煤中伴生“三稀”金属元素富集成矿机理及成功提取技术小记

　　煤炭是我国最主要的一次性能源，且未来若干年内，煤炭作为第一能源的地位不会改变。在特定地质条件下，煤中可以富集“三稀”（稀有、稀散、稀土元素）金属元素。这些宝贵的金属资源在工业和国防等领域有着广泛用途，具有巨大的潜在经济价值和战略意义。

　　我国对锂、镓和稀土等金属的需求很大，现有产量远远不能满足需求。然而，长期以来，我国对煤中伴生“三稀”金属的富集规律和开发利用并没有得到应有的重视，导致富含“三稀”元素的煤炭在我国正以每年数亿吨的速度被当作燃料消耗，煤中这些宝贵的可利用元素多被废弃。其主要原因是煤中伴生“三稀”元素的富集赋存规律认识不清，缺乏有效的开发利用技术。

　　近年来，河北工程大学孙玉壮教授的研究团队在国家自然科学基金重点项目、面上项目、省（部）级科技支撑计划与产学研结合等项目的支持下，对我国煤中伴生“三稀”金属元素的富集赋存规律研究和开发利用展开了技术攻关并取得重大突破，其理论成果已在矿产勘查工程中得到运用，技术工艺已应用于中试和商业化生产。

　　首次发现煤中伴生锂矿床

　　煤中共伴生矿产是指与煤炭共生或伴生的其它矿产。我国煤炭资源丰富，很多煤层共生或伴生有丰富的非金属矿产和有益金属元素，如高岭岩、铝、镓、锂、锗等。这些共伴生矿产在我国的一些地区储量大、品位高、便于开采。孙玉壮教授的研究团队立足于煤炭行业，多年来一直致力于煤中伴生矿产资源成矿理论和综合开发利用研究工作，经过不懈努力，在内蒙古准格尔煤田和山西宁武煤田平朔矿区发现两个超大型伴生锂矿，这是世界上首次在煤中发现伴生锂矿。课题组经过系统取样分析测试研究发现宁武煤田平朔矿区煤中锂的平均含量极高，其煤灰中锂元素的再次富集浓度可达0.35%（Li2O）。

　　国标“稀有金属矿产地质勘探规范(DZ/T/0203-2002)”给出的伟晶岩伴生锂综合回收工业性指标为Li2O质量分数≥0.2%，可以看出，宁武煤田煤伴生锂资源在煤灰中的品位已超过该指标，经计算平朔矿区煤中锂的资源量可达102万吨，为超大型锂矿。这是世界上首次发现煤中的伴生锂矿。

　　锂在核聚变反应中作用巨大，被定义为“21世纪的能源金属”，锂资源具有重大的战略意义。课题组关于煤中伴生锂矿的发现受到国内外广泛关注：国土资源部2013年发布的《2012中国国土资源公报》报道“山西平朔和内蒙古准格尔煤田发现了共（伴）生的锂资源”；2015年美国每日科学 (ScienceDaily)网站和美国科学促进会（AAAS）在其首页的“亮点研究”栏目，报道了课题组关于中国发现煤伴生锂矿的消息。俄罗斯科学院院士A.I. Khanchuk教授2013年在国际著名的国际最高行业学会会刊"THE SOCIETY FOR ORGANIC PETROLOGY（TSOP）"的通讯报道刊文中指出本课题组首次发现煤中伴生锂矿床，并认为这是一个重大发现；中国工程院院士陈毓川的评价是：“世界上首次发现的新型锂矿，首次发现平朔矿区煤中金属镓达到伴生矿床标准，研究成果具有国际领先水平。”

　　从粉煤灰中提取“三稀”金属

　　火力发电厂每年要从烟囱中排出大量粉煤灰，这些粉煤灰如不及时处理，将严重污染环境，并且要占用大量农田和土地。粉煤灰的科学利用是目前我国矿产资源综合利用面临的首要问题，粉煤灰主要运用在建材、砌块、路面砖等粗加工的行业，而粉煤灰中富集的高价值“三稀”元素往往被浪费，主要原因就是受从粉煤灰中提取“三稀”元素技术的制约。

　　针对这一瓶颈，孙玉壮教授的研究团队展开了技术攻关，首次研发出粉煤灰中综合提取锂和铝的一系列技术。相关成果获得国家多项发明专利授权：酸法处理粉煤灰综合提取铝和锂的工艺方法（专利号：ZL2012104673035）、一种从粉煤灰中综合提取铝和锂的方法（专利号： ZL2012104673020）、一种从含镓瓷土中提取镓联产氢氧化铝的方法（专利号：ZL201210467086X）等。目前课题组已经从粉煤灰中成功综合提取出碳酸锂、氧化铝、金属镓、白炭黑等。中煤平朔集团利用课题组的研究成果建立的中式（试）车间成功通过验收，目前正在建立生产工厂。

　　综合开发意义重大

　　孙玉壮教授的研究团队首次在煤中发现了超大型煤伴生锂矿，在宁武煤田、准格尔煤田发现了超大型煤伴生锂矿，在柴北缘赋煤带发现铷和铯的异常富集；在宁武煤田发现了超大型煤伴生镓矿床；在准格尔煤田、柴北缘赋煤带发现了稀土元素异常富集；研发出综合提取煤灰中铝、镓、锂、白炭黑的技术等，并应用于生产。煤系伴生“三稀”金属元素富集机理及综合开发利用项目取得煤系伴生矿床的理论突破，指导了地质勘探。孙玉壮教授的研究团队取得的一系列具有代表性的创新成果，得到国内外同行的高度认可和评价，并产生巨大的经济和社会效益。

　　孙玉壮教授的研究团队表示，近年来煤中共伴生多种矿产之间的成因联系已越来越引起学者们的重视，成为新的研究热点。我国煤中发现了大量具有经济价值的伴生金属元素，有些已经达到矿床规模并且已经开发利用。因此，加强煤中共伴生矿产分布规律与开发利用研究、实现煤炭安全高效开采技术研究已成为他们的研究使命。他们研发的一系列综合开发利用技术，一方面促进了资源节约型社会的创建，另一方面保护了自然资源和生态环境，促进了系统完整的生态文明制度体系的建设；战略金属的开发必将保障国家战略资源的安全供给；煤中伴生矿产的开发，对延长煤炭产业链，开辟新的生产领域具有引领作用，促进了矿区人民的就业；协同勘探打破以往纵向条块模式，勘探成果多用共享，极大地节约了成本。

　　技术突破，永远要靠人才。孙玉壮教授是国务院政府特殊津贴专家，河北省省管优秀专家，河北省有突出贡献的中青年专家，河北省“高端人才”、河北省巨人计划领军人才。作为项目负责人，孙玉壮教授共主持国家国际科技合作项目、国家自然科学基金重点项目、973子课题、国家自然科学基金面上项目、科技部水专项等国家级项目9项，参加国家级项目6项。获国家科技进步二等奖1项、省科技进步一等奖1项；二等奖1项；获河北省自然科学二等奖2项，自然科学三等奖2项。出版专著4部，论文被SCI收录122篇，被SCI他人正面引用700余次，学术影响力RG Score超过32分。孙玉壮教授研究团队的发现发明为国内外综合利用煤炭资源开辟了新的领域。