我國稀土材料與綠色制備技術現狀與發展趨勢

羅 滿

（神華蒙西煤化股份有限公司，內蒙古 烏海 016000）

1 我國稀土行業發展現狀

稀土工業以及稀土的應用從上世紀60年代開始發展起來的，稀土雖然屬于小行業產品，但是卻是不可再生的重要戰略資源，在新能源和新材料等領域中得到了廣泛的應用。作為稀土生產大國和出口大國，在高端稀土產品上卻依舊要依靠進口，這主要受到了稀土材料制備技術的限制，嚴重影響著我國稀土行業的發展。必須要開發高效清潔分離技術和高純度的制備技術，進行一體化大規模生產，制備獲得高純度的稀土金屬，加強對稀土高頻、磁傳感、激光晶體和閃爍晶體等新稀土材料和低成本穩定批量生產的綠色制備技術的研究與應用，才能改變現狀，使我國從稀土儲量大國變成高端稀土產品出口強國[1]。

2 稀土和稀土金屬

稀土的名稱原由是因為稀土資源在當時很珍貴，其氧化物難以溶于水中，這是因為稀土中含量的金屬元素多且占比大，性質和土不像，是屬于性質活躍的金屬資源。稀土是稀土金屬或稀土元素的簡稱，化學周期表中從57到71的15個鑭系元素，以及和鑭系元素同族性質相似的輕元素，即21號元素和39號元素，這些化學元素和稀土元素在化學性質上相似，且共同存在于一些礦物質中。在實際工業應用中，為滿足技術工藝和應用所需，可以按照性質間的細微差距對稀土元素進行分類，主要可以分成輕稀土和重稀土兩大類，輕稀土主要是指鈰組稀土，重稀土指的是釔組稀土，根據萃取難易程度還可以將稀土分成輕、中和重三組元素，輕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、按照稀土在硫酸復合鹽中溶解的難易程度也可以分成鈰組、鋱組和釔組。

3 稀土金屬常見的制備工藝

我國稀土金屬的制備工藝包括萃取分離、火法生產，在工業生產中主要生產技術有熔鹽電解法和金屬熱還原法，由稀土材料中的氯化物、氟化物和氧化物來制備稀土金屬和其他復合金屬。其中熔鹽電解法是制備混合稀土金屬的主要方法，尤其被應用在對熔點高的重稀土金屬制備中，利用電解法制取低熔點的稀土金屬合金，再用蒸餾的方式制取純稀土金屬。采用熔鹽電解法來制取稀土金屬，主要是在氯化物體系和氟化物-氧化物體系中進行。本文以利用熔鹽電解法制取稀土金屬鑭、利用中間合金法制取稀土金屬釔為例對稀土金屬常見制備技術進行剖析。

3.1 利用熔鹽電解法制備金屬鑭

首先，為取得良好的經濟效益在制備之前要合理選擇電解質，一般將二元或多元氯化物熔體作為電解質，其作用是可以改善電解質的物理化學性質，且其分解電壓比稀土氯化物高，可以選擇的電解質有酸堿金屬和酸堿金屬氯化物。其次合理選擇陰陽極，使氯化鑭熔體電離的鑭離子和氯離子在電極板上放電得到金屬鑭和氯氣，在經過一系列氧化還原反應后生成金屬鑭。整個工藝流程中需要注意的是，按照合理比例配制電解質，然后放入到電解槽中電解，在交直流作用下電解質融化。隨著電解進程的推進，在電解溫度下為避免電解質發生揮發導致電解質損失，在電解過程中需要不斷加入氯化鑭和電解質保持電解質熔體體積不變，最后將電解出來的金屬鑭及時從電解槽中取出，放入鑄模中國形成錠，最后清洗金屬鑭表面[2]。

