稀土金属之所以稀有，不是因为它们真的稀缺，而是因为提取分离过程相当困难。从矿产开采稀土出来，必须经历复杂的化学蒸馏条件，过程中会对附近的环境造成污染。再者，从矿石中提取稀土元素也会产生有毒和放射性的酸洗液，对公众健康和环境都是莫大的隐忧。因此，稀土的提取分离技艺肯定是倾向更加环保安全的趋势发展。

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听到葡萄酒，直觉想到世界著名的葡萄酒产地法国；论及稀土，众所皆知，中国是全球稀土第一大国、储量产量世界第一。中国的稀土，就像是法国的葡萄树，没有它怎能酿得出好酒呢? 有工业维生素之称的稀土，是钪、钇和全部镧系元素的总称，也是所有高科技产品展现高性能而必须添加的原材料，更是尖端产业在国际竞争中重要的战略性资源。

稀土元素由于化学性质极为相近，在矿物中伴生共存，而各元素优异的光、电、磁、催化的本质特性往往需要单一高纯稀土才能得以充分体现，从而提取分离成为稀土材料工业的重要过程。然而，由于稀土元素的性质十分相似，造成了稀土元素分离上的困难，且随着稀土元素应用的日益广泛，人们对稀土产品的要求已不仅仅停留在对稀土纯度的要求上，更多的是对稀土产品的物理性能以及非稀土杂质指标的要求，铝就是被要求的非稀土杂质之一。铝是两性元素，它在溶液中可以以Al³⁺、Al(OH)²⁺、Al(OH)₃、AlO₂等多种形式存在，因此增加了其与稀土元素分离的难度。稀土与非稀土杂质分离的方法，主要有中和法、草酸盐沉淀法、硫化物沉淀法和萃取法等。到目前为止，萃取法仍然是分离稀土元素、生产高纯稀土最有效又经济的办法。

五矿旗下研究院

中国五矿集团有限公司 (China Minmetals Corporation) 是以往中国六大稀土集团之一[1]，也是在2021年12月23日合并成立的「中国稀土集团 (China Rare Earth Group)」的成员之一[2]。中国五矿集团有限公司 (China Minmetals Corporation)，简称「中国五矿」或「五矿集团」，成立于1950年，是由原中国五矿和中冶集团等两个世界500强企业战略重组形成的中国最大、国际化程度最高的金属矿业企业集团，也是由中央直接管理的国有重要骨干企业。公司总部位于北京，是以金属、矿产品的开发、生产、贸易和综合服务为主，旗下拥有许多子公司。

其中五矿（北京）稀土研究院有限公司 (以下称《研究院》) 成立于2006年9月，为中国五矿旗下五矿稀土股份有限公司全资子公司。研究院致力于稀土分离过程的绿色科技研发工作，以及与稀土废料再生处理领域相关的稀土废料回收技术。在稀土元素分离技艺方面，先后研发了联动萃取分离技术、皂化有机相萃取分离技术、物料联动循环利用稀土分离技术。

《研究院》专利布局概述

国际专利分类号IPC (International Patent Classification，简称IPC)[3]为阶层式之分类系统，按照五个等级分类来代表不同领域之专利技术。《研究院》自2007年起开始申请专利，将《研究院》28件专利组合 (patent portfolio) 按IPC阶层技术分类，发现大多属于冶金领域中之金属之生产或精炼或原材料之预处理 (三阶IPC：C22B)。

具体而言，按四阶IPC分类 (图1)，多为C22B 3/00 (利用湿式法由矿石或精矿内提取金属化合物)，其次为C22B 59/00 (稀土金属之提取)；总括而言，系采用湿法冶金方式提取稀土元素。若再细分，按IPC五阶分类则为C22B 3/20 (利用浸取leaching制得溶液之处理或净化) 相关专利最多，其他则为诸如萃取槽、过滤装置或窑等与分离相关的化学装置。

图1. 《研究院》主要IPC分类统计 (四阶IPC)

