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——中国地质调查局郑州矿产综合利用研究所科普文章选登(下)

发布时间:2019年4月23日 来源:中国矿业报 作者:王 威 赵恒勤
新闻导读:赣州稀土在历经40多年的开发利用过程中,为国内经济社会发展和全球稀土供应做出了重要贡献。本文重点对赣州离子吸附型稀土矿开发历史、开发利用技术及方向进行简述。

赣州稀土开发简记

王 威 赵恒勤

稀土是我国重要的战略性资源,在新能源、新材料、节能环保、航空航天、电子信息等领域的应用日益广泛,素有“工业味精”、“新材料之母”的美誉。稀土元素在地壳中主要以矿物形式存在,目前能够用于生产稀土的工业矿物主要包括独居石、氟碳铈矿、磷钇矿和风化壳淋积型稀土矿(即离子吸附型稀土矿)等。其中,离子吸附型稀土矿主要分布于我国南方。江西赣州是我国离子吸附型稀土最重要的资源地和供应地,稀土资源储量占全国同类资源的2/3,也是南方稀土开采技术的发祥地,素有“稀土王国”之美誉。

赣州稀土在历经40多年的开发利用过程中,为国内经济社会发展和全球稀土供应做出了重要贡献。本文重点对赣州离子吸附型稀土矿开发历史、开发利用技术及方向进行简述。

一、赣州稀土资源概况

赣州稀土资源广泛分布在寻乌、龙南、信丰、安远、定南、全南、宁都、赣县等地。其矿石中的稀土元素80%~90%呈离子状态吸附在高岭土、埃洛石和水云母等粘土矿物上。赣州稀土资源按矿物的稀土成分主要分为三种类型:1)以寻乌为代表的富镧少钇型离子矿(镧占稀土总量的25%~30%,钇占稀土总量的12%~14%);2)以龙南为代表的富钇型离子矿(钇占稀土总量的50%以上);3)以信丰为代表的中钇富铕型离子矿(钐、铕、钆占稀土总量的10%左右,钇占稀土总量的30%~40%)。

据统计,江西中重型离子吸附型稀土保有储量达230万吨,远景储量达940万吨,分别占全国离子吸附型稀土资源储量的40%和35%,居全国第一,是名副其实的稀土大省;而赣州离子吸附型稀土矿资源约占其中的90%。据统计,赣州稀土储量为16.12万吨,开发利用量为13.37万吨,开发利用率为82.94%。

二、赣州稀土资源禀赋特征

2.1赣州稀土矿床类型与特征及分布规律

赣州是我国离子吸附型稀土矿床的发源地。自1969年龙南足洞矿床首先被发现以来,赣州相继发现和查明了一批风化壳离子吸附型稀土矿床,这类矿床的成矿母岩以花岗岩为主。赣州离子吸附型稀土矿床不仅数量多,而且具有规模大,中、重、轻稀土配分齐全等优势。离子吸附型稀土资源在赣州地区分布很广,18个县(市)均有分布。其稀土矿床的分布受构造-岩浆活动的控制,呈现出沿北东向和东西向带状分布的规律,大致可划分为崇义-上犹矿集区、赣县矿集区、赣县信丰矿集区、三南矿集区、安远-寻乌矿集区、会昌-于都矿集区等6个矿集区。

赣州离子吸附型稀土矿赋存于主要由石英、高岭石、埃洛石、伊利石、长石等组成的风化壳中,母岩的类型和矿物组合对成矿影响较大。赣州稀土矿成矿母岩大多数为中酸性花岗岩,稀土矿物对成矿的影响较大,95%以上的造岩矿物对全岩稀土的贡献率只有5%~50%。在岩浆演化过程中,稀土(含稀土) 矿物组合出现顺序为: 榍石、磷灰石、褐帘石→独居石、磷钇矿、锆石→褐钇铌矿、铌钇矿、石榴石。它们的易风化程度为: 稀土氟碳酸盐>稀土(含稀土)硅酸盐>稀土铌钽酸岩>稀土砷酸盐>稀土磷酸岩。由于抗风化能力的差异,相对难风化的锆石、独居石、磷钇矿等矿物可能形成风化壳砂矿床;抗风化能力中等的褐钇铌矿等可出现残坡积砂矿和离子吸附型稀土矿床并存的现象;而易风化的氟碳铈矿、硅铍钇矿等矿物在风化过程中被完全分解,释放出的稀土离子,经过迁移富集,易形成离子吸附型稀土矿。

