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缔造“中国传奇”!黄小卫院士团队为徐光宪院士诞辰一百周年纪念专辑撰写文章
2021-11-26 16:47:01 来源:中国稀土学报、北京大学
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简介:近年来,我国在稀土萃取分离提纯方面取得了长足发展,开发了联动萃取分离技术、非皂化萃取分离稀土新工艺、碳酸氢镁法分离提纯稀土新工艺等系列代表性清洁工艺,并实现规模化应用,从源头减少或消除稀土分离提纯过程的氨氮、高盐废水污染,引领行业的绿色化发展。

来源:中国稀土学报、北京大学

【文献信息】冯宗玉, 王猛, 赵龙胜, 徐旸, 张永奇, 黄小卫. 稀土元素萃取分离提纯技术发展现状与展望 [J]. 中国稀土学报, 2021,39(3):469-478.

稀土元素萃取分离提纯技术发展现状与展望


前 沿

稀土因其独特而优异的磁、光、电、催化等物理化学特性,是全球公认的未来科技发展必须依赖的关键战略金属,被誉为“现代工业维生素”和“21世纪新材料宝库”,在新能源汽车、风力发电、新型显示与照明、工业机器人、电子信息、航空航天、国防军工、节能环保及高端装备制造等战略性新兴产业中均发挥着不可或缺的核心关键作用。稀土的绿色高效提取、分离提纯是稀土高新材料及应用发展的重要物质保障。由于稀土矿物多金属共生、矿石品位低,成分和结构复杂,且稀土元素物理化学性质相似,相邻元素分离系数小,致使稀土分离提纯难度大,工艺流程长,化工材料消耗高,三废排放量大等,是世界有色金属行业公认的重大难题之一。

我国稀土冶炼分离技术研发起步于20世纪50年代,60多年来国内稀土工作者根据稀土资源的特点,开发了一系列具有原创性的稀土冶炼分离提纯技术,各个时代应运而生的代表性成果有力推动了我国稀土工业的进步和发展。历经几十年的发展,我国建立了较完整的稀土采选冶、材料加工与应用工业体系,已成为全球最大的稀土资源国、生产国、出口国和应用国。稀土冶炼分离能力达到30万吨/年以上,稀土冶炼分离产品产量达18万吨/年以上,占世界总产量的85%左右,稀土分离提纯技术全球领先。本世纪以来,随着稀土应用需求及产业规模快速增长,资源浪费和环境污染问题日益突出,引起了国家对稀土行业绿色化、清洁化发展的高度重视。


图文摘要


近年来,我国在稀土萃取分离提纯方面取得了长足发展,开发了联动萃取分离技术、非皂化萃取分离稀土新工艺、碳酸氢镁法分离提纯稀土新工艺等系列代表性清洁工艺,并实现规模化应用,从源头减少或消除稀土分离提纯过程的氨氮、高盐废水污染,引领行业的绿色化发展。


主要内容


1、稀土萃取分离提纯技术发展现状及进展

1.1稀土萃取分离技术及应用特点

(1)P204、P507-H2SO4-HCl复合体系萃取分离稀土技术

20世纪80年代,有研总院开发了第三代硫酸法冶炼包头混合型稀土矿工艺,实现了P204-H2SO4体系萃取分离与转型工艺的大规模应用。2005年,有研稀土又开发了H2SO4-HCl体系P204-P507协同萃取转型与分离工艺、P507-H2SO4-HCl体系萃取分组分离工艺,进一步降低了体系平衡酸度,改善了重稀土反萃能力。2010年,有研稀土、五矿稀土研究院、甘肃稀土合作将非皂化萃取分离技术与联动萃取分离技术有机结合,开发了P507、P204在硫酸、盐酸及其复合体系中萃取分组-转型-分离工艺,成功实现了工业化运行,酸碱消耗大幅降低,产品纯度得到进一步改善和提升。

(2)P507-HCl体系萃取分离稀土技术

20世纪70年代,中科院上海有机所首先在国内实现了P507的工业化制备,北京大学徐光宪先生提出了稀土串级萃取理论,在稀土萃取分离工艺优化与工程设计中得到了广泛应用。1979~1983年,有研总院、包头稀土院等研发了适用于包头矿的P507-HCl体系萃取分离稀土工艺,得到镧、铈、镨、钕等单一稀土产品和含铕富集物产品;20世纪80年代初,中科院长春应化所、有研总院、九江有色金属冶炼厂、江西六〇三厂等合作开发出适用于龙南离子型稀土矿的P507-HCl体系萃取分离单一稀土的工艺。经过40年的发展,P507-HCl体系萃取分离提纯稀土元素是目前工业应用最广泛的稀土分离提纯工艺技术。

