开发出提取高纯度稀土元素氧化物的新工艺

包括稀土元素在内的关键矿物用于为智能手机和电脑等设备提供动力，对我们国家的经济和国家安全至关重要。宾夕法尼亚州立大学关键矿物中心开发了一种新的纯化工艺，可以从酸性矿山废水和相关污泥中提取纯度为88.5%的混合稀土氧化物

包括17种稀土元素(REE)在内的关键矿物(CM)用于智能手机和电脑等许多常见的家用产品，以及电动汽车、电池和太阳能电池板等许多商业产品。对它们的需求猛增，它们被归类为关键，因为它们具有很高的经济重要性、高供应风险，并且它们的缺席将对美国的经济和国家安全产生重大影响。

已发现酸性矿山废水(AMD)以及AMD处理产生的相关固体和沉淀物是多种CM的可行来源，包括REE、铝、钴和锰。

美国能源部(DOE)出资证明从美国煤炭和煤炭副产品来源中提取、分离和回收REE和CM的技术可行性和经济可行性，目标是从煤炭中提取混合稀土氧化物-最低纯度为75%的资源。

宾夕法尼亚州立大学能源与矿物工程教授兼关键矿物中心主任SarmaPisupati说：“我们一直致力于制定从这些废物流中回收CM和REE的策略，并实现了88.5%品位REE的里程碑”.“美国能源部目前为实现混合稀土氧化物设定的目标是75%，我们已经超过了该目标。”

代表LowerKittanning煤层的酸性矿山废水和相关污泥材料取自宾夕法尼亚州环境保护部运营的三个处理场，并对其进行表征和评估以回收多种关键矿物质。

一种基于先前开发的三级AMD处理工艺的新型净化工艺，旨在通过具有多个清洁步骤和精确控制工艺参数的水处理从污泥材料中回收高品位的铝、稀土元素、钴和锰产品，据研究人员称。

宾夕法尼亚州立大学采矿工程助理教授MohammadRezaee说：“直接从AMD中提取REE和CM消除了溶解污泥的需要以及试剂和处理的相关成本，从而实现了更可持续的废物处理实践，成本更低”和该研究的合著者。“我们已经证明，我们能够将这些几十年来一直受到环境关注的废物流转化为宝贵的资源，因此这对环境、联邦和国家来说是双赢的。”

AMD通常通过添加石灰或其他化学品将pH值提高到7来处理。

“通常，AMD通过添加各种碱性化学物质来中和，”Rezaee说，他还拥有采矿工程百年职业发展教授职位。“随着处理过程中AMD的pH值升高，金属会沉淀为金属氢氧化物或其他络合物。”

在新系统中，pH值仍升高至7，但分阶段进行。

“我们不是一次性添加氢氧化钠、氢氧化钙或石灰来提高pH值，而是分阶段提高，”Pisupati说。“这种方法的优点是它可以让某些矿物质在不同的pH值下沉淀出来。如果我们一次添加碱并将pH值调至7，所有这些物质都会同时沉淀出来。那么我们需要回去把他们分开。”

研究人员将pH值提高到铁沉淀所需的水平，然后再提高到铝沉淀所需的pH值。据研究人员称，去除铁和铝后，稀土元素会通过碳酸盐沉淀得到回收。

“我们面临的挑战是我们无法100%去除铁和铝;稀土元素浓度中有一点残留物，”Pisupati说。“即使你的混合物中只有1%的铝含量占主导地位，你的稀土质量也不会那么纯净。新的提纯工艺解决了这个问题。”

在纯化过程中，去除的沉淀物通过循环返回，以去除铁、铝和其他残留物。

Pisupati说：“在纯化过程中，我们重新经历了整个循环，回到3或3.5的pH值并重新开始。”“我们正在缓慢地去除其他残留物，可能是整个循环的两倍或三次，以提高稀土元素的纯度。在我们之前的研究中，我们的品位约为17%至18%，因此这是一项重大成就。”

通过设计回收负载，目标元素的回收率超过99%。在原来的三级沉淀过程中，钴和锰沉淀物的浓度分别为0.85%和23%。作为纯化过程的结果，它们的浓度分别增加到1.3%和43%。

该研究发表在《矿物工程》杂志上。

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