稀土串级萃取技术，到底是什么样的？技术揭秘
稀土大发神威居功至伟，老美无计可施。很多人听说过稀土生产的“串级萃取”技术，徐光宪1970年代发明，技术细节就不太知道了。
图为白云鄂博稀土生产工艺流程图，看上去有点复杂，其实不难理解。中国稀土矿南北完美互补，“北轻南重”，北方主打轻稀土。白云鄂博矿轻稀土镧、铈、镨、钕合计占98%，中重稀土镝、铽、钇、铕小于2%。
开始是粉碎、弱磁强磁选矿。矿石里杂质要多得多，如磁铁、赤铁。弱磁抓出磁铁矿，强磁扫出赤铁矿和稀土矿物，稀土提前富集3–4倍。
后面“稀土选矿”就是“浮选富集”。磁选剩下来的中-弱磁性料里仅占10%的稀土矿物，用药剂多次浮选，富集5倍，变成高品位“稀土精矿”。稀土生产工艺就是不停地“富集”。这步有点技术含量，捕收剂、抑制剂、调整剂、起泡剂。“浮选”就是有用矿物“浮”到水面变成泡沫，脉石矿物“沉”在槽底，实现分离。这步不是核心机密，出来稀土精矿中稀土含量约50%，氧化钙、铁等杂质也较多。
再往下，处理稀土精矿就有三种工艺，酸法、碱法、火法。火法就是做稀土合金，土窑子也能做，高炉炼铁一样，加硅铁（或焦炭）、石灰，用硅或碳置换稀土氧化物中的氧。技术含量低入门容易，但稳产、高收率、低成本、环保能做好的不多。不是高科技，和串级萃取无关。
酸法、碱法就是为串级萃取准备原材料。原材料叫“氯化稀土溶液”，酸法和碱法各有优势。酸法将稀土直接拉进溶液，省碱、省钱，但副产巨量磷石膏和含钍铁渣；碱法让稀土先沉淀成固体，钍、磷、铝与稀土分离彻底，渣量小无石膏，但烧碱贵、设备耐压高。北方轻稀土80%走酸法，南方高钍精矿越来越倾向碱法。这步也没太高科技，万吨级生产要环保指标之类的。
“氯化稀土溶液”是稀土精矿用盐酸 (HCl) 溶解后得到、以 RECl₃ 形式（RE指17种稀土元素）存在的混合水溶液，透明微黄，是串级萃取、电解制金属、催化裂化剂、稀土氧化物前驱体等下游工序的“通用母液”。溶液里有“溶质”，主要是稀土离子，也有离子杂质，如铁、钙、镁、铝、钍离子，如前面做得好，一升里也就1-50mg。“氯化”就是盐酸。
注意，这是“盐酸体系萃取”，还有“硫酸体系”。盐酸体系绝对主流占90%，但硫酸体系在崛起。酸法里本来就有酸，直接弄硫酸体系。碱法后面得加盐酸，成本高。但盐酸体系纯度有优势。
终于能说“串级萃取” 了，输入是氯化稀土溶液。里面有17类性格几乎一模一样的小朋友（化学性质类式的17种稀土元素），都穿着同样颜色（Cl离子）的衣服，混在一起分不清。大招是，让小朋友排成一条长队，反复通过一扇门；门只让某种体型的小朋友通过。每次过门后都等于重新排队了，最终17人按高矮顺序完全分开。
门就是“萃取槽”。什么是“萃取”（extraction）？就是让原本混在一起的 A、B 两种东西，借助第三种物质（萃取剂）和“两不相溶的两相”，把 A 拉到新相里，B 留在原相里，搬家式分离。稀土工业里原相是水状溶液（含稀土离子），新相是有机溶剂（如煤油 + 萃取剂 P507），被搬家的是某一种稀土离子如钕，留下的是另一稀土离子如镨。虽然稀土离子化学性质相近，但离子半径胖瘦有差异。
萃取剂P507（正式名称2-乙基己基膦酸单-2-乙基己酯）分子像“章鱼”，长链溶于煤油，磷酸基团伸向水侧。钕离子胖，电荷密度相对低，更容易脱掉部分水合外套，与 P507 的磷酸基形成稳定络合物。镨离子因为瘦，电荷密度高，抱住水合外套更紧，P507 拉不动它。最后钕离子被“章鱼”拖进有机相（萃取），镨留在水相。
我本以为，有很多种稀土萃取剂，先用一种抓走最胖的，再换一种抓次胖的，直到最瘦的。但只有一种P507（特殊工艺才换其它一两种）反复做！每次都抓走一些离子，对于相邻稀土会有一个“分离系数”，如钕镨为1.3，一次萃取比例降1.3，也就是纯度提升30%（只关于这两元素的分离）。反复不停地做几百次，最后分离纯度就能达到99.999%。反复分离，所有稀土元素就都分开了。
听上去也不难，为啥99.999%的高纯度很难？因为这只是理论，指数一乘99.9%的3N到99.9999%的6N只是多来几百次，但实际问题一堆。例如分离级数可能高达200-600级，但会有误差，误差稍有问题，最后结果就是上千倍的差异，以为能6N实际是3N。实践中，会发现“5N比4N难10倍”，就是这个误差。做3N有点误差没事，5N里有点误差就会让“前功尽弃”，这是简单的数学。
也就是说，徐光宪发明的这套牛逼理论，1975年用不太复杂的设备，就对钕镨就做到了4N的99.99%！但是，后面很多年中国许多院士带着无数科研人员想办法控制误差，才是生产实践里的“干货”。这里面专利不知道有多少，从4N到5N，就有点类似光刻机做芯片的精度从90nm提升到28m，难度极高。光刻机的纳米精度就是各种部件都要控制误差，稀土加工也一样，各种部件都要控制误差到极低，来点杂质全完。
