风化壳淋积型稀土矿浸取工艺及其发展趋势

刘 凯，邓祥义*，左小华

(1武汉工程大学，湖北武汉430073;2湖北理工学院，湖北黄石435003)

我国是稀土资源大国，稀土资源不仅丰富(占世界稀土资源的67%)，而且矿种齐全。风化壳淋积型稀土矿(即南方离子型稀土矿)是上世纪70年代初在江西省龙南县首先发现的一种世界罕见的新型外生稀土矿，它广泛分布于我国南方的江西、福建、湖南、广东等7 个省［1］。

风化壳淋积型稀土矿主要以水合或羟基水合离子吸附在粘土矿物上的形式存在，上世纪70年代初我国学者提出了第1 代氯化钠浸取工艺，经过不断完善和提高，又开发了第2 代硫酸铵池浸工艺，之后进一步发展到如今的第3 代原地浸取工艺。本文对各代浸取工艺作了综述。

1 第1 代浸取工艺

第1 代浸取工艺分为氯化钠桶浸和池浸2个阶段。

1.1 风化壳淋积型稀土矿氯化钠桶浸工艺

将风化壳淋积型稀土矿筛分后置于木桶中，用NaCl 溶液浸取，浸出液用草酸沉淀，将沉淀灼烧并酸溶，再用草酸沉淀，第2 次灼烧后得到稀土产品。在氯化钠桶浸工艺阶段，生产规模小，矿山工人劳动强度大，条件差，稀土产量低，产品质量差，成本高。风化壳淋积型稀土矿氯化钠桶浸工艺流程如图1所示。

图1 风化壳淋积型稀土矿氯化钠桶浸工艺流程

1.2 风化壳淋积型稀土矿氯化钠池浸工艺

随着对桶浸工艺的不断完善，氯化钠池浸工艺逐步形成。在工业生产上，将筛分出的平均粒度约为1 mm 的稀土原矿堆积在面积为12 m2左右并呈一定倾斜角度的水泥池滤层上(装矿高度为1～1.5 m)，用质量分数为7%的NaCl 溶液自然渗入滤层，在池的底部按稀土浓度分别收集浸出液。风化壳淋积型稀土矿氯化钠池浸工艺流程如图2所示。

图2 风化壳淋积型稀土矿氯化钠池浸工艺流程

第1 代浸取工艺在生产实践中暴露出了2 个致命缺点:一是在废水和矿渣中残留了大量的氯化钠，这些均可导致土壤盐化;二是草酸沉淀稀土时，钠离子会共沉淀，需2 次灼烧才能得到较高纯度的产品。

2 第2 代浸取工艺

由于NaCl 浸取剂存在种种的缺陷，各研究机构加大了对浸取剂的研究。1979年江西大学取得突破，提出了第2 代浸取工艺——硫酸铵浸取工艺。经试验后，于1981年应用于生产实践中。该工艺较氯化钠浸取工艺，实现了浸取剂的低浓度(硫酸铵浓度为1%～4%)和低用量浸取，且对生态环境的破坏小，产品纯度能达到用户要求(稀土总量大于92%)。该工艺得到了广泛的应用。

2.1 风化壳淋积型稀土矿硫酸铵池浸工艺

硫酸铵池浸工艺在池底面积为12 m2左右且容积为10～20 m3的浸取槽中进行，用1%～4%的硫酸铵浸取剂淋浸高度为1.5 m左右的矿堆，池底接收浸出液。浸取时间相对于NaCl 工艺缩短至3 d，且浸出液中非稀土离子含量较低，采用草酸作沉淀剂得到的草酸稀土通过一次灼烧就能制得高纯度氧化稀土。风化壳淋积型稀土矿第2 代浸取工艺流程图如图3所示。

图3 风化壳淋积型稀土矿第2 代浸取工艺流程图

2.2 风化壳淋积型稀土矿连续水平真空带式过滤机浸取工艺

为了实行工业化开采，江西省科学院于20世纪80年代初提出了连续水平真空带式过滤机浸取工艺，相继完成了0.36 m2过滤机浸矿的实验室试验，1.2 m2过滤机浸矿的现场扩大试验和10 m2过滤机浸矿的工业生产试验［2］。

连续水平真空带式过滤机浸矿时不用搅动，保持了矿石的均匀性和自然毛细结构，使滤层有良好的渗滤性能，可使浸取剂与矿石有良好的接触，防止裂缝、沟流，使可溶性矿物充分溶解，提高了浸取率。

2.3 风化壳淋积型稀土矿田箐胶强化浸取工艺

风化壳淋积型稀土矿存在30% 的粘土矿物，渗透性能差。同时粗细矿粒易发生偏析，在浸取时一些部位会产生“沟流”现象。针对渗透性能差的特点，饶国华等［3］在浸取过程中加入0.001%(重量比)田箐胶，田箐胶的絮凝作用能生成稳定絮团，在滤饼中形成一种网状缠绕结构，改善了滤饼的过滤性能，同时提高了过滤强度。因此，将田箐胶用于风化壳淋积型稀土矿的浸矿过程中，减轻了“沟流”现象，提高了对原矿的处理能力。

