全球稀土二次資源回收利用進展

張惠 ，康博文 ，田春秋

（1. 中國地質圖書館，北京 100083；2. 中國地質科學院礦產綜合利用研究所，四川省稀土技術創新中心，中國地質調查局稀土資源應用技術創新中心，四川 成都 610041）

化學周期表中的鑭系元素，以及鈧、釔等十七種金屬元素統稱為“稀土”。稀土的用途廣泛，能夠被用于制作永磁材料、精密陶瓷、催化劑、激光材料、發光材料、儲氫材料和高溫超導材料[1-4]。另外，由于其在高新技術領域內應用的廣泛性和不可或缺性，稀土已逐漸成為一種重要的戰略物資。根據美國地質調查局(USGS) 數據，2020 年全球已探明稀土儲量1.2 億t，主要分布在中國(36.67%) 、巴西(17.50%) 、越南(18.33%) 、南非(10%) 等地。近年來我國持續加強對稀土資源的管控力度，稀土產量占比大幅下降，但產量仍居世界首位。2020 年，我國在全球的稀土產量中占58.33%（圖1）[5-6]。由于稀土需求不斷增加和環境保護要求，全球各國均高度關注稀土二次資源回收利用，出臺政策支持相關產業發展，加大投入支持先進適用技術研發與轉化。

圖1 近10 年我國稀土產量變化及占比Fig.1 Change and proportion of rare earth production in China in the past 10 years

1 主要發達國家稀土二次資源回收利用產業現狀

美國等西方國家普遍認為我國壟斷了全球稀土的生產和提純，對其供應鏈造成了嚴重威脅[7]。為此，美國能源部制定了“關鍵材料戰略”[8]，隨后日本、歐盟等也均將稀土元素及其回收利用列為重點研究領域。同時，各主要發達國家紛紛將目光轉向稀土二次資源回收利用產業[9]，加大對稀土二次資源回收利用技術研究的投入，以緩解對我國稀土的依賴性，其中以日本、美國和德國尤為典型。

2008 年，日本通過《環境基本計劃》修訂稿，提出將在該國范圍內全面鋪開對稀土等二次資源的回收利用工作，實現了從政策層面倒逼企業對其生產的產品進行回收[10]；與此同時，日本部分研究基金開始將資助偏向于從粉塵中回收稀土等二次資源的研究，鼓勵對廢舊手機等電子產品進行回收，開拓“都市稀有金屬礦”資源使用渠道[11]。在上述背景下，日本國內諸如日立集團、三菱集團等大型企業，展開了回收其產品中稀土永磁體的研究工作。本田公司與日本重化學工業株式會社合作回收廢棄鎳氫電池中的稀土元素，相關技術主要包含兩步，首先是從廢舊鎳氫電池中提取出混合稀土氧化物，而后通過熔鹽電解的方法直接制備稀土金屬，目前本田公司已經可以回收利用鎳氫電池中80%的稀土元素[12]。東芝公司近期也開始采用新技術回收其生產的電梯馬達中的稀土元素。此外，利泰姆株式會社、愛信研究院、昭和電工等企業也在稀土回收利用方面取得了一定成效(表1)。

表1 日本研究機構及企業稀土回收技術研究成果Table 1 Research results of rare earth recovery technology in Japanese research institutions and enterprises

美國積極通過立法推進稀土回收利用。近年，美國科學基金會為鼓勵二次資源利用研究，成立了資源回收和再循環中心，并將稀土二次資源回收作為其資助方向之一。目前，美國已消費的電子產品中約四成進行回收并用來提取稀土，其中有38% 的電腦廢棄件、18% 的電視廢棄件、8%的移動電話廢棄件，以及3%～5%的熒光照明廢棄件。

美國稀土回收技術已經取得積極進展。據報道，美國能源部下屬的幾個實驗室已經在稀土回收利用方面進行了數年的研究，目前位于愛荷華州的埃姆斯實驗室已開發出了一種從廢舊磁鐵中提取稀土氧化物的方法。美國的城市礦山公司研發了一種利用廢舊稀土磁體重新處理成新的高性能磁鐵的方法，該技術已經投入商業使用，且獲得了美國政府2800 萬美元的資金支持。2020 年蘋果公司公布了新一代回收機器人Dave，該機器人能在11 s 內拆解一部蘋果手機，并對其中的組件進行分類回收，相較于上一代機器人，該回收機器人的主要特點就是能更好的完成對稀土和鎢的回收工作[13]。