2.2稀土矿床的成矿母岩特征

岩石化学方面,离子吸附型稀土矿床成矿母岩以高硅(70%~75%),富碱K2O+Na2O(>8%),富K2O,贫Al2O3、TiO2、CaO为特征。在矿物组成方面,成矿花岗岩中斜长石、角闪石、黑云母和白云母等稀土载体造岩矿物含量较低,石英、钾长石含量相对较高,稀土元素主要赋含在稀土独立矿物和含稀土副矿物中。赣州离子吸附型稀土矿床花岗质成矿母岩的丰度相对较高,一般为(200~500)×10-6,部分岩体能达到(500~800)×10-6,普遍高于南岭平均花岗岩丰度的情况(平均含量为229×10-6)。

2.3赣州稀土矿床配分类型

离子吸附型稀土矿床的稀土配分模式主要取决于原岩的稀土配分模式,风化作用过程中的稀土分馏作用对其也有一定影响。离子吸附型稀土矿的稀土配分多种多样,不仅形成于不同时代、不同岩性的风化壳中的稀土矿稀土配分不同,即使是同一时代不同期次或同一期次不同岩性的稀土元素配分也有差异。离子吸附型稀土矿床在继承母岩稀土配分模式的基础上,在风化过程中往往发生不同程度的铈亏效应、富铕效应、分馏效应和钆断效应,稀土配分更加复杂多样。例如,龙南足洞稀土矿属于富钇型重稀土矿,Y2O3配分含量>55%;寻乌河岭稀土矿属于低钇富铈轻稀土矿,Y2O3配分含量<10%,铈的配分含量>45%,是南方离子吸附型稀土矿中较为独特的一类;安远涂屋稀土矿属于富镧富铕型轻稀土矿,镧的配分含量>60%;信丰烂泥坑稀土矿为中钇富铕稀土矿,是离子吸附型稀土矿中最常见的一种类型。

2.4不同风化程度离子型稀土矿赋存特征及浸出规律研究

黄万抚等研究了不同风化程度离子吸附型稀土矿赋存特征及浸出规律,并指出,离子吸附型稀土矿风化程度越低,铝硅酸盐矿物含量越少,稀土含量也随之减少。原矿中Ca、Mg 杂质含量主要影响浸出后稀土总量是否达标,而杂质Al含量过高,不仅影响浸出效果,还会在沉淀过程中消耗大量NH4HCO3,降低稀土沉淀率。全风化层含Al、Fe等杂质相对高,对后续离子相的浸取不利。在原地浸出工艺中,浸取剂可穿透腐殖层至全风化层上部,直接对全风化层、半风化层进行浸取,有助于减少杂质含量。从全风化到微风化,离子相比例减小,胶态相与矿物相比例增加。此外,离子相稀土含量随粒级减小而增加,胶态相稀土含量在各个粒级分布均匀,矿物相稀土含量随粒级减小而减小。对比全风化和半风化两层稀土的浸出情况可知,通过降低浸取剂pH值,增加浓度,降低流速,增加液固比,可提高半风化层稀土的浸出效果。