(3)环烷酸-HCl体系萃取分离稀土技术

1974~1983年有研总院、中科院长春应化所、江西稀土研究所、江西806厂等合作研发出环烷酸一步法萃取分离高纯氧化钇工艺,批量制备99.99%~99.999%的荧光级氧化钇,成为我国独创的国际领先的稀土萃取技术之一。1985年,有研总院将该技术转让给原德意志民主共和国,是中国第一个出口的稀土分离技术。目前,环烷酸-HCl体系萃取分离钇工艺仍然是工业生产中钇分离提纯主流工艺。

1.2稀土萃取分离有机相皂化技术研究进展

上世纪80年代,我国科技工作者开发出氨皂化有机相萃取分离稀土工艺,大幅提高了萃取分离效率,在稀土萃取分离工业上广泛应用。近20年来,相继开发了氢氧化钠皂化萃取分离稀土工艺、氧化钙或氢氧化钙皂化萃取分离稀土工艺、碳酸氢镁皂化萃取分离稀土工艺等。其中,有研稀土研发成功碳酸氢镁法分离提纯稀土原创技术,首次将稀土萃取分离过程产生的镁盐废水和CO2气体循环回收制备碳酸氢镁溶液,替代液氨、液碱等用于皂化有机相萃取分离稀土,从源头解决了稀土分离过程氨氮、高盐废水排放难题,适用性强,可应用于离子型稀土矿、包头混合型稀土矿、氟碳铈矿等各种稀土资源的稀土分离提纯,可在现有稀土分离提纯生产线基础上进行改造升级,对现有生产设施改动较小,投资少,具有广阔的应用前景。


2稀土分离提纯新方法、新技术研究进展

2.1稀土分离提纯过程物料循环利用技术

稀土分离提纯过程消耗大量酸、碱、盐,不可避免产生含盐废水,如氯化镁废水、氯化钙废水、氯化钠废水等,直接排放对环境造成不利影响。因此,亟需突破稀土分离提纯过程酸、碱及氯根综合利用技术,实现物料循环利用及污染物近零排放。有研稀土研究提出了一种稀土分离过程含氯化镁或氯化钙废水的综合利用方法,拟解决酸、碱、氯根的循环利用问题。对于氯化铵废水的分解与循环利用,较为典型的技术包括碱土金属氧化物法、硫酸氢盐法以及双极膜电渗析法等。

2.2稀土分离提纯新方法

针对现有稀土分离提纯过程氯化物废水难以循环利用、特定杂质靶向深度去除难等问题,优化升级、迭代发展稀土分离提纯新方法也是实现稀土绿色提取的有效途径之一。目前的研究热点主要包括离子印迹、离子液体萃取、Rapid SX™分离、氯化稀土热解、氯化稀土电解等,未来有望应用于稀土分离提纯领域。


3、稀土绿色分离提纯技术发展展望

展望未来,应重点从以下几个方面推进稀土行业绿色高质量发展:一是鼓励绿色化工艺技术研发、优化升级与推广应用;二是迭代发展新型绿色冶炼分离稀土技术;三是建立系统化稀土绿色制造评价体系。


作者简介



黄小卫,女,中国工程院院士


现任有研科技集团有限公司首席科学家、稀土国家工程研究中心主任、雄安稀土功能材料创新中心有限公司董事长;兼任中国有色金属学会稀有金属冶金学术委会主任、中国稀土学会稀土化学及湿法冶金专业委员会主任等。先后获得中国首届“杰出工程师奖”、“全国优秀科技工作者”、“全国劳动模范全国创新争先奖”等荣誉称号。

30多年来,黄小卫教授一直从事稀土矿冶炼、稀土分离提纯和稀土化合物材料的研究、工程化开发及推广应用,在稀土资源高效清洁提取、绿色分离提纯等方面取得多项创新成果,如包头混合型稀土矿硫酸强化固磷焙烧-萃取转型分离技术、非皂化萃取分离稀土新技术、碳酸氢镁皂化萃取分离稀土原创技术、离子型稀土原矿浸萃一体化技术等专利技术,在北方稀土集团、中国稀有稀土集团、厦门钨业等40多家大型稀土企业推广应用,从源头消除氨氮废水及放射性污染,镁盐废水和CO2有效循环利用,大幅提升稀土资源利用率,有力推动了我国稀土资源高效清洁开发利用引领稀土行业绿色发展。发表高水平学术论文200余篇,授权发明专利110余件(其中,国外发明专利30件);创新成果先后获得国家技术发明等奖1项、国家科技进步二等奖和三等奖各1项省部级一等奖10项。


