中国河东煤田不同煤阶烟煤中稀土元素和钇的赋存模式演变机制研究

为解决稀土元素和钇（REY）在煤化作用过程中赋存模式演变机制不明确的问题，研究人员系统分析了河东煤田不同煤阶烟煤中REY的赋存特征与有机结构变化。通过逐级化学提取实验和傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术，发现低阶煤中REY以有机结合态为主，高阶煤中逐渐向磷酸盐和有机质结合态转化，揭示了酚羟基（Ar-OH）是REY的关键有机结合位点。该研究为煤系REY资源化利用提供了理论依据。

　　

稀土元素和钇（REY）作为现代高新技术产业不可或缺的战略资源，其传统矿石资源正面临枯竭风险。煤炭因其特殊的有机-无机复合特性，成为REY潜在替代来源。然而，REY在煤中的赋存模式（modes of occurrence）及其随煤化作用（coalification）的演变规律长期存在争议：部分研究认为矿物是主要载体，另一些则强调有机质的关键作用。这种认知分歧严重制约了煤系REY的高效提取与利用。

针对这一科学问题，中国某研究机构团队在《International Journal of Coal Geology》发表研究，选取河东煤田16个煤矿的20个烟煤样本（镜质体反射率R_r=0.57–1.59%），通过逐级化学提取（sequential chemical extraction）划分REY赋存形态，结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）解析有机官能团演变，首次系统揭示了煤阶升高过程中REY从有机态向矿物态的转化机制。

关键技术方法包括：1）基于ASTM标准的工业分析（水分M_ad、挥发分V_daf、灰分A_d）与镜质体反射率测定；2）X射线衍射（XRD）分析矿物组成；3）五步化学提取法（去离子水、醋酸铵、盐酸、氢氟酸、残渣相）量化REY赋存比例；4）FTIR光谱定量酚羟基（Ar-OH）等含氧官能团。

研究结果

1. 煤质特性与矿物组成
   样本为低-中灰分（2.1–15%）、高挥发分（17.4–42.5%）的D-A阶烟煤，主要矿物为高岭石和伊利石。REY分布呈现轻稀土（LREY）、重稀土（HREY）和负异常（N-type）三种模式。

2. REY赋存模式演变
   低阶煤（R_r<0.9%）中REY主要富集于残渣相（有机结合态占比>60%），随煤阶升高，盐酸可溶相（磷酸盐结合态）比例显著增加，总浸出率从35%升至75%，表明有机载体作用减弱。

3. 有机结合机制解析
   FTIR显示含氧官能团含量与R_r呈负相关，唯酚羟基（Ar-OH）与残渣相REY呈强正相关（R²>0.8），证实其作为REY核心结合位点。煤化作用导致Ar-OH断裂，释放的REY部分形成自生矿物，解释了高阶煤中矿物态REY占比提升的现象。

结论与意义
该研究首次阐明煤化作用中REY赋存模式的动态转化规律：低阶烟煤阶段以酚羟基（Ar-OH）为主导的有机结合为主，随煤阶升高逐渐向磷酸盐矿物结合态转变。这一发现不仅解决了"有机vs矿物载体"的长期争议，更揭示了煤化程度对REY富集机制的控制作用，为煤系稀土资源的靶向提取工艺开发（如低阶煤有机酸浸取、高阶煤矿物分选）提供了关键理论支撑。研究提出的"有机结合位点损失-矿物再富集"模型，对全球煤系REY成矿预测具有重要指导价值。