德國對稀土的依賴程度較高，然而其原料來源極不穩定，因此受市場牽制較為嚴重。如今，稀土的國際市場價格不斷攀升，致使德國不得不開始考慮從電子產品中回收稀土金屬，實現稀土資源再利用[14]。紐倫堡大學、達姆施塔特生態研究所、克勞斯塔爾工業大學，以及弗勞恩霍夫系統與創新研究所，于2011 年聯合西門子公司和戴姆勒公司共同開發稀土循環利用關鍵技術[15]。此項目以研究永磁體內稀土元素的回收技術，報廢電機內永磁體部件的拆解、修復及循環使用技術，適應循環使用電機的設計技術，生產過程的經濟與環境影響控制等為主要目標。該項目的研究成果將能夠有效緩解本國可開發性稀土資源短缺的問題，通過實現稀土材料在電機領域內的循環利用，滿足電動汽車和混合動力汽車產能對稀土資源不斷上升的需求。

2 我國稀土二次資源回收利用技術現狀

隨著我國電子行業和新能源產業的快速增長，一方面需要大量的稀土原材料支撐產業發展[16]，另一方面大量廢棄的電子產品和高性能磁鐵也帶來了巨大的環境壓力。對包括電子產品、釹鐵硼廢料等在內的稀土二次資源進行回收并再次利用，是發展稀土產業循環經濟的重要途徑，能夠產生顯著的社會效益和環境效益，也會帶來可觀的經濟收益。因此，大量企業和科研機構都開始了針對稀土二次資源回收的技術研發。

2.1 稀土二次資源主要來源

目前國內稀土二次資源回收的來源主要分為以下幾類：

(1)城市垃圾：稀土熒光粉廢料、電子產品、玻璃粉等；

城市垃圾中稀土元素的回收需要經歷收集、拆解、分離和提取四步驟。由于國內目前沒有完善的垃圾分類回收制度，大部分城市垃圾都沒有經過妥善的分類，加之很多電子產品設計極其復雜，拆解難度較高，導致目前城市垃圾在稀土二次資源回收中占比較小。

(2)永磁材料：釹鐵硼磁體、釤鈷磁體等；

在釹鐵硼磁體等磁體的加工過程中，需要對磁體進行切割、打磨等工序處理，導致大量釹鐵硼磁體廢料的產生。長期以來，磁體廢料是稀土二次資源回收的唯一原料。近些年，隨著風電電機、新能源汽車等產品的迭代，出現了大量的大塊磁體廢料，人們逐漸開始關注這部分廢料的回收工作。

（3） 廢棄催化劑：石油裂化催化劑、汽車尾氣凈化催化劑等；

廢棄催化劑主要使用的稀土元素是鑭。在所有稀土元素中，鑭在地殼中的含量僅次于鈰，價值相對較低。同時由于鑭在廢棄催化劑中的濃度并不高，所以導致其回收的經濟性較差。目前，對廢棄催化劑中稀土元素的回收僅停留在研究層面，并未實際應用。

（4）工業固廢和廢液：稀土尾礦、稀土冶煉中、稀土工業廢水[17]等。

工業固廢和廢液是下一步稀土元素回收最主要的潛在來源。目前，由于技術和經濟性的限制，很多固廢和廢水中的稀土元素都沒有得到回收。但隨著稀土價格上漲，一些原本沒有回收價值的工業廢棄物，具備的回收的經濟性。諸多學者和研究人員也將目光聚焦與此類稀土二次資源。

2.2 稀土二次資源回收方法

一般來說稀土二次資源的回收方法可分為三類，火法回收、濕法回收和其他方法（見圖2）。

圖2 稀土二次資源回收方法Fig.2 Rare earth secondary resource recovery method

2.2.1 火法回收

火法回收主要包含氯化法，合金法和選擇氧化法三類。

氯化法利用稀土元素易和氯離子反應生成稀土氯化物的性質，使稀土與其他元素分離。在氯化法回收中常用的氯化劑有：FeCl2和MgCl2[18]。氯化法主要用于銣鐵硼廢料的回收，但當廢料氧化嚴重時，該方法的效果較差。同時，由于稀土氯化物在潮濕環境下難以保存，因此在工業中一般還需要將其轉化為氧化物，增加了工業成本。

