锂、镓和稀土元素对于电化学储能、半导体及光电器件、永磁体、催化反应以及其他低碳技术而言至关重要[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]。市场对这三种元素的需求持续增长，中国是最大的消费市场，而其资源则主要集中在少数国家和地区[9], [10]。由于这些元素的供应存在风险，因此有必要开发二次资源的回收利用技术。图1、图2和图3分别展示了锂、镓和稀土的应用领域及供应状况。本综述以这些应用和产量数据作为背景，重点分析煤炭衍生材料中的分离相关行为。
传统矿产资源面临着矿石品位下降、开采成本上升以及环境问题加剧等多重挑战。相比之下，中国煤炭及其相关固体废弃物中的锂、镓和稀土平均含量高于全球平均水平，因此成为提取关键金属的重要非常规资源[21], [22], [23], [24]。本综述将用于提取关键金属的原料分为煤炭、煤矸石和煤飞灰三类。煤炭是锂、镓和稀土的重要地质载体，为这些元素在燃烧过程中的重新分布提供了基础。煤矸石是在煤炭开采和加工过程中产生的富含无机矿物的废弃物，约占原煤产量的15%–20%，中国的煤矸石储量已超过70亿吨[25], [26], [27]。煤飞灰则是煤炭燃烧后的固体废弃物。因此，煤炭主要用于解释元素的初始赋存情况及其热迁移过程，而煤矸石和煤飞灰则是提取和分离目标元素的主要二次原料[21], [28], [29]。同时，利用煤矸石和煤飞灰还可以减少固体废弃物的堆积，减轻环境污染[30]。
戴等人[23]主要研究了中国煤炭中微量元素的丰度、地质起源及赋存方式。Eterigho-Ikelegbe等人以及曹等人则研究了煤矸石和煤飞灰中锂的资源潜力、赋存模式以及“预富集-回收”工艺[31], [32]。Thomas等人[33]主要聚焦于从煤炭、煤废料和飞灰中提取和分离稀土元素。Rudnik[34]则专门研究了镓在煤炭及煤炭废弃物中的赋存情况及其湿法冶金回收方法。最近有一篇更全面的综述[35]探讨了从基于煤炭的固体废弃物中提取战略金属、废物回收以及工艺整合的相关问题。不过，这些综述大多要么侧重于微量元素的地质富集，要么关注某种单一目标元素的回收，或者只研究某一种特定的煤炭衍生废弃物的利用[36], [37], [38]。以往的研究较少系统地探讨锂、镓和稀土的初始赋存环境、燃烧过程中的重新分布、活化作用下的释放行为、浸出特性，以及如何从复杂的浸出液中实现选择性分离。尤其缺乏对锂、镓和稀土不同矿物组合如何影响其依次或同时浸出、杂质共同溶解以及后续分离策略的研究。因此，本综述将煤炭、煤矸石和煤飞灰纳入统一的“赋存-活化-浸出-分离”框架中，对锂、镓和稀土进行对比分析，而非将它们视为独立的资源。此外，本文还通过对共赋存、共释放、共浸出、分步分离、级联回收以及完全产品分离等概念的深入辨析，进一步完善了协同回收的理论体系。这一视角有助于更真实地评估从基于煤炭的固体废弃物中回收多种元素的方法，同时也指出了残渣利用、浸出液回收、质量平衡、技术经济可行性以及环境评估等方面尚未解决的问题。
为此，本综述构建了一个以流程为导向的分析框架，明确了共赋存、共释放、共浸出、分步浸出、选择性分离、级联回收以及完全回收等不同概念之间的区别。首先，总结了锂、镓和稀土在煤炭及基于煤炭的固体废弃物中的地质赋存方式，并将这些赋存环境与它们在活化及浸出过程中的不同响应联系起来，从而阐明了共释放和共浸出的机制。接着，分析了浸出液的化学性质，以及锂、镓和稀土的水相存在形式、配位行为、水解倾向和分离特性，这些因素如何影响后续的纯化过程。此外，本文还深入探讨了基于工艺和机理的协同提取、分步分离、残渣利用以及全组分综合利用的路径。在此基础上，本综述指出了当前的技术发展趋势及存在的瓶颈，旨在为煤炭及煤炭衍生固体废弃物的综合可持续利用提供参考。