先生之风 山高水长——记北京大学徐光宪院士


人们称他为“稀土之父”,钦佩于他竟能撬动世界稀土市场的格局,“扼住美日的咽喉”。然而当把2008年度国家最高科学技术奖捧在手上时,他却不安地说:“北大有许多优秀的学生,我获奖的工作都是我的学生和研究团队完成的,我只是这个集体的代表。”

范仲淹说:云山苍苍,江水泱泱,先生之风,山高水长。他学术如山,山高千丈;性情如水,静水深流,实在当得起“山高水长”。


徐光宪荣获2008年度国家最高科学技术奖


他就是徐光宪,2008年度国家最高科学技术奖获得者,中国科学院院士。1920年出生于浙江省绍兴,1944年毕业于交通大学(西安交大、上海交大前身)化学系,1951年获美国哥伦比亚大学物理化学博士学位,不久回国,到北京大学任教。曾任北京大学化学与分子工程学院教授、博士生导师。


稀土之父,中国传奇

是什么原因促使风靡全球的“苹果”手机在中国设厂?为什么“爱国者”导弹能比较轻易地击落“飞毛腿”?这都源于一种极为重要的战略资源——稀土。稀土有“工业维生素”之称,其具有优良的光电磁等物理特性,能与其它材料组成性能各异、品种繁多的新型材料,并大幅度提高其它产品的质量和性能。可以说,稀土是21世纪最重要的战略资源之一。


邓小平同志曾经说过:“中东有石油,中国有稀土。”中国稀土资源储量占世界储量的70%左右,其地位可与中东的石油相比,具有极其重要的战略意义。尽管我国稀土储量位居世界第一,但是生产技术却长期掌握在外国人手里,直到20世纪70年代,我国还只能向国外廉价出口稀土原料,然后再高价进口深加工的稀土产品。


“空有宝山,却要受制于人”,这令人扼腕叹息的局面,正是被徐光宪所改变。1972年,北京大学化学系接受了一项紧急任务——分离镨钕,研究生产稀土的技术。52岁的徐光宪,临时受命,成为了这一研究课题的领军人。经过艰辛探索,他大胆摒弃国际上通用的离子交换法,另辟蹊径,提出串级萃取理论,使本身难以分离的镨钕具有高达4的分离系数,远远超过了国际同行的结果。在此基础上,徐光宪推导出100多个公式,成功设计出了整套工艺流程,实现了稀土的回流串级萃取。此外,他还率先办起“全国串级萃取讲习班”,使新的理论和方法广泛应用于实际生产,大大提高了中国稀土工业的竞争力,使我国在稀土分离技术和产业化水平上跃居世界首位。


徐光宪的成功,使中国从稀土资源大国一跃成为稀土生产和出口大国,撬动了全世界的稀土市场格局。到上世纪90年代初,由于我国单一高纯度稀土大量出口,国际稀土价格降为原来近四分之一。包括美国钼公司、日本的稀土分离企业、法国的罗地亚公司等长期霸占世界市场的稀土垄断企业,不得不减产、停产、破产或寻求同中国人进行技术合作。他们把这称为“China Impact”(中国冲击),这是徐光宪缔造的“中国传奇”

徐光宪,一直密切关注着国内稀土工业的发展。他呼吁保护我国白云鄂博稀土矿,呼吁增强我国稀土生产的宏观控制,呼吁组织“稀土行业协会”……用他的话说,“我有稀土情结,永远解不开。


“科学无国界,科学家却有祖国”


徐光宪经历过中国最苦难的时代,终其一生,始终把自己的个人命运与国家命运、民族前途紧紧联系在一起,不忘科学报国的本心。

1948年,徐光宪获得公派自费留学美国的资格,来到美国哥伦比亚大学攻读博士学位。不久,同样学习化学的妻子高小霞也来到美国半工半读。夫妇俩虽然人在美国,可目光始终投注在自己命运多舛的祖国身上,与国同喜,与国同忧。1949年10月1日,中华人民共和国宣告成立,徐光宪感受到了光明和希望,他和留学生朋友们一起兴高采烈地冲向纽约中央公园野餐庆祝,有人还特意做了块“胜利酒家”的牌子放在中间,纪念这个美好的时刻。

