稀土作為國家重要戰(zhàn)略資源，因其稀缺性而備受關(guān)注。我國一直是世界上的稀土資源大國，然而，隨著今年3月美國能源部資助的10個(gè)全新項(xiàng)目啟動(dòng)，我國稀土資源的優(yōu)勢也受到挑戰(zhàn)——

進(jìn)入3月以來，美國肯塔基大學(xué)教授James Hower尤為忙碌——美國能源部(DOE)資助的10個(gè)從煤炭及其副產(chǎn)品中提取稀土元素的項(xiàng)目正式啟動(dòng)，Hower參與了其中3個(gè)。

“這3個(gè)項(xiàng)目都是第一階段的小試，明年春天將會(huì)提出中試方案。”Hower告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者。

從煤灰里提取稀有金屬并不新鮮，如我國已工業(yè)化提取鍺幾十年，未來幾年還可能工業(yè)化提取鋁和鎵。但是提取極具戰(zhàn)略意義的稀土元素，美國恐將成為“第一個(gè)吃螃蟹的人”。

“過去中國稀土資源豐富，不需要這樣‘吃糠咽菜’。”一位業(yè)內(nèi)人士這樣解釋該路徑何以未受廣泛關(guān)注。

“973”項(xiàng)目首席科學(xué)家、中國礦業(yè)大學(xué)(北京)教授代世峰則認(rèn)為，煤是稀土未來最有希望的來源。“美國這步走得又快又急，一下到我們前面去了。”

得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢

從煤中提取稀土元素猶如“吃糠咽菜”?代世峰顯然不認(rèn)同這種提法。

俄羅斯科學(xué)家2012年的數(shù)據(jù)顯示，在富含稀土的煤礦中，稀土含量為0.03%~0.15%，在煤灰中含量為0.1%~1.5%。

“可見如果從煤灰中提取，和傳統(tǒng)稀土礦床的含量相當(dāng)。有些富集程度較好的煤甚至超過稀土礦床，例如蒙古有一處煤礦的煤中稀土含量達(dá)到1%，完全可以大規(guī)模開發(fā)利用。”代世峰告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，煤的燃燒產(chǎn)物中量最大的就是飛灰，而稀有金屬主要富集在飛灰中。

據(jù)悉，全球每年產(chǎn)生的飛灰量可能高達(dá)15億噸，從中提取貴金屬已經(jīng)成為一大趨勢。為了保障供應(yīng)安全，美國正在研究高稀土含量(>1000ppm)的煤層。

我國很多煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜、瓦斯含量高、開采難度大，但也“因禍得福”，火山活動(dòng)和熱液流體提供了煤中稀土元素的來源。尤其在西南地區(qū)，大地質(zhì)事件的發(fā)生使得煤中稀土元素富集。

那么，中國到底有多少可開發(fā)利用的資源量?“我們積累了大量數(shù)據(jù)可以初步證明西南地區(qū)擁有超大型礦床，但要摸清家底還須進(jìn)一步研究。”代世峰指出，中國煤炭資源豐富，如果能從中提取稀土，其戰(zhàn)略意義不言而喻。

稀土是電子、能源、軍工等現(xiàn)代工業(yè)中必不可少的金屬。美國得克薩斯大學(xué)教授Robert

Finkelman在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)強(qiáng)調(diào)：“任何一個(gè)現(xiàn)代國家都必須擁有穩(wěn)定可靠的稀土來源，完全依賴另一個(gè)國家提供資源，不管是中國、俄羅斯還是其他國家，都是不明智的策略。”

從領(lǐng)先到被超越

2014年，一位來自匹茲堡的記者想采訪煤炭提取稀土元素的話題，所有人都讓她去找JamesHower，Hower還向記者推薦了中國的代世峰。

2012年，代世峰和俄羅斯科學(xué)家VladimirSeredin合作，在國際著名期刊《國際煤地質(zhì)學(xué)雜志》發(fā)表論文，提出煤中稀土的分類和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，后被廣泛引用，稱為“Seredin-Dai分類”和“Seredin-Dai標(biāo)準(zhǔn)”。

