稀土被称为“工业味精”、“工业维生素”、“新材料之母”，广泛应用于航天航空、电子、交通、医疗卫生和传统产业等13个领域的40多个行业，特别是中重稀土，更是与高新技术材料和尖端科技产品密切相关，是发光材料、高性能磁性材料、激光材料、光导纤维、陶瓷材料等的重要成分^[1-2].

南方离子型稀土矿是我国特有的、世界上罕见的中重稀土矿，含有各种高新技术新材料应用中急需的中、重稀土元素，含量均高出国外类似工业矿物含量的4~20倍.对于该类资源的开发与利用研究，可解决世界上主要稀土矿，如氟碳铈、独居石矿等均以轻稀土为主要产品，而中重稀土矿资源严重缺乏的问题，有着十分重要的影响，将为世界新材料、新能源技术的发展带来革命性变化.

1 南方离子型稀土矿资源概述

世界已探明稀土资源工业储量为9850万t（REO），远景储量为28680万t.中国稀土资源储量位居世界首位，稀土工业储量占世界稀土工业储量的38 %，远景储量占世界的76 %.世界主要稀土矿中绝大部分只含有轻稀土元素，重稀土元素含量高而且品位好的只有中国的南方离子吸附型稀土矿，主要分布在江西、广东、福建、广西、湖南等南方省区，见表 1.据地勘部门的资料统计，上述几省区的离子吸附型稀土矿已探明稀土工业储量为150万t，远景储量5 000万t，占世界中重稀土储量的80 %^[3-6].

稀土元素以水合或羟基水合阳离子的状态赋存在风化的黏土矿物上，是南方离子型稀土矿床重要特征.矿床的形成及特征与南方高温多雨的气候、独特的地貌特征、矿体中水分的含氧量以及大量微生物的活动有密切的联系^[7].大量研究表明，我国南方离子型稀土矿矿床是花岗岩或火山岩裸露地面经长期强烈风化而形成的，矿床一般呈面形分布，以凸透镜状覆盖在未风化的花岗岩或火山岩岩体上，根据矿床的风化程度可分为表土层、全风化层、半风化层和基岩，离子型稀土矿矿床厚度一般在8~10 m之间，有的也可达到5~30 m，呈黄色、浅红色或白色松散的砂土混合物状，可露天采掘.其稀土品位一般在0.05 %~0.3 %（REO）之间^[8-11].

离子型稀土矿矿石主要由黏土类矿物、石英和长石等组成，矿物组成与构造简单，含重砂较少，其中黏土类矿物含量可达到40 %~70 %，主要包括埃洛石、伊利石、高岭石等，75 %~95 %的稀土元素以离子形态吸附富集于粒度小的黏土类矿物上，如高岭土、云母等黏土矿物，而其余约10 %的稀土元素则以矿物相、类质同相、微固体分散相等形式存在于其他矿物中^[12].

2 南方离子型稀土矿提取工艺现状

南方离子型稀土于1969年首次在我国江西发现，其开采始于20世纪70年代，已有40余年的历史，由于稀土元素绝大部分以离子相存在，稀土含量低，采用传统的物理选矿法不能使稀土原矿富集，无法得到相应的稀土精矿, 只能采用化学浸出的选矿法，其提取工艺流程包括原矿浸出、浸出液除杂、从浸出液中提取稀土等步骤，最终获得的产品为混合稀土碳酸盐、氧化物或氯化物.南方离子型稀土矿提取工艺经历了池浸工艺、堆浸工艺和原地浸矿工艺的发展阶段.

2.1 池浸工艺

该工艺一般采用面积约12 m²、容积l0~20 m³的水泥池作浸取槽浸取稀土，池内稀土原矿的装矿高度约1.5 m，用工业级硫酸铵配成1 %~4 %溶液作浸取剂，注入浸出池中的稀土原矿上淋泡，浸出液在池底被收集.采用池浸工艺稀土浸取离子型稀土，浸出液中杂质含量一般较低，浸出液经草酸沉淀获得的草酸稀土，一次灼烧的产品质量就能达到RE₂O₃含量大于92 %的用户要求^[13-14].池浸工艺使离子型稀土矿提取工艺流程大大简化，提高了矿山的生产效率和能力，降低了生产成本.