新中国虽然成立了,却百废待兴,需要自己的儿女倾力建设,祖国日新月异的发展形势呼唤着徐光宪投身伟业。徐光宪不愿意继续待在美国了。可是,妻子高小霞还需一年就能拿到博士学位了,这时放弃会不会太可惜?真正的伴侣,心是相通的。高小霞果断背上行囊,她说:“科学没有国界,但科学家有祖国。”这句话坚定了丈夫回国的决心,1951年4月15日,徐光宪携妻子回国,乘坐的是美国禁止中国留学生归国法案正式生效前驶往中国的倒数第三班游轮。在归国途中,他经历了人生中最高兴的一件事。“轮船抵达广州的时候,有小船插着五星红旗来接我们。看到五星红旗,我非常激动,我觉得中国人确实是站起来了。”

徐光宪(1920-2015),浙江绍兴人,稽山中学杰出校友,北京大学教授,著名化学家、教育家,1980年当选为中国科学院院士。2008年度“国家最高科学技术奖”获得者,被誉为“中国稀土之父”。

1920年11月7日,徐光宪出生于浙江绍兴,兄妹7人中徐光宪排行最小。

中学时期,徐光宪就读于绍兴稽山中学,曾获浙江省数理化竞赛优胜奖。此后,进入多所知名高校深造,毕业于上海交通大学化学系,并最终获美国哥伦比亚大学博士学位。


朝鲜战争爆发后,中美关系异常紧张,徐光宪和夫人高小霞均感到祖国更需要自己,高小霞毅然中断攻读学位,徐光宪则放弃即将到手的工作,夫妻俩人借华侨回国省亲的名义,于1951年4月15日离开旧金山,乘船回到中国。

夫妇俩回国之后,一起到北京大学化学系从事科研和教学工作。在各个领域精尖人才匮乏的局面下,在近60年的时间里,徐光宪根据国家需要3次转换科研方向,前后涉及量子化学、核燃料化学、配位化学和稀土萃取等科研领域。每次都要“另起炉灶”“重新来过”,徐光宪却无怨无悔。他干一行、爱一行、专一行,在每个领域都干出了无愧于时代的业绩,因为他深知,祖国的需要是第一位的。

徐光宪与夫人高小霞


1951年5月徐光宪受聘北京大学化学系副教授,1961年晋升为教授。历任北京大学放射化学教研室主任、原子能系副主任、稀土化学研究中心主任(1986-1999)、稀土材料化学及应用国家重点实验室主任。曾任中国稀土学会副理事长(1980)、中国化学会第22届理事会理事长(1986)、中国国家自然科学基金委员会首任化学学部主任(1986-1994)、亚洲化学学会联合会主席(1991-1992)。

1983年11月,加入中国共产党。

2009年1月9日,获得2008年度国家最高科学技术奖。

2015年4月28日上午,徐光宪院士不幸逝世,享年95岁。


科研成就

徐光宪先生研究兴趣广泛,善于将量子化学理论计算与实验研究相结合,将基础研究与工业实践相结合,在稀土化学与分离、配位化学、量子化学理论与计算等领域均做出了重要的贡献。

徐光宪获得国家科学技术奖


徐光宪先生亦非常重视教育和人才培养,先后开设过物理化学、物质结构、量子化学、统计力学、原子核物理导论、配位场理论、络合物化学、萃取化学、高等无机化学、分子光谱等多门课程,对北京大学乃至全中国的化学学科建设起到了奠基和推动作用。他主持编写的《量子化学-基本原理和从头计算法》、《物质结构》、《萃取化学原理》、《稀土的溶剂萃取》、《稀土》等教材和学术专著,在中国化学界人才培养中发挥了巨大作用。

基于在科学研究和教育事业上的杰出贡献,徐光宪先生曾先后获得国家自然科学二等奖(1987)和三等奖(1987)、全国优秀教材特等奖(1988)、国家科学技术进步三等奖(1991)和二等奖(1999)、何梁何利科技进步奖(1994)和科技成就奖(2005)等多种奖励,并荣获2008年国家最高科学技术奖。


2000年在北大稀土实验室(左一为严纯华院士)王天天 摄

徐光宪与他的学生讨论学术问题

(2008年11月19日新华社记者 高学余 摄)

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