芮嘉玮绘制

重要专利技术解析

《研究院》所布局的专利，多攸关稀土提取分离的技术，列举如下：

(一) 以活化、溶解制备低杂质稀土料液
萃取法虽可使Cu、Pb、Zn、Co、Ni等非稀土杂质降到10-⁶，但对于铝的萃取分离还没有成熟使用的工艺流程。习知利用萃取法去除稀土料液中的杂质铝，主要是利用萃取剂进行萃取分离，例如环烷酸透过多级皂化、萃取、洗涤、反萃获得铝含量相对较低的稀土料液；但流程长，且常需结合使用价格较高的草酸，增加了生产成本；另一方面，铝杂质尤其易于在萃取剂中富集，影响稀土的萃取分离处理能力，或产生三相物等影响分离过程的进行。

《研究院》提供一种低杂质稀土料液的制备方法[4]，该方法制备得到的稀土料液中具有含量低的铝、铁、铀、钍等常见非稀土杂质，尤其是铝的含量更低。图2显示该专利低杂质稀土料液的制备方法包括活化过程和溶解过程二个主要步骤：

(1)活化：向含稀土氧化物的原料中加入活化剂溶液进行稀土元素活性增强的活化反应以制得活化的浆料；

(2)溶解：将该活化的浆料与酸溶液混合，控制pH值进行溶解反应，制得低杂质稀土料液。

图2. 低杂质稀土料液的制备方法示意图

芮嘉玮绘制

活化过程是向含稀土氧化物的原料中加入一定比例的活化剂，二者在一定温度下混合反应一段时间，对原料中的稀土氧化物进行活化，以制备出高活性稀土浆料。其中活化剂对于氧化物精矿中诸如铝、铁、铀、钍等常见的非稀土杂质，基本上无任何活化作用。至于溶解过程是将已活化的浆料和一定浓度的酸液混合，高活性稀土浆料与酸液在一定温度下进行控制pH值的溶解反应，因高活性的稀土浆料优先与酸发生反应而快速溶解，所以减少了非稀土杂质的溶出，实现稀土的选择性溶出，从而制备出低杂质稀土料液。低杂质稀土料液中的杂质含量甚低，包括铝的含量为1-200mg/L、铁的含量为1-50mg/L、铀的含量为0.01-2mg/L、钍的含量为0.01-5mg/L。最终得到的低杂质料液进入萃取环节，完成稀土元素的萃取分离。

(二) 皂化有机相萃取分离技术
硫酸稀土与皂化剂中的氨或钠、钾等碱金属离子易形成硫酸稀土复盐沉淀，导致萃取三相物生产，损失稀土和萃取剂有机相，使得硫酸稀土溶液难于皂化酸性萃取剂体系进行分离。有鉴于此，《研究院》开发出一种皂化萃取分离硫酸稀土溶液的方法[5]，以硫酸稀土溶液为原料，采用氨水或碱金属溶液皂化后的萃取剂进行萃取分离。该方法系透过如图3所示的步骤流程，包括将萃取剂与氨水或碱金属溶液进行皂化反应，得到皂化萃取剂；皂化萃取剂在萃取槽中与含有阻断剂的溶液进行萃取交换，交换后的萃取剂中不含碱金属离子和铵离子而成为含有阻断剂的负载萃取剂，其中该阻断剂为Mg²⁺、Fe²⁺、Al³⁺中的一种或多种；向待萃取的硫酸稀土水溶液中加入阻断剂，得到含有阻断剂的硫酸稀土水溶液；将含有阻断剂的负载萃取剂在萃取槽中与含有阻断剂的硫酸稀土水溶液进行萃取交换，使溶液成为不含稀土离子的阻断剂的水溶液；最后将稀土离子加入负载萃取剂，按照常规方法进行萃取分离。这种硫酸稀土原料的萃取分离方法，系透过引入阻断剂Mg²⁺、Fe²⁺或Al³⁺中间离子参与交换，避免皂化剂的钠、铵等离子与硫酸稀土溶液直接接触，解决了硫酸体系萃取分离工艺中钠或铵离子与硫酸稀土溶液形成复盐沉淀的问题 (如RENa(SO₄)₂)，同时缩短硫酸稀土溶液的分离流程，提高稀土萃取率，降低酸碱试剂的消耗及生产成本。