多年的生产实践表明，第2 代浸取工艺降低了浸出液中杂质离子浓度，提高了浸取选择性。但是，第2 代浸取工艺仍存在一些缺点，如搬山运动造成大量的尾砂及剥离物的堆弃。此外，没有优化选择浸取流速，浸取剂以较大的流速沿疏松多孔的矿粒空隙向下运移，难以与矿石中的稀土离子接触并发生交换作用，且会冲刷矿层中的细矿粒，造成沟流或浸取“死区”。当矿石中黏土含量过高时，还会出现“烂池”现象。

3 第3 代浸取工艺

“八五”期间，针对第2 代浸取工艺所暴露的不足，赣州有色金属研究所、长沙矿冶研究院、长沙矿山研究院等单位针对风化壳淋积型稀土矿开采中的生态环境问题，研究和开发了第3 代浸取工艺［4］:风化壳淋积型稀土矿原地浸取工艺和其他一些创新浸取工艺。

3.1 原地浸取工艺

原地浸取工艺又称为溶浸采矿，向天然埋藏的矿体中注入浸取剂，选择性地浸取有用成份，然后回收浸出液。原地浸取工艺最初用于铜铀矿的开采［5］，现已发展到多种有色金属矿种的开采，并逐步完善。

吴爱祥等［6］研究发现风化壳淋积型稀土矿原地浸取需要的主要条件为:①常温常压浸取剂;②矿床有良好的渗透能力;③有假底板。

风化壳淋积型稀土矿根据风化程度，从地表往下大体可分为坡积层、全风化层和半风化层。矿石主要分布于全风化层，各相带稀土总量从边缘相到中心相逐渐增高，而非稀土元素含量从边缘相到中心相明显降低。矿体沿山顶方向最厚，沿山坡至山脚最薄，而且自然安息角小，底板为不透水的火山岩原岩，且底板坡度小于地形坡度。这样的矿体结构和地形特征有利于原地浸取。

汤洵忠等［7］进行了室内风化壳淋积型稀土矿原地浸取模拟实验，发现浸取剂溶液首先排挤出矿石中的孔隙水及结合水，再与稀土离子发生交换形成浸出液，新鲜浸取剂不断挤压浸出液，使其反应由矿石的表面向中心发展。

在工业生产上，原地浸取工艺是在补充地质勘探的基础上，将浸取剂溶液直接注入原生矿体注液井，在集液沟收集浸出液并进行浓缩和富集处理。风化壳淋积型稀土矿原地浸取工艺流程图如图4所示。

图4 风化壳淋积型稀土矿原地浸取工艺流程图

3.2 其他浸取新工艺

3.2.1 风化壳淋积型稀土矿抑杂浸取工艺

风化壳淋积型稀土矿含有大量的铝，并能随稀土共同浸出。若用草酸沉淀稀土，铝离子会与草酸发生络合作用，从而消耗大量草酸;若用碳铵沉淀稀土，将导致碳酸稀土晶态差，过滤、洗涤难以进行，而且有相当数量的铝与稀土共沉淀。

欧阳克氙等［8］研究了一种新型抑铝剂HZA，此抑铝剂只与铝离子结合，而不与稀土发生反应，将大部分铝保留在矿渣中。抑铝浸取实验表明，在质量分数为3%，pH 值为5.5 的浸取剂中添加0.05%的抑铝剂，铝的抑制率达到56.85%，同时对稀土的浸出不会造成影响。

3.2.2 风化壳淋积型稀土矿复合浸取剂浸取工艺

浸取风化壳淋积型稀土矿时，浸取剂中的阳离子与稀土离子进行交换，电解质越强，越容易将稀土离子交换出来，因此浸取剂的选择十分重要。同时浸取剂必须具备来源广、价格便宜、能除去非稀土杂质等特点。但是浸取工艺发展到现在任何单一浸取剂都无法满足上述条件。

张长庚［9］使用氯化铵和硫酸铵新型复合浸取剂浸取稀土矿，比单一浸取剂浸取效果好，并将此种浸取剂推广到了江西龙南县11 个稀土矿区。氯化铵价格便宜，来源广，交换稀土离子的有效铵离子浓度高，同时硫酸根离子能有效去除某些非稀土杂质，提高了产品的质量。

