基于技术经济分析背景下物理分选与酸浸联合优化从炭中萃取稀土元素的研究

《Minerals》：Optimizing the Extraction of Rare Earth Elements from Char by Combining Physical Beneficiation and Acid Leaching in the Context of Techno-Economic Analysis

　　

电子废弃物中稀土元素（rare earth elements and yttrium, REE-Y）的可持续回收对清洁能源技术至关重要。然而，从破碎机残渣炭（shredder residue char, SR-char）中回收REE-Y的商业可行性尚待深入研究。由于回收过程的运营成本影响显著，将经济可行性评价与冶金性能分析相结合极为必要。本研究评估了一种针对SR-char的物理-化学联合处理流程，该流程整合了粒度分级、干式磁选（dry magnetic separation）与优化的盐酸（hydrochloric acid, HCl）浸出工艺。研究人员同时开发了一阶毛利润筛选模型，用于评价该流程的直接试剂经济效益。该模型仅计算收益减去酸耗及中和成本，未包含资本支出（capital expenditures, CapEx）、劳动力、公用设施、下游分离损失及磁选步骤成本。结果表明，在8000 G磁场强度下磁选可将REE-Y预富集至>1800 g/t；随后采用10 M HCl浸出（60 °C，3 h）可使500–1000 μm粒级获得约2000 g/t的萃取率。然而，利润模型显示，在高浓度其他金属（如Fe、Ca、Al）存在下最大化萃取会导致净财务损失，原因在于过度的试剂消耗与中和成本。研究人员据此得出结论：物理预富集以降低非目标金属含量是该工艺商业化的关键前提。这一针对性方法将优化准则从冶金产率最大化重新定义为经济可行性最大化，为评价其他杂质驱动试剂消耗占主导地位的复杂次级REE-Y资源提供了可转移的筛选框架。

**研究背景与问题**

全球最终处置场地的迅速枯竭加剧了开发工业与城市废弃物可持续回收方法的紧迫性。破碎机残渣炭（SR-char）是报废汽车（end-of-life vehicles, ELVs）经热处理后通过风力分选（滚筒筛）和筛分回收的富碳固体，其填埋处置日益困难。该物料在常规分离流程中被归类为中间产物，碳含量低且缺乏工业应用，最终 destined for disposal。与此同时，稀土元素和钇（REE-Y）因在先进电子和可再生能源系统中的关键作用而战略重要性凸显，但全球供应链高度集中，面临严峻供应风险。传统REE-Y获取依赖原生采矿，伴随严重环境破坏。SR-char因ELV中含有大量电子电路板、电机和催化剂而成为有前景的替代资源，但其异质性给提取带来挑战——初步观察表明REE-Y浓度可能随粒径变化，且物料中含有大量铁及磁性组分（如来源于车辆部件的永磁体），这为湿法冶金回收提出了关键工艺困境：是追求总体萃取还是选择选择性提取。粗大物料直接浸出通常需要大量浸出剂，而选择性提取则通过物理预富集目标组分实现。现有研究多聚焦于最大化目标元素萃取率，常忽视杂质共溶导致的过量酸耗等关键操作问题，且缺乏充分考虑实际试剂消耗的技术经济评价。

**研究内容、结论与意义**

本研究旨在开发并优化一种将物理分选（系统筛分和干式磁选）与湿法冶金提取相结合的实用混合回收工艺，以识别不仅能最大化萃取率、更能最大化整体经济利润的最优操作参数。研究通过审慎评价目标物理预富集缓解杂质干扰（如除铁）的效果，并优化酸耗，为该特定未利用SR-char组分的可持续升级回收提供了商业可行框架。论文发表于《Minerals》。

**主要技术方法**

研究人员使用的SR-char样本来源于ELV及家用电器热处理后经风力分选和筛分回收的批次物料（2023年9月、2024年4月及2025年6月三个批次）。2024年4月批次用于粒度分析与浸出动力学研究，2025年6月批次用于干式磁选测试（滚筒式干式磁选机，磁场强度0.8 T和1.0 T）。酸浸实验采用玻璃烧杯密封PVDC薄膜以减少蒸发和飞溅（固液比200–240 g/L，磁搅拌500 rpm），比较了HCl、HNO₃和H₂SO₄在0.25–10.0 M浓度范围的提取效果，并对粒径、时间（1–4 h）和温度（30–60 °C）进行优化。液相元素分析采用电感耦合等离子体发射光谱（inductively coupled plasma optical emission spectrometry, ICP-OES），固体基质元素采用X射线荧光光谱（X-ray fluorescence, XRF）表征。经济评价构建了一阶毛利润模型，采用类Hill方程描述REE-Y萃取与HCl浓度的关系（K=1.75，n=1.21，R²≈0.96），并针对REE-Y品位波动（±25%）、汇率（100–160 JPY/USD）和铁溶解率（2.5%–7.5%）进行敏感性分析。

**研究结果**

**初始表征与粒度分布**：筛分显示约40%物料质量>2000 μm，超过半数>1000 μm，中位粒径d₅₀为905 μm。粗粒级含完整金属碎片较多，500–850 μm范围有较多线性金属碎屑。

**浸出剂选择与浓度优化**：HCl显著优于HNO₃和H₂SO₄。HNO₃和H₂SO₄的REE-Y萃取量约100–110 g/t即达平台，而HCl随浓度单调递增，10 M时达约242 g/t。高浓度HCl对重稀土元素（heavy rare earth elements, HREEs）的 mobilization 尤为有效。

