综述：稀土元素回收的系统集成框架：从地质矿藏到高价值人为储库的源特异性提取策略

《Journal of Rare Earths》：A system-integrated framework for rare earth element recovery: Source-specific extraction strategies from geological deposits to high-value anthropogenic reservoirs

　　## 摘要稀土元素（REEs）对于高性能磁体、荧光粉、催化剂、电池和先进电子材料至关重要。然而，其供应受地理集中的一级矿床（包括 bastn?site、独居石、磷钇矿和离子吸附型粘土）的限制，同时工业需求迅速增长。这篇综述研究了稀土元素在一级地质资源和二级人为储库（如 NdFeB 磁体、三基色荧光粉、石油化工催化剂和 NiMH 氢化物合金）中的分布。不同领域的消耗模式显示出元素需求的显著变化，永磁体代表最高价值的用途，催化剂主导了轻稀土消耗，电池和荧光粉贡献了结构化的二级储库。提取挑战强烈依赖于基体，受相组成、化学键和微观结构特征的影响。机械、热、湿法和溶剂法回收路线的比较分析突出了过程选择性、可扩展性和技术成熟度的差异。该综述提供了资源分布和回收路径的结构化评估，以支持初级和二级稀土供应战略的平衡发展。---## 引言稀土元素（REEs）——包括镧系系列以及钪和钇——是现代技术生态系统中不可或缺的功能金属类。它们独特的电子构型，以部分填充的 4f 轨道为主，产生了高度选择性的磁性、光学和催化现象，任何其他元素组都无法复制。因此，稀土元素构成了广泛先进技术的物理化学基础，包括高矫顽力永磁体、固态激光器、发光荧光粉、光放大器、汽车催化剂和新兴量子材料。Nd-Fe-B 永磁体（通过添加镝和铽强化）构成了电动汽车和直驱风力涡轮机牵引电机的核心，而铕、铽和钇基荧光粉促进了高效照明和显示技术。同时，富含镧和铈的催化剂对全球石油炼制操作仍然至关重要，掺铈钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器为精密制造和医疗系统提供动力。这种广泛的技术渗透已将稀土元素提升到战略材料的最高级别，供应限制在能源、移动、国防和数字基础设施中引发级联脆弱性。稀土元素的临界性因全球供应的明显集中而加剧。世界上超过 60%-70% 的一级稀土生产来自少数地质省份，最突出的是中国的白云鄂博矿床。这种地理不对称造成了对地缘政治扰动、环境政策变化和贸易限制的系统性暴露。此外，从传统矿物基质（bastn?site、独居石、磷钇矿和离子吸附型粘土）中提取稀土元素是能量密集型、化学攻击性强且环境有争议的。稀土元素的固有地球化学行为，特别是它们对复杂脉石的亲和力以及由于异常相似的离子半径和氧化态而需要多级分离，进一步复杂化了初级提取。这些因素共同催生了对替代、可持续和经济韧性稀土来源的探索，特别是在人为废物流中。本综述的范围是通过应用驱动的视角系统地映射稀土元素发生、消耗和回收路径。综述不是孤立地呈现提取方法，而是将每种提取方法与宿主基体的物理和化学性质及其技术起源直接相关。通过界定稀土元素嵌入到特定高价值组件中并在回收过程中释放的轨迹，本文提供了对初级和二级稀土来源的机制性和系统级理解。表 1 提供了稀土元素的系统分类，将其原子特性和 4f 电子构型与主导的物理化学功能相关联。这一表格作为基础参考，使读者能够直接将轨道结构与磁性、发光、催化和光电子中的运行角色相关联。---## 章节摘要### Bastn?site 矿床Bastn?site 是一种氟碳酸盐矿物，一般公式为 REFCO?（RE = 稀土元素），是轻稀土元素（LREEs）最 prolific 且具有经济意义的主要储库之一。其全球显著性源于其异常高的镧系元素含量——主要为 La、Ce、Nd 和 P——以及其在历史上锚定国际稀土供应链的大型可采矿体中的出现。两个最具战略性的...