但池浸工艺也存在一些明显缺点，浸池中硫酸铵靠重力以较大的流速沿疏松多孔的矿粒孔隙向下运移，流速太快时无法向矿粒内扩散，难以与矿石中的RE³⁺离子接触反应，造成稀土离子富集浓度低，浸出液固比大，特别是当溶液快速流动时，会严重冲刷矿层中的细粒物料，造成沟流或浸出“死区”，致使硫酸铵耗量大，稀土损失大，浸出率低，稀土资源利用率低.

2.2 堆浸工艺

该工艺利用地形筑堆，集中收液、集中处理来进行生产，可根据离子型稀土矿的成矿特征、矿床特点、矿体形状，设计不同的采矿方法，实现多水平、多中段作业，在采矿点就近建堆浸取稀土，根据矿体储量设计堆场大小，浸取完成后可立即迁移，在最大限度地利用资源的同时，大幅降低了运输成本.堆浸工艺可根据具体矿物特性调整矿堆高度，可有效控制浸取过程的液固比，使浸取剂单耗得到有效降低，采用该工艺得到的浸出液中稀土浓度相对较高.堆浸工艺对低品位离子型稀土矿资源具有良好适用性，可获得较好的浸取效果，既可使宝贵的稀土资源得到充分利用，提高稀土回收率和降低成本，又能在减少投资的情况下扩大处理能力，其资源利用率和产量均高于池浸工艺^[15-16].

堆浸工艺是池浸工艺的改革与延续，虽然资源利用效率有所提高，但在生产过程中仍遇到很多难题，主要有：①进行“搬山运动”，据统计每生产一吨稀土产品，产生1 200~1 500 m³尾砂及削离物，破坏矿区植被，造成水土流失，严重威胁矿区生态环境；②稀土资源的利用效率仍不高，主要表现在稀土提取效率低，浸出液中稀土含量低，杂质含量高；③资源浪费严重，堆浸工艺提取稀土产生大量的剥离物及尾砂，就地堆弃在半山腰以下，由于尾砂掩埋，造成山腰以下的矿石无法利用，另外由于半风化矿矿石较坚硬、品位略低，露采时往往会丢弃不采，再加上经济利益驱使，采用池浸或堆浸工艺存在明显的采富弃贫、采易弃难的现象，大量的低品位、复杂难利用稀土资源被尾砂及剥离物掩埋，资源浪费严重.

2.3 原地浸矿工艺

原地浸矿又被称为溶浸采矿，该工艺在天然埋藏的矿体上布置注液孔，直接将化学溶液注入矿体，通过化学药剂与目的矿物的作用，选择性地浸取有用成分.对于南方离子型稀土来说，就是直接将电解质溶液经注液孔注入矿体，矿体中吸附在黏土矿物表面的稀土离子与电解质溶液中阳离子发生交换解吸，形成稀土母液，再将稀土母液集中收集回收稀土.该工艺不开挖表土和矿石，不破坏矿区表面植被，对矿区生态环境影响较小. 20世纪80年代初赣州有色冶金研究所提出原地溶浸的设想，大量科研人员在“八五”、“九五”期间针对南方离子型稀土矿原地浸矿工艺和理论进行了科技攻关，最终开发出了比较成熟的南方离子型稀土矿原地浸矿新工艺，成为目前应用效果最好的南方离子型稀土矿开采工艺之一.原地浸矿工艺较好地解决了复杂地质类型全复式完全型矿体原地溶浸采矿问题，可在50 %以上的南方离子型稀土矿推广应用.另外，中南工业大学等研究机构在这期间也大量开展了南方离子型稀土矿原地浸矿理论及工艺研究，建立了离子型稀土矿原地浸矿数学模型^[17-18].

