综述：从氟碳铈矿中回收稀土元素及相关氟/钍资源的重大进展——迈向更清洁的生产方式

《Journal of Responsible Technology》：Critical advances in recovery of rare earth elements and associated fluorine/thorium resources from bastnasite – Towards cleaner production

镝铽矿作为轻稀土主要来源，其氟钍污染制约可持续发展。本文提出基于相变的系统性回收框架，解析现有技术机理，评估环境足迹，探讨绿色冶金路线，为优化资源利用和清洁生产提供理论支持与实践指导。

　　
本文系统探讨了钇铈矿（bastnasite）冶金过程中氟和钍的协同回收问题，提出基于相变重构的全新资源回收框架。钇铈矿作为全球轻稀土（LREEs）的主要来源，其生产过程中氟化物和放射性钍元素的存在，不仅造成严重的环境污染（如氟化物废水、钍污染土壤），更导致约20%的稀土资源在分离过程中不可逆损失。研究团队通过整合晶体场理论、相变动力学和资源循环利用原理，建立了覆盖矿物预处理、中间产物重构、二次资源回收的全流程技术体系。

在矿物结构解析方面，发现钇铈矿中氟元素以稀土氟碳酸盐（REFCO3）形式存在，其三维网状结构使常规化学洗脱难以突破。钍元素则通过两种赋存方式影响回收：约60%以类质同象形式替代稀土元素在晶格中富集，另约40%以独立矿物形式存在于脉石中。这种双重赋存特性导致传统冶金流程存在明显的分离瓶颈，特别是当钍含量超过0.5%时，会显著抑制稀土元素的水解沉淀效率。

环境风险评估显示，当前钇铈矿冶金过程产生的高浓度氟化物废水（COD达1200mg/L）和放射性固体废料（铊含量超标12倍），已对周边生态造成持续威胁。以中国Weishan矿为例，每生产1吨稀土氧化物（REO）将排放14万立方米含氟废气，其中非稳态氟化物占比超过75%。这种高污染特征严重制约了行业可持续发展，尤其在欧盟碳边境税（CBAM）政策框架下，传统冶金路线面临年均8-12%的运营成本增幅。

资源回收体系方面，研究提出"预处理相变-重构分离-多级回收"的技术路线。在预处理阶段，通过微波辅助活化（活化温度650℃/时长8min）可使矿物表面亲水性提升3倍，为后续相变反应提供界面活性位点。相变重构环节创新性地采用两阶段固态转熔技术：第一阶段（450-520℃）通过氟碳酸盐分解重构为稀土氟氧化物（REFO）固溶体；第二阶段（680-750℃）利用钍的熔点特性（1814℃）进行选择性熔融分离，实现钍回收率从传统方法的42%提升至89%。

在氟资源回收方面，开发了基于离子交换-电化学协同的氟回收系统。实验表明，采用梯度电位调控（0.8-1.2V vs Ag/AgCl）可使氟离子选择性迁移效率达92%，较传统离子交换法提升37个百分点。该技术特别适用于处理含氟废气（浓度范围500-3000mg/m3），经中试验证后，单位废气处理成本从0.85元/Nm3降至0.21元/Nm3。

钍资源的高值化利用是本研究的突破性进展。通过构建钍-稀土协同提取体系，在稀土浸出液（pH=3.2，温度80℃）中添加0.5mol/L草酸缓冲液，使钍以Fe(III)-Th(OH)7络合物形式优先沉淀，实现稀土与钍的分离系数达4.8:1。该沉淀物经高温熔融（1450℃）后，可制备出钍掺杂的稀土氧化物靶材，其电子迁移率较纯钇氧化锆提高15%，为第四代核反应堆燃料元件开发提供新路径。

环境效益评估表明，集成应用相变重构技术与多级氟钍分离系统，可使钇铈矿冶金过程的三废排放量减少至传统工艺的18%。其中氟化物排放量从初始的1200mg/REO·t降至220mg/REO·t，放射性废料体积压缩了65%。特别在碳足迹方面，通过相变重构替代传统还原熔炼，单位稀土氧化物碳排放量从1.2t/REO·t降至0.35t/REO·t，符合欧盟REACH法规对稀土生产企业的碳排放要求。

技术经济分析显示，新工艺在规模效应达5000吨/年时具有成本优势。以中国 Bayan Obo 矿床为例，现有处理工艺中钍资源回收率不足40%，而本研究建立的闭环回收系统可将钍综合利用率提升至78%，同时产出高纯度氟化钙（CaF2）产品，其市场价值达传统氟石膏产品的23倍。这种资源增值效应使项目投资回收期缩短至3.8年，显著优于行业平均的6.2年。

研究特别关注了相变过程中稀土元素的活度变化规律。实验数据显示，在相变重构温度区间（480-530℃），稀土元素（La, Ce, Pr, Nd）的活度系数分别达到0.82-0.95，为后续分步萃取提供了热力学基础。这种可控的相变活化效应，使得稀土元素在氟钍分离过程中的损失率从传统工艺的18%降至3.2%，关键指标达到ISO 9001:2015质量管理体系认证要求。

针对复杂多金属共生体系，研究提出"矿物-元素-价值"三维协同回收模型。该模型通过建立矿物结构-元素赋存-产品价值的映射关系，成功破解了钇铈矿中氟-钍-稀土的共生赋存难题。在Weishan矿中试应用时，该模型指导开发出分步结晶法，使稀土元素回收率从68%提升至93%，钍回收率同时达到81%，实现稀土资源纯度从99.9%到99.99%的提升。

环境风险防控方面，创新性地将放射性物质固定化技术与生物修复耦合。研究团队开发的含铈沸石固定床（Ce-Zeolite）在处理放射性废料时，钍的固定效率达98.7%，且具备缓慢释放特性（半衰期120天），完全符合GB 5085.3-2005放射性废物处理标准。生物修复环节引入耐氟菌株（Fluorobacterium sp.），其生物膜对氟离子的吸附容量达到4.2mg/cm2，较传统活性炭提高3倍。

该技术体系已在两个示范工程中验证：美国Mountain Pass矿的改造项目使单位稀土产量能耗降低42%，氟回收率提升至91%；中国Mianning矿的示范工程实现稀土综合回收率98.5%，钍元素转化为核燃料组件（ThO2）的规模达120吨/年。经济评价表明，每吨稀土氧化物新增收益达480元，其中钍资源价值贡献占比达67%。

未来研究方向聚焦于人工智能驱动的工艺优化。通过构建矿物-工艺-环境的多目标优化模型，利用强化学习算法（如PPO算法）实现能耗、排放、回收率的动态平衡。初步模拟显示，该智能调控系统可使综合回收率提升至99.2%，单位产品碳足迹进一步降至0.28t/REO·t，为稀土冶金4.0时代的到来奠定基础。

本研究的创新性在于首次将相变重构原理系统应用于稀土共生矿回收，突破传统冶金流程的线性处理模式。通过建立"资源-环境-经济"的协同优化机制，不仅解决了钇铈矿中氟钍污染的世界性难题，更开创了稀土资源高值化利用的新范式。其技术指标达到：稀土回收率≥98.5%，钍回收率≥80%，氟回收率≥90%，单位产品能耗下降至0.38GJ/REO·t，较行业均值降低62%。这些突破性进展为全球稀土产业绿色转型提供了可复制的技术路径，对保障国家战略资源安全具有重大现实意义。