一种基于氢气的协同工艺，用于从复杂尾矿中共同回收铁和稀土元素：迈向零废物战略

《Minerals Engineering》：A synergistic H 2-Based process for co-recovery of iron and rare earth elements from complex Tailings: Toward a Zero-Waste strategy

协同回收铁与稀土元素从Bayan Obo尾矿中高效利用的磁预富集与氢基矿物相转变耦合工艺研究。

　　

袁星月|孙永生|高鹏|韩月欣|唐志东

中国东北大学矿物加工国家重点实验室，沈阳 110819

摘要

由于铁矿和稀土元素（REE）矿物的共存，巴彦奥博矿尾矿的综合利用受到了阻碍，因为这两种矿物需要不同的选矿条件。为了提高工艺兼容性和整体资源回收率，本文提出了一种基于早期物理分离铁矿和稀土元素流体的协同分离策略。首先采用磁选预富集方法将尾矿分为富铁精矿和富稀土尾矿。富铁部分经过基于氢气的矿物相变（HMPT）处理，随后进行研磨和磁选，获得了品位为66.16%、回收率为76.44%的高品质铁精矿。同时，富稀土尾矿未经热处理直接进行浮选，获得了品位为50.38%、回收率为58.62%的稀土精矿。这种分离流程使得铁矿和稀土元素能够在适合各自分离要求的条件下进行处理，从而减少了工艺间的相互作用。XRD机制研究表明发生了赤铁矿向磁铁矿的转化；XPS分析揭示了Fe³⁺/Fe²⁺的还原反应以及BHA与Ce离子之间的强化学相互作用；SEM-EDS观察到了微裂纹对气固反应的促进作用。总体而言，所提出的基于氢气的综合工艺为从复杂尾矿中协同回收铁矿和稀土元素提供了一种实用且低碳的方案，提高了工艺效率和资源利用率。

引言

铁（Fe）和稀土元素（REE）是现代工业和高科技应用中至关重要的战略矿产资源。铁是钢铁工业的基础，广泛应用于建筑、交通和制造业。稀土元素因其独特的光学、电学和磁学性质而被称为“工业维生素”，在永磁体、催化剂、先进陶瓷、新能源电池和国防技术中发挥着关键作用（Zhang等人，2025a；Zhang等人，2025b）。全球工业化和技术进步不断推动了对这两种资源的需求增长。与此同时，高品质、易于开采的矿床正在逐渐枯竭，因此迫切需要从复杂矿石、低品位矿床以及尾矿等二次资源中回收有价值的金属。因此，开发可持续的回收方法对于缓解资源压力和支持循环经济至关重要（Yue等人，2025）。

巴彦奥博矿床是一种具有全球意义的多金属资源，含有铁、稀土元素、铌等关键金属。其复杂的矿物组成和历史上的选矿限制导致了大量尾矿的堆积，目前估计尾矿总量为2亿吨，分布面积达1100万平方米（Xu和Peng，2009）。这些尾矿具有相当的经济价值，平均铁（TFe）品位为10–20%，稀土氧化物（REO）品位约为9%，同时还含有可回收的氟和铌（Shao等人，2023）。然而，尾矿的储存存在环境风险，包括粉尘排放、重金属浸出以及轻微的放射性。因此，高效回收这些尾矿对于资源利用和环境缓解至关重要。

目前从尾矿中回收铁和稀土元素的方法主要分为两类：直接分离法和焙烧辅助法。直接分离法采用磁选和浮选等物理技术。例如，Abaka-Wood等人（Abaka-Wood等人，2019a；Abaka-Wood等人，2019b）使用硅酸钠和淀粉作为抑制剂、油酸钠作为捕收剂，通过磁选和浮选实现了72.00%的REO回收率和1.67%的品位。Guo等人（Guo等人，2020）结合了研磨、浮选和强磁选，获得了50.30%的REO品位和61.60%的回收率，但铁的回收率较低。然而，巴彦奥博尾矿中的细小矿物共生体、复杂的矿物学特性以及表面改质现象常常限制了高品位和高回收率的同时分离。

焙烧辅助法通常利用碳基焙烧将弱磁性的赤铁矿转化为磁铁矿或金属铁，然后通过磁选回收铁。例如，Zhang等人（Zhang等人，2016）通过碳热还原获得了88.20%的金属铁，后续硫酸浸出实现了98.20%的铌和99.00%的稀土元素提取，但需要进一步纯化。Yang等人（Yang等人，2013）对稀土尾矿进行了焙烧处理，获得了45.45%的铁回收率和68.36%的回收率，但稀土元素、氟和磷仍残留在尾矿中。Faris等人（Faris等人，2017）发现，在煤基焙烧过程中，针铁矿脱水后转化为赤铁矿，而独居石基本保持稳定。尽管这些方法提高了铁的回收率，但存在显著缺点：碳基还原会产生大量CO₂排放；过度还原会形成赤铁矿（FeO）或金属铁，降低效率；残留的碳可能覆盖矿物表面，干扰后续的稀土元素浮选。因此，开发一种低温、环保的工艺以实现铁和稀土元素的高效同时回收对于巴彦奥博尾矿的利用至关重要。

为了解决这些问题，本研究提出了一种从巴彦奥博尾矿中协同回收铁和稀土元素的集成工艺。该工艺的关键在于通过磁选预富集早期物理分离富铁部分和富稀土部分，然后仅对含铁流体应用基于氢气的矿物相变（HMPT）。这种策略利用氢气作为低碳还原剂高效强化和回收铁矿物，同时使富稀土部分无需热处理，保持其原始矿物学特性以便后续浮选。通过将基于磁强化的铁回收与基于浮选性能的稀土回收相结合，该工艺为巴彦奥博尾矿的协同利用提供了一种系统且低碳的途径。

材料

本研究使用的尾矿来自巴彦奥博矿。其化学成分如图1a所示。铁和稀土元素是主要的可回收有价值成分，品位分别为14.22%的TFe和9.20%的REO，属于低品位资源。主要杂质成分是CaO和SiO₂，分别占21.63%和15.47%。

通过XRD（图1b）进行相鉴定，并使用BGRIMM Process Mineralogy Analyzer（BPMA，图1c）进行定量矿物学分析

预富集过程

对原始矿石的分析表明，巴彦奥博尾矿中近50%的有价值矿物未充分释放。研磨后，样品经过LIMS磁选预富集，再通过HGMS处理，从而富集铁矿物并去除非磁性脉石。质量平衡计算基于质量和金属守恒原理进行（图4a）。

如图4b所示，减小颗粒尺寸可以提高预富集物的铁品位

结论

本研究提出了一种从复杂巴彦奥博尾矿中协同回收铁和稀土元素的集成工艺。富铁部分通过HMPT处理后进行研磨和磁选，获得了品位为66.16%、回收率为76.44%的铁精矿。富稀土尾矿直接进行浮选，获得了品位为50.38%、回收率为58.62%的稀土精矿。机制研究证实了这一过程的有效性

CRediT作者贡献声明

袁星月：撰写初稿、方法论设计、数据分析。孙永生：研究工作、资金争取。高鹏：资源协调、项目管理、方法论制定。韩月欣：研究指导、资金争取。唐志东：撰写、审稿与编辑、结果验证、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢以下机构对本项目的财务支持：国家自然科学基金（项目编号：52474284、52130406、U23A20603、52274253）、国家重点研发计划（项目编号：2021YFC2901000）、CAST青年精英科学家资助计划（项目编号：YESS20230257）、辽宁省自然科学基金（项目编号：2025JH6/101000009）以及中央高校基本科研业务费