矿物,富含中、重稀土,这正是当代高科技飞速发展中不可或缺的重要的矿物原料。这种矿床中,除部分的矿床含Sc 元素外,一般都不含其它有用矿物,因而这种矿床基本上都是单一的稀土矿床。

  前已述及,“离子矿”的突出优势是:稀土元素配分齐全;高科技应用元素多,中、重稀土配分含量高;有价元素含量、产品价格高;赋存浅,易于开采和提取;矿产品纯度、“离子相”稀土综合收率高;放射性比度低。

  根据多年的勘查成果,“离子型”稀土矿中,“全相”稀土品位一般0.1%~0.3%,其中“离子相”稀土品位大多为万分之几,少数0.1% 至0.15%,极个别更高。鉴于“离子矿”既不属于砂矿床,也不属于原生、伴生、共生矿床,与其它稀土矿床相比,譬如与白云鄂博、牦牛坪等矿相比,其品位是极低的。“离子矿”的原矿品位,远不及上述两矿的尾矿品位,一般低于它们一至二个数量级。纵观国内外稀土矿产资源的开发利用状况,对于品位如此低下的单一稀土矿床,按传统技术与思维,来对这种类型矿床的可利用程度进行评价,则该资源势必难以得到开发利用。恰恰是随着这种稀土矿物提取工艺的发明,才成就了该类型稀土资源的工业利用价值,使它成为人类的宝贵财富。

2.6 我国拥有的特种稀土资源,得到快速开发应用,广泛深入地介入世界高科技和人类高品质生活

  上世纪六十年代的“南方重稀土资源基地”军工会战,希望寻求和建立我国的重稀土资源原料基地,但最终未达企愿。本发现、发明事件则雄辩地应验了一句古话:“有心栽花花不发,无心插柳柳成荫”。它的问世,极大地弥补了会战的不足,得到了比原来预计目标还要优异得多的新型、丰富、量大面广的全新稀土资源;它的出现,使我国获得了特有的“离子矿”,尤其是高科技所需的中、重稀土矿产资源;它的分布,彻底改变了我国稀土分布格局,呈现出北有轻稀土,南有中、重稀土新的分布格局,使中国稀土矿产资源,出现品种齐全、储量丰富、分布均衡的全新局面;它的开发,使我国迅速地掌握了现代高科技所需的、优势极为显著的、在某种程度上具有影响和制约性的战略性矿产资源。

  纵观世界新型矿物、矿种的开发应用史,可以发现,“离子型”稀土,自它1969 年被发现、命名和提取工艺发明以来,到上世纪七十年代矿山的初步开发,至上世纪八十年代中叶矿山的大规模开发,到矿产品快速、大规模地挺进国内外市场,到其分离、金属、中间制品、深加工产品,广泛深入地介入世界高科技与人类的高品质生活,才经历短暂的二十来年。在短暂的时间里,“离子型”稀土即已步入辉煌、杰出的奉献时代,走向全国,走向世界,对人类生活和社会进步产生广泛、深远的影响。

  稀土元素在冶金、机械、化工、石油、陶瓷、玻璃、医药、农业、纺织等传统领域广为应用,可改善产品性能,提高产品质量。众多的稀土新材料已在当今新能源、生物、节能、环保、航空、航天、军工、电子、光纤、信息等高端领域发挥不可替代的作用,有力的推动人类进步步伐。至于稀土储氢储能材料、荧光发光材料、催化裂化剂材料、永磁材料、电池材料、磁致伸缩材料、超导材料、功能陶瓷材料、半导体材料、光纤材料、激光材料等功能材料,更在电子信息、光纤通信、生物工程、环保工程、国防工程等高科技领域发挥重要作用。阿尔法磁谱仪、计算机、手机、新能源汽车、节能电机、节能灯、核磁共振、风力发电、核能、激光器、高温超导、高档镜头、电池、电子元器件、磁记录光盘、光导纤维、药品、航天高比强材料、机器人、储能装置、石油裂化、汽车尾气净化、磁制冷装置、大功率Ni-H 电池,等等与人类密切相关的现代高科技产品,无不与稀土息息相关,而中、重稀土则是其中更为不可或缺的关键性矿物元素。有关这方面的报道,层出不穷,连篇累续,举不胜举,令人眼花缭乱,目不暇接,实在不必再费笔墨。人们可以观察到,除了“离子型”稀土外,尚无其它任何新型矿物与矿种的开发应用速度,能达如此之快。毫无疑义,“离子型”稀土矿的高速开发应用,是世上所有矿物、矿种中的“佼佼者”。由此可见,中国科技工作者为此而作出的贡献,确应引为自豪,值得书写和称赞。                                 (未完待续)

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