离子吸附型矿床是我国具有特色的稀土资源，提供了全球约90%的重稀土产品。现有开采工艺（铵盐原地浸矿技术）因环境破坏严重、稀土浸出周期长、稀土回收率低等问题而禁用。电驱开采技术具有稀土回收率高和环境污染小等优势，有望成为新一代绿色高效的开采技术。然而，电驱过程的物理机制尚未得到系统阐明，缺乏稀土回收的精准预测和控制模型，影响电驱技术的进一步发展和工业化应用。

 为此，中国科学院广州地化所朱建喜研究员团队提出一种离子吸附型稀土矿电驱开采回收的预测模型。通过设计响应面实验模拟电驱开采，从离子传输动力学与电荷量的生成机制角度系统阐明了稀土离子在风化壳中的电动回收过程。

 结果表明，提取剂浓度对总电荷量呈线性作用，阳离子种类及其配比对总电荷量的影响较小（图1a）；提取剂浓度、阳离子种类及其配比与电荷量呈二次关系式（图1b），复合提取剂对稀土回收表现出显著的协同效应，其机理主要是离子交换能力和土壤导电性的共同增强（图1c）。

图1. 硫酸镁和硫酸铵复配后，提取剂离子比和浓度对（a）电荷量，（b）稀土回收率的影响，（c）复合提取剂与阳离子协同作用机理示意图

 基于实验获取的稀土电驱迁移和电荷量生成原理，本研究首次建立了基于物理原理的电驱开采稀土回收率的定量预测模型，研究发现总电荷量可作为稀土回收效率的通用预测指标（图2a），其原理是电动开采过程电荷量的产生是由体系中各种离子的迁移引起的，而稀土和提取剂离子是主导的迁移离子，因而电荷量与稀土回收率之间存在量化关系（图2b）。基于该模型，我们验证了100种以上开采条件对应的稀土回收率，结果表明在优化条件下（0.10 mol/L 硫酸镁、0.03 mol/L 硫酸铵及0.4 V/cm 电场强度），电驱开采的稀土回收率可达95%（图2c）。

图2.（a）稀土回收率和总电荷量的拟合图，（b）电荷量和稀土回收率之间的量化关系，（c）基于单一提取剂加权后稀土元素回收率实验值与计算值的比较

 这些发现不仅加深了我们对非均质风化壳中稀土电动迁移和回收机理的认识，还建立了一个精准高效的稀土回收率预测模型，可用于参数优化与电驱回收过程控制，为推动稀土电驱开采技术的实用化提供理论基础和技术支撑。

 本研究受到中国科学院前瞻战略科技先导专项（XDA0430205）、国家自然科学基金（92462303）、国家科技重大专项（2024ZD1004002）等项目的资助。相关研究成果近期发表在《应用物理快报》（Applied Physics Letters）上。

论文信息： Gaofeng Wang, Yongjin Xu^*, Yongqiang Yang, Jie Xu, Xiaoliang Liang, Jingming Wei, Shichang Kang, Jianxi Zhu^*, Hongping He, Quantifying Electrokinetic Recovery of Rare Earth Elements via Electric Charge Modeling, Applied Physics Letters, 2025, 127(16); DOI: 10.1063/5.004528

文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0286499