目前离子型稀土矿山主要采用原地浸矿工艺.原地浸矿工艺与池浸和堆浸工艺相比，不存在“搬山运动”，对稀土矿区生态环境破坏小，但由于南方离子型稀土矿矿床复杂，原地浸矿工艺仍存在很多问题，主要有：原岩（母岩）所含稀土元素的丰度、稀土矿物和含稀土矿物的种类及其抗风化能力等的特性还未完全揭示；不同工业类型离子型稀土矿的矿物组成与含量、矿石结构与构造、稀土赋存状态、风化程度与有害组分（钙、硅、铝）的种类和含量、岩石渗透性能等对可浸取性的影响规律还不清楚；吸附相层状黏土矿物的风化可溶，导致浸出液杂质含量高的问题；对稀土在不同原岩（母岩）层位及不同矿石工业类型中吸附相层状黏土矿物中的膨胀性、黏结性、胶化性、阳离子交换性缺乏系统的研究，特别是对稀土在黏土矿物中的脱附和吸附的交换机理及迁移富集规律的认识不深，存在浸出时间长，稀土母液浓度低、稀土浸出率与实收率低及稀土浸出母液流失等问题，致使该工艺的推广程度不高^[19-23].今后应在南方离子型稀土矿成矿规律、原地浸矿机理等方面加强研究，尽快使原地浸矿工艺全面推广.

3 浸出液中稀土的回收 3.1 杂质离子的去除

南方离子型稀土矿一般含有铝、硅、钙和铁等杂质，采用硫酸铵做为浸出剂浸取稀土离子时，这些杂质会不同程度的进入浸出液中，从而影响稀土沉淀产品质量，增加沉淀剂耗量，甚至无法形成晶型碳酸稀土沉淀.另外，溶剂萃取法提取浸出液中的稀土时，铝易形成絮状Al（OH）₃胶体沉淀，萃取过程会因萃取体系乳化无法进行，所以在从浸出液提取稀土前必须采取一定的措施将这些杂质去除.目前，稀土浸出液中的杂质离子主要通过中和水解除杂和硫化物除杂实现.

（1）中和水解除杂.研究表明，稀土离子在pH=4~5时不会沉淀，而铝、铁、硅等杂质离子会水解形成氢氧化物沉淀.因此，将中和剂氨水或碳酸氢铵等加到稀土浸出液中，可与稀土浸出液中的铝、铁等杂质中和生成沉淀，从而使其与溶液中的稀土离子分离，但中和过程要严格控制溶液pH=4~5，以避免溶液pH值升高使稀土离子生成沉淀.目前矿山实际生产中，一般采用碳酸氢铵调节溶液pH值，碳酸氢铵含有的碳酸根会和浸出液中的稀土离子形成碳酸盐沉淀造成稀土损失.另外，采用中和水解法去除稀土浸出液中的杂质时，沉降速度很慢，可通过加入絮凝剂加快沉降速度^[24].

（2）硫化物除杂.稀土浸出液中常含有Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺和Mn²⁺等重金属离子，这些重金属离子可与硫化铵或硫化钠发生反应生成黑色硫化物沉淀析出而被除去^[25].

3.2 浸出液沉淀稀土工艺

通常采用沉淀法从稀土浸出液中分离出稀土.目前，从浸出液中沉淀分离稀土的工艺主要有草酸沉淀工艺、碳酸氢铵沉淀工艺及晶型碳酸稀土沉淀工艺等^[26].

3.2.1 草酸沉淀工艺

草酸沉淀工艺是以草酸作为沉淀剂，加入到稀土的微酸性浸出液中即有白色的稀土草酸盐沉淀析出，其沉淀反应化学式为：

从反应式本身看，理论上生产一吨稀土氧化物需一吨草酸，但在实际生产过程中草酸的使用量约为理论上的2倍.其原因主要是离子型稀土矿浸出液中的铝离子含量都很高，浸出液中铝含量越高，草酸消耗越大，稀土沉淀率越低，不仅加大了草酸的用量而且降低了产品的纯度.所以采用草酸从稀土浸出液中沉淀稀土前进行抑杂浸取或在沉淀前除杂，可有效降低草酸消耗量.草酸做为沉淀剂沉淀稀土具有良好的沉降性能，获得稀土沉淀为晶形沉淀，沉淀过程应在搅拌状态下进行，反应完成后的反应液进行静置陈化，使晶粒小的稀土沉淀溶解，晶粒大的稀土沉淀进一步长大，可有效减少沉淀物体积，同时使被包裹和吸附的杂质离子释放，使草酸稀土沉淀物纯度提高.草酸稀土沉淀后续一般灼烧成氧化稀土产品形式^[27-29].

