微生物技术在稀土资源利用中的研究进展

作者:刘晓璐;赵子希;桂子郁;弓爱君 刊名:工程科学学报 上传者:唐任光

【摘要】主要介绍了稀土资源的重要作用及利用现状;对我国的稀土矿分布及特征进行概述;并提出稀土开采存在的问题及微生物采矿的优势.回顾利用微生物进行稀土矿开采的发展进程;总结其研究进展;介绍微生物采矿作用机理的研究;主要包括微生物浸出、吸附和积累稀土元素机理的相关研究;以及稀土矿采矿微生物的分离方法及种属分布等.以中国白云鄂博矿床和澳大利亚MountWeld矿床中的矿石为例;说明微生物对矿石中稀土元素的提取作用.简述微生物对废弃物中稀土元素的回收作用;及微生物利用稀土元素技术将面临的挑战;并对其未来进行了展望.

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稀土元素(rare earth elements,REEs)是大多数现代技术的重要组成部分,被视为“关键金属”[1],包括15种镧系元素(La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb和Lu),以及钪(Sc)和钇(Y),被广泛应用于光学,永磁,电子,超导技术,储氢,医药,核技术,二次电池技术和催化领域.石油资源的紧缺促使了风能和电动汽车的发展[2],而该领域的发展广泛依赖于稀土元素中的镝和钕[3].我国稀土资源较为丰富,全球97%的稀土金属(rare earth metals,REMs)由中国生产[4],稀土资源储量约占全球总储量的36.7%.主要稀土矿物有独居石、白云石和磷钇矿等,目前经营的矿山主要有中国的白云鄂博(BayanObo),美国的Mountain Pass,澳大利亚的MountWeld等[5].但全球范围内的稀土矿资源普遍存在着过度开发、资源利用率低及环境污染严重等问题,需要低成本、污染少的开发及回收方式[6].稀土元素由于其电子轨道的分布,表现出相似的物理和化学性质[7],能够形成非常稳定的氧化态(3+),离子半径随原子序数增加(从La到Lu)而有规律地减少,称为“镧系收缩”[8].稀土元素因其独特性质能够广泛参与多种微生物中化合物的代谢,因此有助于分离具有稀土采矿能力的菌株[9-10].而生物湿法冶金的相关研究为稀土矿的开采提供了更加绿色、高效的新方法[11].磷酸盐溶解微生物、酵母菌及霉菌等能够促进稀土矿石中稀土元素的浸出和富集,并且能够从废弃物中提取稀土资源,一定程度上促进了稀土矿的高效利用和可持续发展[12-15].本文介绍了稀土资源的微生物开采情况及我国的稀土资源分布概况,根据相关研究进展对微生物利用稀土矿的机理进行概述,提出稀土矿微生物提取技术存在的问题并对未来进行展望.1我国的稀土资源概况1.1我国稀土矿资源的特征我国稀土资源较为丰富,年产量在世界年产量中的占比一直很高(图1(a))[16],但存在着可采储量增长缓慢、开发过度和环境污染等问题.目前,稀土元素的工业提取需要复杂的加工过程,并且常规的稀土元素生产依赖于利用浓氢氧化钠的碱性方法或利用浓硫酸和高温的酸性方法,会产生含有大量钍、铀、氟化氢及多种有毒物质的废水[17],造成矿区的严重环境问题,且与其他金属相比,通过化学浸出生产稀土元素对环境的影响更大[5].我国稀土矿的分布广泛却又相对集中,全国2/3的省份均发现有稀土资源,其中内蒙包头、江西赣南、广东粤北、四川凉山为稀土资源集中分布区(图1(b))[18],占全国稀土资源总量的98%.我国的稀土资源分布具有以下特征:(1)储量大.我国稀土矿的工业储量和远景储量居世界第一位,总储量约占全球的36.7%[19].其中,位于内蒙古自治区包头市的白云鄂博矿,储量居世界第一,是我国也是目前世界上最大的稀土矿山.(2)类型多、矿种全.我国的稀土矿包括花岗岩型稀土矿床、沉积型稀土矿床、风化壳淋积型稀土矿床等多种类型,其中风化壳淋积型稀土矿床为我国特有.主要稀土矿物有氟碳铈矿、独居(a)(b)96.897.097.7 94.62008 2009 2010 20112012 2013 2014 2015 201610050086.490.985.480.883.33%3%3%8%内蒙古山东四川年份南方各省其他占的量产年界世在国中比/%83%图1中国稀土矿产量及资源分布示意图.(a)中国稀土年产量在世界年产量的占比;(b)中国稀土资源分布图Fig.1 Schematic diagra

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