2.5典型样品化学组分和矿物组分

中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所对赣州主要稀土矿山进行调研,根据2015年赣州市矿权设置数据,对赣州稀土矿山资源现状进行整理,赣州有证稀土矿山共55个,登记资源储量为944974.6吨(稀土氧化物),保有资源量为161248吨(稀土氧化物),稀土资源开发率为82.94%,矿区占地面积为155.49平方千米。目前,赣州地区稀土矿山全部停采。赣州地区稀土矿主要化学组分为铝、硅、钾、铁,绝大多数稀土矿氧化铝和二氧化硅合量超过80%,其尾矿可用作建筑骨料等。赣州地区稀土矿主要矿物组成为石英、云母、长石和高岭石。

三、赣州稀土资源开发利用概况

赣州离子吸附型稀土矿的开发可以追溯到上世纪60年代的南方重稀土军工会战。1969年底,原江西省地质局908队根据群众报矿线索,发现龙南足洞高钇型离子型重稀土矿(代号“701”矿区)。1971年4月,这种我国特有的、世界上完全新型的稀土矿种被称之为“不成矿”的稀土矿,并正式被命名为“离子吸附型稀土矿”。从此,世界上有了一种完全新型相态——“离子相”的稀土矿物。它与此前传统的“矿物相”稀土矿物在矿物形态上有着本质的区别。

自离子吸附型稀土矿被发现后,人们一直致力于开发利用该种矿物的研究。在离子吸附型稀土矿发现之初,由于其地质品位低,稀土呈离子相存在,采用重选、磁选、浮选等常规物理选矿方法无法将其富集回收。经过反复试验研究,赣州有色冶金研究所(原江西有色冶金研究所)等单位发现,其中的“离子相”稀土易被盐类电解质溶液淋洗解吸提取出来,于是发明了专门针对“离子相”稀土的洗提工艺。

3.1离子吸附型稀土开采工艺

赣州离子吸附型稀土开采工艺大体分为池浸、堆浸和原地浸出三个阶段。

1)池浸开采工艺

池浸开采工艺是离子吸附型稀土矿的第一代开采工艺,具体做法是:在山体的适当位置布置若干个或若干组( 几个池连通)浸矿池,铺以竹片编织的竹板,再垫麻袋或茅草,浸出母液能渗流到池底,从而避免矿土漏落。该工艺始于1970年代。1985年6月,离子型稀土第一代提取工艺——“池浸”工艺,获国家发明奖。但由于生产能力小、劳动强度大,且破坏植被,造成严重水土流失,1990年代中后期该工艺基本不再使用,国家也早已明令强制淘汰。

2)堆浸开采工艺

堆浸开采工艺是由池浸工艺演化而来的一种开采工艺。堆浸需要选择一个合适的山坳作为堆浸场,在底部铺设好导流层,用挖掘装运机械将矿土堆置其上,堆高主要由矿土渗透性确定,可一次性筑堆,也可堆一层浸一层,各层之间用塑料膜隔离。此法不用排土,使用大型机械作业,相比与池浸工艺,规模大,效率高,但其实质仍是“搬山”运动,需开挖运输矿土至堆浸场进行堆置浸矿。

3)原地浸矿开采工艺

池浸和堆浸开采工艺,都需开挖山体。为保护环境,1985年赣州有色冶金研究所进行了世界首次离子型稀土矿的原地浸矿探索试验。随后,赣研所、长沙矿冶院、长沙矿山院等单位经过连续科技攻关及后续推广工作,解决了绝大多数的工艺问题。原地浸矿开采工艺基本流程是:根据勘查资料进行开采设计,然后根据设计在地表掘进注液( 孔) 井,在合适地点掘进收液巷道或集液沟或钻集液孔,之后通过注液(孔)井自流注液,自然渗浸渗流至集液系统,经中转池泵送至水冶车间处理。闭矿时,回填注液井和集液沟,封闭集液巷道。整个开采过程,不开挖山体,少量动土,不会破坏山形地貌、森林植被,不会造成水土流失。