图3. 皂化萃取分离硫酸稀土溶液的方法示意图

芮嘉玮绘制

(三) 物料联动循环利用的稀土分离方法
《研究院》还开发出一种物料联动循环利用的稀土分离方法[6]，其流程(图4)包括：将由萃取剂A与稀土皂料混合制备的负载稀土的有机相用于后续的联动萃取分离，残余水相中的无机酸经萃取剂C提取浓缩后，回用于原料溶解或草酸沉淀其中的稀土后回收利用；萃取分离提纯后的稀土溶液，以草酸沉淀稀土，含草酸与无机酸的沉淀母液与萃取剂B混合，提取草酸回用于稀土沉淀，残余无机酸直接用于洗涤、反萃工艺或经萃取剂C浓缩后用于原料溶解。该方法能使稀土分离过程中产生的中间物料，在各工艺段间联动循环使用，避免萃取剂碱皂化过程仅以巡回回收利用的无机酸即可完成原料溶解和洗涤、反萃等过程，因此本发明涉及的稀土分离提纯过程不消耗碱及无机酸，也不产生含盐废水，成本低且实现绿色环保，是一个革新性的稀土绿色分离生产工艺。

图4. 物料联动循环利用的稀土分离方法流程图

图片来源：中国专利CN102676853B

(四) 稀土废料再生处理
由于目前对于废弃荧光灯中荧光粉回收循环利用的方法，多会有杂质较多或在焙烧过程会产生大量酸性废气而导致环境污染问题。为此，在稀土废料再生处理方面，《研究院》开发一种稀土废料的回收方法[7]，包括向稀土废料中加入分解助剂和助熔剂粉末，经过600-1400℃温度下焙烧1-6小时后，加入酸溶液进行酸溶以过滤分离酸浸液中的稀土元素和其他金属元素，从而稀土元素和包括Al在内的有价金属元素均留在酸浸液中，废料中有价元素回收率高，可降低废料处理成本，减少资源消耗，并能减少对环境的危害，最终产品还能循环利用。

结语：稀土提取分离倾向更加环保

稀土金属之所以稀有，不是因为它们真的稀缺，而是因为提取分离过程相当困难。从矿产开采稀土出来，必须经历复杂的化学蒸馏条件，过程中会对附近的环境造成污染。再者，从矿石中提取稀土元素也会产生有毒和放射性的酸洗液，对公众健康和环境都是莫大的隐忧。因此，稀土的提取分离技艺肯定是倾向更加环保安全的趋势发展。

美国宾州州立大学 (PSU) 与美国劳伦斯利佛摩国家实验室 (LLNL) 团队即开发出一种利用蛋白提取稀土元素的方法[8]，系仰赖一种称为LanM (lanmodulin)的细菌蛋白，用以提高稀土金属提取与分离过程的效率，同时减轻环境负担。此外，由于稀土是生产智能型手机必备的关键材料，在满足世界追逐科技欲望的同时，更应该极力避免国家地土及其所居住的环境，承受排放有毒化学物质等环境污染的代价；剑桥大学研究团队为此发现一种环保安全的方法来提取稀土元素，进而保护地球，也是其中一例[9]。

备注：

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作者： 芮嘉玮 现任： 台湾中技社能源暨产业研究中心组长 学历： 台湾清华大学 奈米工程与微系统研究所 博士 台湾中原大学 财经法律研究所 硕士 台湾科技大学 材料科学与工程研究所 硕士 经历： 台湾工研院技术移转与法律中心执行长室 台湾工研院电子与光电研究所专利副主委 光电产业知识产权经理 专长： 长期从事产业研究、专利知识产权与投资评估等工作，专注于能源、产业、环境、经济等议题。擅长创新技术策略分析、科技预测及评估、专利分析与布局、产业分析、知识产权管理与经营策略、专利的商业化与货币化。熟捻产业技术发展趋势，并常在各媒体平台发表文章、应邀演讲，成功引领技术前瞻与产业关键议题。