**粒径与浸出时间的影响**：10 M HCl条件下，<2000 μm粒级4 h萃取量>1000 g/t；500–1000 μm粒级表现稳定，3 h后LREE/HREE质量比稳定在约10，确定500–1000 μm、3 h为最优参数。>2000 μm粒级因比表面积低且可能存在再沉淀/再吸附现象，不适用于优化浸出。

**操作温度的影响**：500–710 μ基元在60 °C达峰值T-REE-Y萃取约2000 g/t，呈对数增长趋势，全镧系元素谱系均有提升。>60 °C时10 M HCl产生剧烈HCl挥发，故60 °C为操作上限。

**磁选预富集**：8000 G磁场下，500–710 μm粒级磁选精矿T-REE-Y富集至1834.23 g/t，而非磁性部分仅99.045 g/t，富集比约18.5倍，回收率97.4%；>1000 μm粒级富集比约8.5倍，回收率90.8%。REE-Y在各粒级均与铁磁性或顺磁性基质强烈关联。

**技术经济评价与敏感性分析**：模型识别出经济最优点——边际收益等于试剂成本的HCl浓度。±25%品位波动直接移动最大利润上限；汇率走弱（160 JPY/USD）可提高国内收益；Fe溶解率是最关键约束——2.5%时利润区显著扩大，7.5%时高酸度浸出导致净亏损。 metallurgically optimal 条件（10 M HCl）与 techno-economically optimal 条件显著分离。

**讨论**

**浸出剂优势与REE-Cl络合的化学机制**：HCl的优势超越简单H⁺活度，Cl^?作为配体对REE-Y水相稳定化起决定性作用。H₂SO₄的平台效应源于难溶双硫酸盐形成；HCl则促进高稳定性可溶性氯络合物（如[LnnCl_n]^3?n）形成，高氯活度对HREE mobilization 至关重要。类Hill函数的减速增长反映了最易解离REE-Y相接近溶解饱和，而较惰性相响应渐弱的特征。

**热处理对浸出动力学和孔隙率的影响**：SR-char在相对粗粒级（500–1000 μm）即实现高效提取，与其热历史导致的微孔-介孔网络结构相关。热解过程中挥发性有机组分脱除显著增加内表面积和孔隙率，使10 M HCl无需充分机械解离即可深入颗粒核心。LREE/HREE比3 h后稳定及提取随温度单调增加，与扩散限制行为一致。

**磁选组分中的赋存状态与矿物学关联**：磁选精矿中REE-Y极端富集表明这些金属并非原子级分散于碳基质中，而是以NdFeB磁铁碎片等离散金属或合金形式存在。热处理可能使磁铁部分氧化，但仍保留足够铁磁性以供高梯度磁选。非磁性部分低REE-Y浓度证实目标元素物理结合于富铁金属相而非逆磁性硅酸盐或残余塑料。

**杂质控制的技术经济影响与"铁惩罚"**：一阶毛利润敏感性框架表明工艺商业可行性不由REE-Y产率本身决定，而受"铁惩罚"支配。Fe³⁺溶解每摩尔消耗3摩尔HCl（Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O），并产生大量CaO中和需求。磁选除铁显著扩展"利润区"，即使市场条件悲观仍可保持盈利。需注意的是，高浓度HCl中Fe(III)形成稳定氯络合物（如FeCl₄^?），可能改变沉淀行为和中和需求，实际中和成本可能高于模型值，故呈现的"铁惩罚"为保守下限。

**浓HCl处理的环境与操作考量**：10 M HCl-60 °C条件存在显著放大约束：HCl蒸气需密闭反应器与气体洗涤系统；强腐蚀性需耐腐蚀材质（如橡胶衬里、氟聚合物或钛材）；富氯PLS及中和污泥含高浓度氯离子，受出水限值管制。这些因素均未纳入当前模型，未来工艺设计应评估更温和条件或替代浸出剂。

**研究结论**

本研究成功建立了从未利用SR-char中回收REE-Y的实用、成本优化混合框架，主要结论如下：

最优提取参数：在所测试的无机浸出剂中，10 M HCl mobilize REE-Y 最为有效，尤其HREEs，显著优于HNO₃和H₂SO₄。浸出动力学在60 °C下3 h后达稳定平台，500–710 μm粒级T-REE-Y峰值浓度约2000 g/t。需强调的是，10 M HCl为冶金最优条件而非技术经济最优条件；利润最大化HCl浓度通常低于10 M，取决于REE-Y品位、汇率和Fe溶解率。

物理分选效果：机械筛分和干式磁选作为预富集步骤效果显著。REE-Y含量与磁性组分强烈关联，证实目标金属主要赋存于铁磁性基质（如NdFeB磁铁残余）中。磁选有效隔离目标元素与大量碳质脉石，减少后续化学处理物料量。

技术经济可行性与"铁惩罚"：一阶毛利润敏感性框架表明SR-char回收的商业成功更多取决于"铁惩罚"控制而非REE-Y总产率。过量铁杂质溶解导致酸快速消耗和中和成本激增，使工艺经济不可行。但通过磁选和优化浸出将Fe溶解限制在2.5%，可显著扩展"利润区"。

可持续性与资源回收：本研究为未利用SR-char组分的可持续升级回收提供了初步概念验证框架，可通过未来工作完善为商业稳健工艺。将该传统 destined for disposal 的物料转化为REE-Y战略次级资源，直接推进"城市采矿"并缓解关键金属全球供应链风险。