相比于池浸和堆浸工艺,原地浸出没有采富弃贫和压覆资源现象,资源利用率高;由于没有爆破作业,采挖工作面陡坎不太高,场面开阔受限少,安全性高;由于极少动土,几乎没有植被破坏、水土流失问题,属环保型工艺。目前,原地浸出是离子吸附型稀土矿主要开采方式。1996年,离子型稀土第二代提取工艺——“原地浸出”工艺,获国家“八五”科技攻关重大科技成果奖,为国家“八五”科技攻关十大国际领先水平成果。1997年,“原地浸出”工艺获国家发明奖。但原地浸出工艺存在渗漏的浸出母液对地下水污染的问题。

3.2离子吸附型稀土提取工艺

赣州离子吸附型稀土的提取工艺大体分为食盐浸取-草酸沉淀工艺、硫酸铵浸取-草酸沉淀工艺和硫酸铵浸取-碳酸氢铵除杂沉淀工艺三个阶段。最初,赣州有色冶金研究所、江西省地质局908大队、江西大学(现南昌大学) 发明了食盐浸矿-草酸沉淀工艺提取离子相稀土,但成本高,且造成土壤盐碱化。为解决食盐浸矿存在的问题,江西大学、赣州有色冶金研究所于1984年研发出硫酸铵浸矿技术,硫酸铵浓度为1%~4%,减少了浸矿剂消耗和对土壤生态环境的破坏,但仍未解决草酸成本高和环境污染的问题。1985 年,江西大学、赣州有色冶金研究所研发的碳酸氢铵除杂沉淀工艺,解决了草酸沉淀存在的成本高、环境污染问题。矿山生产的碳酸稀土无需灼烧成氧化稀土,可直接进分离厂进行分离加工。硫酸铵浸取-碳酸氢铵除杂沉淀工艺,是现行离子型稀土矿的主体提取工艺。

3.3离子吸附型稀土矿开采提取技术发展方向

1)加强对离子吸附型稀土矿山的基础地质勘查,完善原地浸出开采工艺

原地浸矿开采工艺高效环保,是目前应用效果最好的浸出工艺,也是离子吸附型稀土矿的主要开采工艺。但原地浸矿工艺在生产实践过程中也存在滑坡风险、浸出液渗漏导致收率不稳定、污染地下水及适应性有限等问题。笔者认为,解决以上问题除加强防滑坡的监测、治理技术和管理手段的研究,完善浸出母液回收技术之外,还需加强对矿山基础地质的勘查评价,查清矿山整体地质环境,特别是矿体底板状态,包括完整程度、透( 渗)水性能、产状、起伏情况、结构状况、矿体渗透(滤)性能、矿岩构造、地下水及其活动状况等,通过对矿体的基础地质研究,可对矿体是否适合原地浸出给出指导,避免盲目采用原地浸出造成山体滑坡、地下水污染等环境问题。

2) 研发新型浸矿剂,解决氨氮废水污染问题

减少或消除氨氮排放,研发无氨氮或少氨氮的新型浸矿剂是离子吸附型稀土开发利用的一个重要研究方向。新浸矿剂的应用,应满足稀土离子交换效果好,对动植物、土壤、水体无损害或影响小等要求。中国工程院院士黄小卫提出镁盐浸矿,并对镁盐浸矿进行了环境影响分析,该方法已成为离子吸附型稀土无氨浸出研究的重要方向。

3)研发绿色分离工艺,提高稀土资源利用效率

稀土浸出液经沉淀后获得的沉淀物需通过高温煅烧形成稀土氧化物,并根据后续稀土分离或应用需求,采用盐酸将稀土氧化物或碳酸盐溶解成氯化稀土溶液使用,该工艺既消耗了沉淀剂又消耗了酸、碱和能源。因此,不经沉淀和焙烧,直接将浸出液浓缩萃取分离得到稀土产品,将是从浸出液中富集回收稀土的技术发展方向。研究基于离子吸附型稀土浸出液的新型萃取体系,实现浸萃一体化是离子吸附型稀土矿分离工艺的重要研究方向。