### 人为/二级来源（城市采矿储库）现代技术的逐步电气化、数字化和微型化导致了大量含有稀土元素的物质在人为基础设施中的积累。这些工程材料——包括永磁体、荧光粉、催化剂、光学组件和可充电电池系统——代表了稀土元素的集中二级储库。与发生...### 主要使用领域Nd-Fe-B 基稀土磁体在当代高科技生态系统中的卓越性最明显体现在它们在四个关键工业领域的部署：硬盘驱动器（HDDs）、电动汽车（EV）牵引电机、风力涡轮发电机以及机器人和工业执行器系统。这些应用共同构成了钕、镨、镝和铽的全球最大汇，这在表 4 中进行了量化...### 应用领域稀土激活荧光粉技术构成了现代照明和显示系统的发光骨干，每类设备都使用经过高度工程的氧化物、磷酸盐或铝酸盐基质，以适应不同的光学、电子和环境要求。稀土基荧光粉的重要性源于其独特锐利的 4f-4f 和 4f-5d 电子跃迁，这使得窄带发射、高量子效率和异常高的光稳定性成为可能...### 主要使用部门镍-金属氢化物（NiMH）电池是轻稀土元素（LREEs）最具有历史意义和工业普及性的储库之一，特别是镧、铈、镨和钕。它们在汽车和消费电子领域的部署产生了大量富含稀土的电极材料的人为储库，尽管锂离子电池最近占主导地位，但 NiMH 废物流作为战略有价值的二级资源...### 关键工业用途稀土元素，特别是镧和铈，在催化科学中占据关键功能位置，其卓越的氧化还原灵活性、氧储存能力和结构稳定化能力支撑了广泛的工业催化过程。其中，流化催化裂化（FCC）催化剂、汽车催化转化器和化学反应器中的多相氧化还原催化剂构成了稀土元素部署的主导技术领域...### 光学、玻璃和激光器中的稀土元素（Nd、Er、Yb、Y）稀土元素构成了广泛的光子、光电和激光材料中的基础活性物质，这些材料支撑着现代通信、医学诊断、高能激光系统、精密传感和先进光学工程。其中，钕（Nd）、铒（Er）、镱（Yb）和钇（Y）由于其独特的 4f 电子构型、窄线光学跃迁、异常的光稳定性和可调性而具有特殊的功能突出性...### 新兴技术中的稀土元素稀土元素继续将其技术足迹扩展到新兴部门，在这些领域中它们独特的电子、磁性和光学属性能够实现常规材料无法达到的功能。虽然这些应用目前代表的稀土元素绝对量小于磁体或催化剂，但其战略重要性异常高，其未来需求轨迹急剧上升。### 所有稀土来源的比较评估主要二级资源流中稀土元素浓度、纯度、可回收性和经济吸引力的比较在下表 10 中显示。### 来源特定回收的集成流程图从不同二级资源中回收稀土的集成流程图开发需要一种系统级工程哲学，将每种基体的固有结构、形态和化学性质与优化的提取路径对齐，以实现最小能量消耗和最大选择性。由于磁体、荧光粉、电池和催化剂体现了根本不同的物理化学架构，设计通用回收协议既不...### 结论和未来展望稀土元素构成先进技术中的不可或缺的功能组件，包括高性能永磁体、荧光粉系统、催化剂、储能合金和新兴光子与量子材料。其独特的电子结构，受部分屏蔽的 4f 轨道支配，使得使用替代化学难以复制磁性、发光和催化特性。然而，经济可行的地质集中...### 未引用参考文献[12]、[15]、[37]、[40]、[41]。### 利益冲突声明本文由列出的作者原创，作者之间没有利益冲突。### 数据和代码可用性所有必要的数据都包含在论文中，不需要补充数据。### 利益冲突声明? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能被认为影响了本论文报告的工作。### 致谢作者感谢 CSIR-NIScPR 主任提供的必要资源。在准备本工作时，作者使用了 ChatGPT（版本 5.1）来改善语言和纠正语法错误。在使用该工具后，作者仔细审查和编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。---**作者：** Peeyush Phogat, Meher Wan**单位：** CSIR-国家科学传播与政策研究所，印度新德里