我国稀土材料与绿色制备技术现状与发展趋势

罗 满

（神华蒙西煤化股份有限公司，内蒙古 乌海 016000）

1 我国稀土行业发展现状

稀土工业以及稀土的应用从上世纪60年代开始发展起来的，稀土虽然属于小行业产品，但是却是不可再生的重要战略资源，在新能源和新材料等领域中得到了广泛的应用。作为稀土生产大国和出口大国，在高端稀土产品上却依旧要依靠进口，这主要受到了稀土材料制备技术的限制，严重影响着我国稀土行业的发展。必须要开发高效清洁分离技术和高纯度的制备技术，进行一体化大规模生产，制备获得高纯度的稀土金属，加强对稀土高频、磁传感、激光晶体和闪烁晶体等新稀土材料和低成本稳定批量生产的绿色制备技术的研究与应用，才能改变现状，使我国从稀土储量大国变成高端稀土产品出口强国[1]。

2 稀土和稀土金属

稀土的名称原由是因为稀土资源在当时很珍贵，其氧化物难以溶于水中，这是因为稀土中含量的金属元素多且占比大，性质和土不像，是属于性质活跃的金属资源。稀土是稀土金属或稀土元素的简称，化学周期表中从57到71的15个镧系元素，以及和镧系元素同族性质相似的轻元素，即21号元素和39号元素，这些化学元素和稀土元素在化学性质上相似，且共同存在于一些矿物质中。在实际工业应用中，为满足技术工艺和应用所需，可以按照性质间的细微差距对稀土元素进行分类，主要可以分成轻稀土和重稀土两大类，轻稀土主要是指铈组稀土，重稀土指的是钇组稀土，根据萃取难易程度还可以将稀土分成轻、中和重三组元素，轻元素可以被弱酸萃取，中稀土可以被地酸萃取，重稀土可以被中度酸萃取、按照稀土在硫酸复合盐中溶解的难易程度也可以分成铈组、铽组和钇组。

3 稀土金属常见的制备工艺

我国稀土金属的制备工艺包括萃取分离、火法生产，在工业生产中主要生产技术有熔盐电解法和金属热还原法，由稀土材料中的氯化物、氟化物和氧化物来制备稀土金属和其他复合金属。其中熔盐电解法是制备混合稀土金属的主要方法，尤其被应用在对熔点高的重稀土金属制备中，利用电解法制取低熔点的稀土金属合金，再用蒸馏的方式制取纯稀土金属。采用熔盐电解法来制取稀土金属，主要是在氯化物体系和氟化物-氧化物体系中进行。本文以利用熔盐电解法制取稀土金属镧、利用中间合金法制取稀土金属钇为例对稀土金属常见制备技术进行剖析。

3.1 利用熔盐电解法制备金属镧

首先，为取得良好的经济效益在制备之前要合理选择电解质，一般将二元或多元氯化物熔体作为电解质，其作用是可以改善电解质的物理化学性质，且其分解电压比稀土氯化物高，可以选择的电解质有酸碱金属和酸碱金属氯化物。其次合理选择阴阳极，使氯化镧熔体电离的镧离子和氯离子在电极板上放电得到金属镧和氯气，在经过一系列氧化还原反应后生成金属镧。整个工艺流程中需要注意的是，按照合理比例配制电解质，然后放入到电解槽中电解，在交直流作用下电解质融化。随着电解进程的推进，在电解温度下为避免电解质发生挥发导致电解质损失，在电解过程中需要不断加入氯化镧和电解质保持电解质熔体体积不变，最后将电解出来的金属镧及时从电解槽中取出，放入铸模中国形成锭，最后清洗金属镧表面[2]。

3.2 利用中间合金法制备金属钇

金属钇属于重稀土金属，其熔点较高所以不适合采用氯化物熔盐电解法制备，不但会造成电解质挥发损失严重，还会使设备发生腐蚀。为此可采用在还原无聊中加入低熔点高蒸汽压的金属元素和助溶剂来降低还原反应的温度，然后再用真空蒸馏法去除合金中用来降低温度的低熔点高蒸汽压的金属元素。

在制备过程中，用来降低反应温度的金属元素，比如本文以钙元素和镁元素为例，在制备前需要先在一定温度下真空蒸馏提纯，避免杂质进入而影响后面的制作。然后将这两种元素放在坩埚中加热反应，在融化后缓慢加入氯化钙和氟化钇，最后取出坩埚在冷却后取出还原产物，得到合金，在合金中将金属钇提取出来，并在碾碎成小块后真空蒸馏将合金中的镁元素和其他杂质去除。最后继续升温、保温后可得到高纯度的海绵钇[3]。

4 稀土绿色制备技术、工艺及其应用情况

4.1 分离制备技术和工艺

稀土金属元素的分离萃取是进行金属制备生产的关键一步，在经过多年的发展以后我国分离冶金工业得到了发展，新的制备技术和工艺的出现提高了稀土材料产品的生产质量。

比如研发出的新型离心萃取机械和数字化流量系统设备，提高了稀土材料萃取分离工作的效率和质量，新的萃取设备分离速度较快且稳定性好，还有绿色污染少、占地少、自动化程度高的优点。对于重稀土分离方面的工艺，利用萃取新工艺体系生产出更高纯度的金属产品，同时还降低了生产成本。此外全新粒子吸附型稀土原地金矿工艺的研究与发展，采用原地控制金矿和分类分流工艺，不但提高了工艺生产的速度、稳定性，提高了资源的利用率，而且还避免因为氨氮元素对环境的污染，有利于山体稳定，为生产高端稀土产品奠定基础。

4.2 纳米稀土材料的研究与发展

纳米稀土材料中包括稀土永磁纳米颗粒、稀土抛光材料、稀土催化材料、稀土发光材料等，以稀土永磁纳米为例，以表面活性剂和有机溶剂为介质进行球磨，成功制备出高性能的稀土永磁纳米颗粒，该技术可以在常温条件下进行，生产步骤简化、生产技术难度不高，但是生产出来的产品性能却很好。

4.3 超高纯度稀土金属制备技术

我国于2014年提出了超高纯稀土金属及合金节能环保制备技术课题，该课题项目通过对电解槽的改造，利用低电解槽进行电解，结合智能控制技术对电解过程进行自动化控制。该新型绿色制备技术一方面减少了能源的消耗，同时也减少了有害物的产出量。这种节能环保的电解槽和稀土高提纯技术、装备等结合起来，使生产出的金属产品具有高纯度，为生产高端稀土产品提供技术支持。

4.4 稀土材料的新应用

这几年随着对稀土材料研究的深入，稀土高端产品的出现和推广，稀土材料有了新的应用，比如对高效稀土荧光粉的大规模制备和推广应用，摆脱了依赖进口的局面。稀土异戊橡胶这一合成天然橡胶的出现，被应用在食品包装、医疗器械等领域，推动了我国橡胶行业的发展。此外，含镧、含铈元素的稀土PVC热稳定剂的研发，该复合型热稳定剂作为绿色环保产品得到了广泛的推广应用，可见于管材、建筑板材等PVC制品加工领域中。

5 结论

综上所述，这几年来随着科学技术的发展，尤其是冶金工业中各种新技术、新工艺和新材料的出现，对于稀土材料的制备也提高了重视程度，在稀土金属材料制备、稀土工艺和稀土材料应用方面都取得了一定进步，但是和其他高国家相比我国在高端稀土产品出口方面还是很弱。为成为稀土出口强国，就必须要做好对稀土制备技术工艺的研究，改进制备生产工艺，加强稀土高端产品的研发生产和应用。