四、结语

赣州离子吸附型稀土矿是我国重要的稀土资源。赣州稀土在历经40多年的开发利用过程中,为国内经济社会发展做出了重要贡献。但是,由于科技水平和管理等多方面的原因,其存在资源消耗过大、私采滥挖、利用率低、浪费破坏严重等问题。赣州稀土产品大多停留在产业链前端的初级加工阶段,不仅影响了经济发展的速度和质量,同时也制约了经济发展方式的转变,严重制约了赣州稀土产业的可持续发展。开发离子吸附型稀土矿绿色提取技术,是实现稀土资源高效可持续发展及清洁生产的必然要求。另外,营造我国稀土产业的良好氛围,推动赣州社会经济和生态环境的可持续发展,需要国家和地方政府加强对稀土产业链各个环节上的管理,落实稀土行业管理,推进稀土有序开发利用;调整优化产业结构方式,延伸和完善稀土产业链;加快科技创新,提高稀土产业科技创新。□

我们一天“约会”多少种矿产?

武秋杰 吕振福

我们每天在生活和工作中都要接触到各种各样的矿产,但究竟有多少种矿产呢?它们以怎样一个形式出现在我们的生活和工作中呢?下面就让我们通过一个普通人的作息活动表,来计算一下我们从早晨到晚上,要与多少种矿产进行“约会”——

早晨,我们睁开眼睛之后做的第一件事就是拿起枕边的手机。那么,我们手机里包含多少种元素呢?英国普利茅斯大学地理与地球环境科学学院的几位地质学家在网上发布了这样一段视频:他们在实验室里将一部iPhone 4S手机放入搅拌机搅得粉碎,随后进行元素分析,一部智能手机中包含铁、硅、铬、铜、碳、镍、铝、钙、锡、钕、银、钴、钼、金、镨、钽、铌、锑、钆、镝、锗、铟、锂等23种矿产。

起床后,我们会打开房间里的电灯。此时,我们要接触到煤炭、钨和稀土等矿产。白炽灯里灯丝是由钨做的,世界上流行的新型电光源几乎都与稀土有关,其中用量最大的是稀土三基色荧光灯,且我国60%的电都是由煤炭发的。

随后,我们眯着朦朦胧胧的双眼来到洗手间洗漱,脚下踩的地板砖和所使用的盥洗池都是由黏土矿物和高岭土等烧制而成;刷牙的牙膏中也包含硅酸盐矿物。

洗漱完,女性朋友要进行出门前的打扮,所使用的化妆品中一般含有滑石、云母、碧玺、蒙脱石、膨润土等矿产;首饰则涉及到金、银、铂族矿产、金刚石、玛瑙、玉石等。

早餐时,我们吃的米饭、面粉等农作物施用的化学肥料主要来自于磷矿、钾盐和硫矿等;我们做饭也要使用到天然气;做饭时所需要的不锈钢锅、菜刀则由铁、镍、铬、钼等矿产合成;吃饭用的碗是由高岭土烧制的。

吃过早餐,我们开着汽车走在上班的公路上。汽车常用的材料有碳钢、合金钢、有色金属及合金、橡胶、尾气催化剂等。所以,汽车涉及到的矿产有铁 、碳、铬、镍、硅、钒、铝、硼、钨 、钼、钛、稀土、铝、铜、镁、锌、锰、锡、、铍、锆、氟、石棉、石墨、铂、钯、石油等;公路是由水泥灰岩、砂石铺制而成。

来到办公室,我们开始一天的工作,所使用的铅笔的笔芯由石墨和黏土按照不同的比例加以混和、压制而成;在纸浆中高岭土有较强的稳定性,并且完好地保留在纸张纤维中,粒度细,流动性强,机械化生产中可确保纸张涂层厚度均匀,高岭土可填补纸张纤维间的空隙,提高纸张密度,降低纸张透明度,改善纸张平整度,增强纸张吸收油墨的能力,高岭土大量应用于制纸行业,生产白纸也要用硫、重晶石来提高白度和表面覆盖率;现在办公离不开的电脑则涉及到金、银、铂、钯、锌、锡、硅等矿产;办公楼里的消防灭火装置则涉及到铋、铅、锡、锑、铟等矿产。

