黃聖智 / 工研院材化所
一、 前言
ALTA 2024為世界級冶金會議，今年為第28屆，集合來自各國之研究學者與廠商透過研討會及展覽反映當前與發展中主要的技術趨勢，同時與未來電池工業(Future Battery Industries CRC)共同舉辦為期2天之鋰電池稀土會議。本屆會議於澳洲伯斯展開，主要議題包含(1)鋰離子電池技術-稀土，以及(2)鎳-鈷-銅兩大主題，發表內容包括金屬提取、稀土應用、回收及製程循環等技術。
二、 研討會論文分享
本次與會主題包括鎳-鈷-銅金屬、稀有金屬提取、製程廢液/廢棄物回收技術、鋰電池回收等四大主題。以下針對各主題所發表文章進行分享。
1. Rare earth extraction with IONQUEST 801
稀土元素(REE)為高科技設備製造、再生能源技術和國防應用中不可或缺之成分。隨著全球對稀土元素之需求持續成長，迫切需要優化提取製程以提高效率和環境永續性。本研究利用IONQUEST 801®提取稀土，並整合預測模型以增強製程理解及最佳化。研究團隊針對溫度、pH及試劑濃度等製程參數進行了系統化篩選測試，以優化萃取效率。實驗室試驗中以La–Ce–Gd–Dy–Y稀土元素配製濃度為0.02 M之PLS溶液，混合特定濃度與不同萃取劑和/或相改質劑進行測試。實驗結果證實萃取方法之有效性，產量及選擇性顯著提升。所開發之模型成功捕捉了製程參數與萃取效率間之複雜關係，為製程最佳化提供了重要參考依據(圖一)。
3. Thermodynamic modelling of rare earth solvent extraction
稀土元素(REEs)在於潔淨能源轉型過程中日趨重要。近年來，礦業及回收方面之生產活動及投資顯著增加。稀土元素之分離為冶金生產稀土元素之關鍵問題，係因稀土元素具有相似之電子結構，故化學性質相似。本研究提出一個公開文獻中實驗數據之溶劑萃取(SX)熱力學模型，此模型嵌在SysCAD中(圖三)，通過熱力學計算引擎(TCE)接口與PHREEQC連接。於先前研究中，Heppner基於Lyon等人之實驗數據通過擬合計算Nd和Pr之萃取反應平衡常數。本文使用Zhang等人及其引用之分離因子，擴展該模型，以估算所有15種稀土元素之平衡常數。從Simoes等人發表之相關性中計算得出每種REE氯化物系統中陽離子-陰離子相互作用之Pitzer參數及其溫度依賴性。水/有機相交換反應以游離酸而非鹽酸表述，適用於任何酸性介質(如：氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽)。進行模型測試時，將含有REE氯化物之溶液餵入萃取、洗滌及分離迴路，其條件為典型之輕、中、重稀土元素初步分離。模型測試結果呈現出典型SX分離趨勢，確認該方法之有效性，而此基礎方法讓模型較使用工廠等溫線具有更廣泛之適用性。本研究重點在於REE SX過程之建模方法，而非特定加工廠所建置模型，故所提出之模型在用於工廠設計或優化前，需要對照相關工廠數據進行驗證。
圖三、SysCAD模型產出之釹和鐠提取程序
6. More out of tailings: metal and acid production, circularity and energy transition
「從有限資源中獲取更多資源」之需求，於採礦業中並非一流行代名詞。對於產業而言，品位退化，基本上是需要更多礦石，產出之最終產品減少，伴隨大量廢棄物產生。新興能源轉型需要更多循環解決方法(即對更多有色金屬和關鍵礦物的需求)，這值得我們重新思考可以採取哪些不同做法。銅礦石之尾礦加工具有巨大潛力，可回收銅、鈷及鎳等有價元素，並為化肥及冶金行業之不同應用生產硫酸。本研究以傳統廣泛應用之技術價值鏈，焙燒爐氣體淨化製酸廠之興起及其現況的適用性提出看法。該反應鏈能夠利用黃鐵礦原生礦以及尾礦，以最大限度地提取有價值之黑色金屬、有色金屬和關鍵礦物，減少酸性礦山排水，生產清潔能源並提供「區域化」硫酸供應(圖六)。當這些商品總體上被視為收入流時，以投資報酬觀點，許多情況下已有可行之方法，證實了「從礦石中獲得更多資源」的主張。
圖六、有價金屬濕法冶金程序
7. Electrochemical separation of sulfuric acid from magnesium sulfate solutions: application for nickel laterite processing
鎳有多種用途，特別是在能源儲存方面。為了從某些礦石中提取鎳，需要大量的硫酸，主要是因為矽酸鎂等礦物質在提取過程中會消耗酸。該過程產生含有硫酸鎂的廢液，對環境有害。然而，電化學分離可以將這些廢液轉化為硫酸(可重新用於鎳提取)和氫氧化鎂(可用於碳捕獲或鎳提取過程) (圖七)。在最近的研究中使用單膜電解槽來進行這種轉換，透過考察效率、能源強度、電流密度和硫酸鹽回收率等因素來評估其性能。結果得知---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。