Hower在同《中國科學(xué)報(bào)》記者談到上述2012年文章時(shí)評(píng)價(jià)稱這是“該領(lǐng)域最重要的文章之一”。

代世峰告訴記者，中國優(yōu)質(zhì)的資源條件是吸引Seredin主動(dòng)尋求合作的重要原因之一。而上述文章還提出一個(gè)重要觀點(diǎn)：隨著傳統(tǒng)稀土礦床逐漸枯竭，煤和含煤巖系是將來最有希望的稀有金屬來源。

“DOE此次高調(diào)支持該技術(shù)，說明美國科學(xué)界基本形成了一致意見。”代世峰認(rèn)為。

2014年美國國會(huì)要求能源部進(jìn)行“煤炭中經(jīng)濟(jì)回收稀土元素”的可行性研究，僅僅一年多以后，美國能源部就征集了來自大學(xué)、國家實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)的10個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行資助，預(yù)計(jì)到2025年開展大規(guī)模部署。

據(jù)Hower介紹，肯塔基大學(xué)在2014年夏天就得到DOE的資助開始在肯塔基州和美國東南地區(qū)收集煤炭和煤灰樣本，還進(jìn)行了一些分離稀土元素的中試。

Hower提醒記者注意，DOE從2013年初就資助了一些早期研究，其他的聯(lián)邦機(jī)構(gòu)也有類似項(xiàng)目，使得美國科學(xué)家得以相互合作，展開起步研究，所有這些工作都為這次的10個(gè)項(xiàng)目打下了基礎(chǔ)。

DOE這次的支持力度也令代世峰頗為吃驚：“步子邁得太大了，我們還停留在科研水平，這下在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性方面肯定要超越我們了。”

經(jīng)濟(jì)可行性待驗(yàn)證

今年1月發(fā)表在國際期刊《冶金與材料交易》上的一篇文章指出，在美國賓夕法尼亞州，部分燃煤產(chǎn)物提取稀土元素不僅技術(shù)可行，并且成本較低。Finkelman也表示，美國本土的稀土資源開采成本較高，反而從煤灰提取更為經(jīng)濟(jì)——不需要開采，又能處理飛灰，一舉兩得。

從資源量看，我國每年的煤炭燃燒產(chǎn)物差不多是美國的4倍。但Finkelman提醒《中國科學(xué)報(bào)》記者注意：中國的稀土資源豐富，相比而言，從煤灰中提取稀土是否成本更低?

中科院院士、北京大學(xué)稀土材料化學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任嚴(yán)純?nèi)A在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)認(rèn)為，美國一旦找到新的稀土來源，無疑為其貿(mào)易談判增加了砝碼。而對(duì)我國來說，在可預(yù)計(jì)的5~10年之內(nèi)，稀土自然資源沒有消耗殆盡的情況下，從煤灰中提取稀土不具有經(jīng)濟(jì)可行性。

“我相信這是美國面向未來在研究上的布局。”嚴(yán)純?nèi)A提出，我國科學(xué)家也應(yīng)該著眼于未來尋找稀土新的來源，作為技術(shù)儲(chǔ)備。他指出，除了煤炭，海洋中的稀土資源也尚未探索。

“下一步我們的工作就是開發(fā)提取技術(shù)，進(jìn)行工業(yè)開發(fā)。”代世峰表示，目前的問題包括：第一，資源量、空間分布和賦存狀況沒有摸清;第二，中國的成煤條件復(fù)雜，是否有適用于所有礦床的通用技術(shù)?

對(duì)于煤灰中提取稀土的工業(yè)化前景，Hower較為謹(jǐn)慎：“這項(xiàng)工作很有前景，使得廢棄的煤灰變廢為寶。但我們才剛剛開始研究，能否作為資源開發(fā)還取決于研究進(jìn)展。