3.2.2 碳酸氢铵沉淀及晶型碳酸稀土沉淀工艺

碳酸氢铵沉淀工艺则是在对稀土浸出液进行沉淀时采用碳酸氢铵作沉淀剂，它的优点主要表现在：沉淀效率比草酸沉淀工艺高, 沉淀剂碳酸氢铵价格相对便宜且容易购买, 推广应用前景大.1986年江西大学首先提出了南方离子型稀土矿浸出液制备碳酸稀土工艺，并率先获得了该工艺的发明专利.李永绣等也对此进行了研究，研究表明, 在pH < 7的条件下可形成碳酸稀土并能够稳定存在，碳酸稀土沉淀形成的初始pH值在4~5之间，浸出液中稀土浓度高时可在pH < 4的条件下形成.但碳酸氢铵沉淀工艺在矿山的实际生产过程中仍存在一些问题：获得的常规碳酸稀土沉淀物为无定形絮状沉淀，体积庞大；得到的浆液难以过滤，不易洗涤；杂质铝随同稀土一起进入沉淀物中，获得的碳酸稀土纯度不高，且产品质量不稳定^[30-34].

针对上述问题，长沙矿冶研究院、江西大学、江西省科学院等研究机构进行了晶型碳酸稀土沉淀技术的深入研究.研究结果表明，对沉淀条件进行严格控制，可获得沉淀颗粒粒度为5~10 μm完全晶型碳酸稀土，其沉淀物体积与草酸沉淀工艺获得的沉淀物体积相当，易过滤，易洗涤，并可部分除去杂质铝，产品质量得到了改善^[35].但该工艺仍然存在杂质离子对沉淀效果影响大、稀土损失大、过程比较复杂、操作要求严苛等问题.

4 展望

南方离子型稀土矿的开采提取技术经过40多年的发展，稀土回收率有了较大提高，但仍有不少理论和实际问题有待解决.

（1）目前广泛应用的原地浸矿工艺采用硫铵做为浸出剂、碳铵做为沉淀剂，造成稀土矿区土壤酸化、水体富氧化及氨氮超标，因此开发替代硫铵、碳铵的高效低污染浸取剂和沉淀剂，实现稀土矿的短流程高效低污染提取，是未来南方离子型稀土矿提取技术研究的重要方向.

（2）由于南方离子型稀土矿床的构成复杂以及对原地浸矿机理的研究不够深入，目前仍无法建立相应的模型来指导实际生产，只有凭经验来解决原地浸矿技术在实际应用过程出现的一些问题，造成原地浸矿工艺无法大规模推广.因此，必须加大对原地浸矿基础理论研究的力度，重点在成矿机理、浸取过程强化等方面加大研究力度，为原地浸矿工艺的推广应用提供理论支撑.

（3）由于南方离子型稀土矿开采早期采用池浸和堆浸工艺及采富弃贫、大矿小开、管理混乱等因素，在稀土矿区残留了大量低品位、复杂难利用的稀土资源.据统计在南方离子型稀土矿主产区赣州，约有残次矿稀土资源1万t（TR₂O₃），被植被覆盖、渗透性较差及分散型矿体稀土资源2.3万t（SR₂O₃），这些稀土资源难以利用现有的原地浸矿工艺提取，造成资源的巨大浪费.因此，加强该类资源的提取工艺研究，对于提高稀土综合利用效率具有重要意义.

南方离子型稀土矿是我国特有的、世界罕见的稀土资源种类，具有巨大的经济价值与战略价值，其提取技术及开发利用水平对世界新材料、新能源的发展影响巨大，应进一步加大研究开发力度，使我国的稀土资源优势真正转变为经济优势.