图形摘要。来源：矿产工程（2022）.DOI： 10.1016/j.mineng.2022.107813
包括稀土元素在内的关键矿物用于为智能手机和计算机等设备供电，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净化工艺，从酸性矿山排水和相关污泥中提取混合稀土氧化物，纯度为88.5%
关键矿物（CMs），包括17种稀土元素（REE），用于许多常见的家用产品，如智能手机和电脑，以及许多商业产品，如电动汽车、电池和太阳能电池板。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，没有它们将对美国的经济和国家安全产生重大影响。
酸性矿井排水（AMD）以及AMD处理产生的相关固体和沉淀物已被发现是多种CM的可行来源，包括稀土元素，铝，钴和锰。
美国能源部（DOE）资助了从美国煤炭和煤炭副产品来源中提取、分离和回收稀土元素和CM的技术可行性和经济可行性的努力，目标是从煤基资源中获得最低纯度为75%的混合稀土氧化物。
“我们一直在努力制定从这些废物流中回收CM和REE的策略，并取得了88.5%级REE的里程碑，”宾夕法尼亚州立大学能源和矿物工程教授兼关键矿物中心主任Sarma Pisupati说。“美国能源部目前设定的实现混合稀土氧化物的目标是75%，我们已经超过了这个目标。
代表下基坦宁煤层的酸性矿山排水和相关污泥材料是从宾夕法尼亚州环境保护部运营的三个处理场获得的，并对多种关键矿物的回收进行了表征和评估。
研究人员表示，基于先前开发的三阶段AMD处理工艺，设计了一种新颖的纯化工艺，通过具有多个清洁步骤的水处理和对工艺参数的精确控制，从污泥材料中回收高级铝，稀土，钴和锰产品。
“直接从AMD中提取稀土元素和CM消除了污泥溶解的需要以及试剂和处理的相关成本，从而以低成本实现了更可持续的废物处理实践，”宾夕法尼亚州立大学采矿工程助理教授Mohammad Rezaee说。“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物质将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AMD的pH值在治疗过程中增加，金属会沉淀为金属氢氧化物或其他复合物。
在新系统中，pH值仍升高到7，但分阶段进行。
“我们不是一次添加氢氧化钠，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允许某些矿物质在不同的pH值下沉淀出来。如果我们一次加入碱并将pH值提高到7，所有这些东西都会同时沉淀。然后我们需要回去把它们分开。
研究人员将pH值提高到铁沉淀所需的水平，然后提高到铝沉淀所需的pH值。研究人员表示，去除铁和铝后，稀土元素通过碳酸盐沉淀回收。
“我们的挑战是我们无法 100% 去除铁和铝;稀土元素浓度中有一点残留物，“Pisupati说。“即使混合物中只有1%的铝含量，它占主导地位，你的稀土质量也不会那么纯净。这在新的纯化过程中得到了解决。
在纯化过程中，通过循环将去除的沉淀物放回去以去除铁、铝和其他残留物。
“在纯化过程中，我们再次经历循环，回到3或3.5的pH值并重新开始，”Pisupati说。“我们正在缓慢地去除其他残留物，可能是整个循环的两到三次，以提高稀土元素的纯度。在我们之前的研究中，我们的成绩约为17%至18%，因此这是一项重大成就。
通过设计回收负荷，目标元素的回收率达到了99%以上。在原有的三阶段沉淀过程中，钴和锰析出物的浓度分别为0.85%和23%。由于纯化过程，它们的浓度分别增加到1.3%和43%。
该研究发表在《矿产工程》上。
更多信息：Behzad Vaziri Hassas等，从酸性矿山排水处理污泥材料中选择性回收高品位稀土，Al和Co-Mn，矿物工程（2022）。DOI： 10.1016/j.mineng.2022.107813