中午饭点到了,我们去餐厅吃了一份麻婆豆腐,而石膏是把液态豆浆变成固态的豆腐的凝固剂。

下班由于路面交通拥堵,我们选择乘坐地铁回家。铁轨是铁、锰、钒、铌等金属合成的,地铁站的导航LED显示屏含有铝、钙、磷、砷、铟、镓等矿产。

到家后,我们开窗透气。窗户是由铝合金和玻璃构成,铝合金由铜、硅、镁、锌、锰做成;玻璃由石英砂、硼砂、硼酸、重晶石、碳酸钡、石灰石、长石、纯碱等做成。

晚餐后,我们打开电视。电视显像管的荧光屏玻璃是用锶来制作的,且电视背景墙装修材料中含有硅藻土,能够净化空气。

当我们身体不舒服时,也需要和矿物打交道。例如,芒硝、石膏、方解石等都是矿物药,我们用来测体温的温度计中也含有金属汞。

睡前,我们洗个热水澡,太阳能热水器的专用氟膜来自于萤石。

这样计算下来,我们日常“约会”的矿产资源能够达到四五十种之多,它是社会发展的重要物质基础,影响着我们生活和工作的方方面面。□

地质人:探知地球 初心不改

王小莉

“地质”一词最早见于三国时魏国王弼的《周易注·坤》,当时属于哲学概念;1853年出版的《地理全书》中的“地质”一词,是目前所能见到的最早具有科学意义的概念。

地质人职业前行的方向始终紧扣着时代发展需求的脉搏。伴随着新中国的诞生,地质工作这棵生命之树也逐渐生根发芽。

新中国成立后,我国地质工作发展经历了六个阶段:新中国成立初期快速建设发展阶段(1945~1965年)、“文革”无序萎缩阶段(1966~1976年)、“文革”后发展阶段(1977~1990年)、地质工作的滞缩阶段(1991~2005年)、地质工作快速发展阶段(2006~2012年)及地质工作转型发展阶段(2013年至今)。

日复一日、年复一年,所有的地质人不畏艰险,不辞辛劳,脚踏实地,默默为我国地质事业发展、伟大中国梦的实现,贡献着自己的智慧与力量。作为地质人,我们需要奔走在山水之间,日晒雨淋,风餐露宿。上天、入地、潜海,但凡蕴藏着富饶矿藏的地方,都能追溯到地质人的足迹。

党的十九大赋予地质工作新的历史使命:实现“两个一百年”目标,要求提供更加安全、可靠、稳定、经济的能源安全保障;建设生态文明,推动历史发展,要求进一步深化对地球的认知,遵循、顺应自然规律,提出地质解决方案;保障和改善民生,要求发挥地质信息、技术和资源的优势,改善人居环境;区域协调发展七大战略的实施,要求有效发挥地质工作的基础性、先行性作用,解决重大的资源环境问题;打好全面决胜小康社会三大攻坚战,推动经济高质量发展,要求提供更加精准的、更高质量的、更广领域的、更高技术含量的地质支撑服务;创新驱动发展,要求大力推进地质科技核心理论的创新,加快向深地、深海、深空进军,抢占战略的制高点;全面推动形成新格局,提高地质调查国际合作水平。

职业的信念感、时代的使命感、自然的强大魅力,时时激励着一代又一代的地质人,不忘初心,忘我投入到平凡而又伟大的地质工作中。我们悦纳大自然对我们身体的考验、心灵的洗礼,悦纳时代需求变换的考验。

地质人的人生试炼之路,使其更加意识到人类是地球的一部分。而地质人探索地球的初心便是,更好地认知地球,更好地与大自然和谐共处。

责任编辑:彭薇