3.2.3 风化壳淋积型稀土矿控速淋浸新工艺

风化壳淋积型稀土矿第2 代浸取工艺得到的浸出液采用溶剂萃取分离稀土时，存在2个实际问题:一是浸出液中杂质浓度太高，影响萃取时的分相时间和分相界面，有机相夹带严重;二是浸出液稀土浓度低，萃取与反萃取相比(O/A)相差太大，可达1 ∶(20～30)，难以实现有效萃取，操作控制也很困难［10］。

江西省科学院从浸取温度和流速、矿石粒度、淋浸速度、原矿品位等方面分析浸取效果和浸取理论塔板高度，探索浸取动力学与传质规律，研究出了风化壳淋积型稀土矿控速淋浸新工艺，获得的浸出液稀土浓度达14 g/L，非稀土杂质含量降低了2～10 倍，浸取剂消耗降低了50%，浸取率得到了很大的提高［11－12］。

3.2.4 风化壳淋积型稀土矿堆浸新工艺

堆浸工艺是矿石在不饱和条件下，进行一种非均匀的、无催化的、固定床操作的提取有效组分的方法［13］。

堆浸技术主要用于处理低品位矿石。风化壳淋积型稀土矿的堆浸是利用地形筑堆，集中收液、集中处理，其资源利用率和产量均高于池浸工艺，但没有从根本上改变“搬山运动”。采用堆浸技术，能将低品位为0.04%～0.09%的低钇富铕型风化壳淋积型稀土矿中90%的稀土浸取出来，浸出液稀土浓度达到2～3.8 g/L，收率大于82%。

3.2.5 风化壳淋积型稀土矿多级搅拌浸取—洗涤塔新工艺

中国科学院化工冶金研究所开发出多级搅拌浸取—洗涤塔新工艺［14］，该工艺使稀土矿浸取和洗涤过程在同一反应器中进行。针对风化壳淋积型稀土矿的矿石性质，采用2% 的硫酸铵溶液，对筛分选取的1.14～1.97 mm 稀土矿按3 ∶1液固比进行浸取，浸取率达到92%以上。其残液中与浸出液中的稀土浓度之比在0.06以下，能稳定地形成界面稳定的稀、浓2 相床层，具有“级间不返混作用”，达到了良好的洗涤效果，减少了环境污染。固相排料中液相夹带量小于30%，适用于连续浸取。

3.2.6 风化壳淋积型稀土矿柱浸新工艺

针对池浸工艺存在的不足，卢胜良开发了柱浸新工艺［15］，通过滴嘴将浸取剂按一定的液固比和加液速度滴淋至装入浸取柱中的稀土矿上，浸取剂在重力和毛细管作用下与稀土离子进行交换。与池浸工艺相比，柱浸技术浸取有效液体积比池浸大50%以上，比稀土和硫酸铵峰值质量浓度高440.2%和652.5%，浸取率高达96.0%，硫酸铵消耗减少99.5%，且浸取拖尾大大缩短。

3.2.7 风化壳淋积型稀土矿磁化浸取新工艺

邱廷省研究了磁场强化浸取工艺［16］，在磁场强度为111.41 kA/m 的条件下，对4%的硫酸铵浸取剂磁化20 min，改变其物理化学性质(如表面张力、溶氧能力、渗透能力等)，然后按(0.2～0.3)∶1 的液固比浸取稀土矿，浸取率从94.4% 提高到95.5%，浸取每吨原矿的浸取剂用量降低10%～15%，浸取时间缩短2 h 左右，提高了矿山的处理能力。

4 浸取工艺的发展趋势

目前，风化壳淋积型稀土矿的处理方法还存在着化工原材料消耗高、尾渣量大、影响生态环境等问题，笔者建议主要可以从以下几个方面对浸取工艺进行完善。

1)浸取剂随着浸取工艺的发展逐步从单一浸取剂向复合浸取剂转变，虽然在一定程度上解决了杂质离子浸出的问题，但是仍达不到理想效果，因此研究复合浸取剂与抑铝剂有协同作用的浸取剂是浸取工艺发展的一个方向。

2)堆浸工艺会随着风化壳淋积型稀土矿的贫化而越来越受欢迎。它能克服池浸需要固定设施、造价较高、资源利用率不高、浸出液稀土浓度低等问题，从而完善和提高堆浸工艺水平，这将是风化壳淋积型稀土矿浸取工艺发展的方向之一。

3)根据矿山实际情况，将稀土浸取工艺技术进行集成，如将原地浸取和高效池浸、堆浸、机浸进行相互组合，弥补各自的不足，充分发挥各自优势，这将是风化壳淋积型稀土矿的浸取技术发展的总体方向。

风化壳淋积型稀土矿的浸取工艺经过30多年的发展，正走向绿色化学工艺范畴，如何高效地、综合性地开采风化壳淋积型稀土矿并实现清洁生产是浸取工艺向绿色化学内涵拓展的趋势，实现绿色浸取对开采这一宝贵稀土资源，对保护环境和实现可持续发展有着重要意义。

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