拓元新材料关注稀土绿色回收新进展：离子液体助力粉煤灰“变废为宝”

近日，国际环境科学领域期刊《Environmental Science & Technology》发表了一项关于粉煤灰稀土元素绿色回收的研究成果。研究团队提出了一种将离子液体同时用作“萃取剂”和“电解质”的一体化技术路线，为从工业固体废弃物中回收稀土元素提供了新的研究思路。

作为长期关注稀土资源循环利用、绿色分离材料及功能离子液体技术发展的企业，拓元新材料科技有限公司认为，该研究展示了离子液体在复杂固废资源化领域的应用潜力，也为稀土二次资源回收技术的低碳化、循环化和精细化发展提供了有价值的参考。

粉煤灰中的稀土资源价值正在受到重视

稀土元素广泛应用于高性能永磁材料、电子器件、新能源装备、医疗技术、半导体及国防工业，是支撑现代高端制造业发展的关键战略资源。

传统稀土资源开发通常涉及采矿、破碎、焙烧、酸浸、萃取和分离等多个环节，容易产生高能耗、高药剂消耗以及酸性废水、重金属污染等环境问题。与此同时，燃煤过程中产生的大量粉煤灰含有一定浓度的稀土元素。由于煤炭燃烧后有机质被去除，部分稀土元素会在灰分中富集，使粉煤灰成为具有潜在开发价值的稀土二次资源。

然而，粉煤灰成分复杂，除稀土元素外，还含有铝、铁、硅、镍等多种组分。如何在减少强酸、强碱和高温处理的同时，实现稀土元素的有效浸出、富集和分离，一直是该领域面临的重要技术难题。

一种离子液体承担两种功能

本项研究采用甜菜碱双（三氟甲磺酰）亚胺离子液体，即[Hbet][Tf?N]，建立了“离子液体浸取—电化学沉积—离子液体再生”的组合工艺。

与传统工艺中分别使用浸取剂、萃取剂和电解质的多步骤流程不同，该离子液体在整个过程中承担了两项核心功能。

首先，它作为萃取介质，从粉煤灰中浸出并富集稀土元素。

其次，在完成稀土富集后，含稀土离子液体可直接作为电化学沉积过程的电解质，无需将稀土元素完全转移至另一套溶剂体系。

研究中，粉煤灰与离子液体体系在约85摄氏度条件下进行处理。离子液体利用其温度响应相行为和对稀土离子的配位能力，将稀土元素从粉煤灰中浸出并富集至离子液体相。实验结果显示，该步骤可提取粉煤灰中约48.5%的总稀土元素。

完成浸取后，研究人员使用钛箔作为工作电极，铂作为参比电极和对电极，在三电极电化学体系中开展稀土沉积实验。通过调节外加电位，可以在一定程度上控制不同稀土元素的沉积行为。

电位调控实现钕的优先回收

研究结果表明，不同电位条件下，稀土元素的回收率和选择性存在明显差异。

在相对温和的?0.5伏条件下，钕表现出较为明显的优先沉积特征。经过多步沉积后，钕的累计回收率约为25%，相对于其他稀土元素的总体分离因子达到37，而其他稀土元素的沉积量较低。

当电位逐步降低至?1.0伏、?1.5伏和?2.0伏时，更多稀土元素开始参与沉积，稀土总回收量随之增加。其中，在?2.0伏条件下，钕的累计回收率超过48%，其余稀土元素的回收率约为10%至18%。

这一结果说明，电位可以作为调节稀土回收过程的重要参数。

较温和的电位更有利于提高钕的选择性，适合优先富集目标元素；更负的电位则能够提高整体稀土回收量，但会增加其他稀土元素和共存金属共同沉积的可能性。

因此，在实际工艺开发中，可以根据产品目标，在“高选择性”和“高回收率”之间进行平衡，并进一步探索分级沉积、梯度电位控制和连续流电化学分离等工艺。

离子液体可再生循环使用

研究还对离子液体的循环利用性能进行了验证。

完成多轮电化学沉积后，研究人员通过水洗和低浓度盐酸反萃等方式去除离子液体中残留的稀土及杂质，并将再生后的离子液体重新用于粉煤灰浸取和电化学回收。

实验结果表明，再生离子液体仍然保持了较好的稀土浸取和电化学沉积能力，与新鲜离子液体相比，整体性能仅出现小幅下降。

按照研究中的实验室规模估算，每轮使用约1克离子液体，并在七步沉积后进行再生，与一次性使用相比，溶剂成本可降低接近86%。

从工艺理念看，这种“浸取—沉积—再生—循环”的闭环模式，有助于减少有机溶剂和水的消耗，降低废液产生量，为离子液体在绿色湿法冶金和固废资源化中的应用提供了新的案例。

仍处于实验室概念验证阶段

值得注意的是，该技术目前仍属于实验室阶段的概念验证，并非已经成熟的工业化工艺。

研究中电化学沉积的库仑效率低于2%，单位钕回收的电能消耗约为57.6千瓦时/千克。其主要原因包括离子液体黏度较高、离子传质速度较慢、电极表面形成双电层以及共存元素参与副反应等。

在较负电位下进行多轮电化学操作后，离子液体还会出现浑浊或凝胶状沉淀。相关分析表明，离子液体的部分阴离子可能在长时间强还原条件下发生一定程度的分解。

因此，该技术若要进一步走向工程化，还需要重点解决以下问题：降低离子液体黏度并提高传质效率，提高目标稀土元素的电流效率，优化电极材料和反应器结构，减少共存金属干扰，延长离子液体循环寿命，并对离子液体合成、加热、再生和后处理环节开展完整的生命周期及经济性评价。

拓元新材料：关注功能离子液体与稀土循环利用的融合创新

拓元新材料科技有限公司认为，本项研究的重要意义，不仅在于获得了特定的稀土回收率，更在于验证了一种新的工艺组合方式：利用同一种功能离子液体，同时完成稀土浸取、离子富集和电化学回收。

这一思路能够减少不同溶剂体系之间的反复转移，有望缩短工艺流程，并为功能离子液体的分子设计提供更加明确的应用方向。

未来，面向粉煤灰、废旧永磁材料、电子废弃物、工业废水及其他含稀土二次资源，可以围绕离子液体的选择性配位、电化学稳定窗口、黏度、导电性、再生性能及成本开展系统优化。

拓元新材料将持续关注功能离子液体、稀土分离材料和绿色循环技术的前沿进展，推动科研成果与产业需求之间的交流，为稀土资源高值化利用和关键材料供应链绿色转型提供技术参考。

说明：本文为拓元新材料科技有限公司基于公开学术论文开展的技术解读和行业观察，不代表相关论文成果由拓元新材料独立研发或已经实现产业化。原论文题目为《Electrochemical Recovery of Rare-Earth Elements from Coal Fly Ash Using Ionic Liquids as both Extractant and Electrolyte》，发表于《Environmental Science & Technology》。