3.2 利用中間合金法制備金屬釔

金屬釔屬于重稀土金屬，其熔點較高所以不適合采用氯化物熔鹽電解法制備，不但會造成電解質揮發損失嚴重，還會使設備發生腐蝕。為此可采用在還原無聊中加入低熔點高蒸汽壓的金屬元素和助溶劑來降低還原反應的溫度，然后再用真空蒸餾法去除合金中用來降低溫度的低熔點高蒸汽壓的金屬元素。

在制備過程中，用來降低反應溫度的金屬元素，比如本文以鈣元素和鎂元素為例，在制備前需要先在一定溫度下真空蒸餾提純，避免雜質進入而影響后面的制作。然后將這兩種元素放在坩堝中加熱反應，在融化后緩慢加入氯化鈣和氟化釔，最后取出坩堝在冷卻后取出還原產物，得到合金，在合金中將金屬釔提取出來，并在碾碎成小塊后真空蒸餾將合金中的鎂元素和其他雜質去除。最后繼續升溫、保溫后可得到高純度的海綿釔[3]。

4 稀土綠色制備技術、工藝及其應用情況

4.1 分離制備技術和工藝

稀土金屬元素的分離萃取是進行金屬制備生產的關鍵一步，在經過多年的發展以后我國分離冶金工業得到了發展，新的制備技術和工藝的出現提高了稀土材料產品的生產質量。

比如研發出的新型離心萃取機械和數字化流量系統設備，提高了稀土材料萃取分離工作的效率和質量，新的萃取設備分離速度較快且穩定性好，還有綠色污染少、占地少、自動化程度高的優點。對于重稀土分離方面的工藝，利用萃取新工藝體系生產出更高純度的金屬產品，同時還降低了生產成本。此外全新粒子吸附型稀土原地金礦工藝的研究與發展，采用原地控制金礦和分類分流工藝，不但提高了工藝生產的速度、穩定性，提高了資源的利用率，而且還避免因為氨氮元素對環境的污染，有利于山體穩定，為生產高端稀土產品奠定基礎。

4.2 納米稀土材料的研究與發展

納米稀土材料中包括稀土永磁納米顆粒、稀土拋光材料、稀土催化材料、稀土發光材料等，以稀土永磁納米為例，以表面活性劑和有機溶劑為介質進行球磨，成功制備出高性能的稀土永磁納米顆粒，該技術可以在常溫條件下進行，生產步驟簡化、生產技術難度不高，但是生產出來的產品性能卻很好。

4.3 超高純度稀土金屬制備技術

我國于2014年提出了超高純稀土金屬及合金節能環保制備技術課題，該課題項目通過對電解槽的改造，利用低電解槽進行電解，結合智能控制技術對電解過程進行自動化控制。該新型綠色制備技術一方面減少了能源的消耗，同時也減少了有害物的產出量。這種節能環保的電解槽和稀土高提純技術、裝備等結合起來，使生產出的金屬產品具有高純度，為生產高端稀土產品提供技術支持。

4.4 稀土材料的新應用

這幾年隨著對稀土材料研究的深入，稀土高端產品的出現和推廣，稀土材料有了新的應用，比如對高效稀土熒光粉的大規模制備和推廣應用，擺脫了依賴進口的局面。稀土異戊橡膠這一合成天然橡膠的出現，被應用在食品包裝、醫療器械等領域，推動了我國橡膠行業的發展。此外，含鑭、含鈰元素的稀土PVC熱穩定劑的研發，該復合型熱穩定劑作為綠色環保產品得到了廣泛的推廣應用，可見于管材、建筑板材等PVC制品加工領域中。

5 結論

綜上所述，這幾年來隨著科學技術的發展，尤其是冶金工業中各種新技術、新工藝和新材料的出現，對于稀土材料的制備也提高了重視程度，在稀土金屬材料制備、稀土工藝和稀土材料應用方面都取得了一定進步，但是和其他高國家相比我國在高端稀土產品出口方面還是很弱。為成為稀土出口強國，就必須要做好對稀土制備技術工藝的研究，改進制備生產工藝，加強稀土高端產品的研發生產和應用。