利用稀土元素可以與一些其他金屬反應形成低熔點合金的性質使稀土元素與雜質分離的方法稱為合金法[19]。合金法主要包含熔融、合金和分離三個過程。稀土元素與熔融鈦Mg、Al 等金屬結合形成合金，利用高溫蒸汽將稀土從合金中分離，得到高純度稀土金屬。該方法的優點是可以直接提取出高純度稀土單質，但由于整個過程都需要在高溫條件下進行，能耗較高，經濟性較差。

選擇氧化法利用了鐵等雜質與稀土在不同溫度下與氧原子親和力的差異，使稀土優先與氧結合形成稀土氧化物，從而實現稀土元素與其他元素的分離[10]。該方法回收成本低、效率高，但由于反應過程中對于溫度和氧分壓的要求嚴格，完全實現雜質與稀土的分離，導致產品純度較低。

2.2.2 濕法回收

草酸沉淀法是目前應用較多的稀土二次資源回收方法。它利用了稀土元素與草酸形成的草酸鹽溶解度較低的性質，是稀土元素與雜質分離[20]。草酸沉淀法操作簡單，生產流程較短。但其局限性在于，在反應過程中，雜質離子也會生成部分沉淀，并且大量消耗草酸，導致產品純度較低且影響了其經濟性。

全溶法是指通過鹽酸將稀土二次資源中的物質全部溶解，而后通過沉淀或萃取提取稀土的方法[21]。該方法原理和工藝都較為簡單，但由于溶解廢料需要大量的鹽酸，一方面導致工藝成本較高，另一方面也會對環境造成污染。

鹽酸優溶法通過氧化焙燒，先對稀土二次資源進行氧化焙燒處理，而后通過控制鹽酸溶液pH 值使稀土氧化物優先溶解，最后利用草酸將稀土沉淀，得到純度較高的稀土草酸鹽。該方法結合草酸沉淀法和全溶法，降低了鹽酸消耗，對環境也更加友好。但由于該工藝需要在高溫下進行焙燒處理，提高其處理成本。

2.2.3 其他方法

氫化法主要用于處理銣鐵硼磁鐵廢料，該方法利用了NbFeB 與氫氣接觸后容易產生晶界斷裂的現象。處理過程中，首先使NbFeB 與氫氣接觸，發生氫化，生成氫爆粉，而后再進行歧化脫氫處理，使Nb 元素與雜質分離。由于整個過程都需要在高溫條件下進行，且反應所需時間較長，導致生產效率較低。

生物浸出法是指利用微生物或微生物代謝產物溶解稀土廢料，而后再通過沉淀或萃取將提取稀土元素的方法。該方法可以大幅降低化學試劑的消耗，符合綠色環保要求，極具潛力。但目前微生物的代謝和生長繁殖機理尚不明確，且生產效率較低，還需要進一步篩選更為高效的細菌。

電沉積法主要用于處理雜質含量較少的超細銣鐵硼廢料[22]。該方法首先利用電化學的選擇性將Fe2+轉化為Fe3+，而后再利用草酸使稀土形成沉淀并回收。此方法解決了火法能耗高和濕法純度低的弊端，且生產過程環保。但由于電化學處理過程對于廢料的純度要求較高，因此目前只適用于超細銣鐵硼廢料。

3 我國稀土二次資源回收利用產業現狀

3.1 稀土廢料的回收

中國稀土行業協會2019 年發布的數據顯示，我國釹鐵硼毛坯產量約為17 萬t，由于釹鐵硼磁體在生產過程中會產生近三成的廢料，因此當年釹鐵硼廢料產量約為5.1 萬t，隨著市場需求不斷增大，釹鐵硼磁鐵產業也步入快車道，釹鐵硼廢料產出也會日益增加，消納這部分廢料，需要稀土綜合利用行業的強有力支撐[23-24]；在今后10 年內，新能源領域對釹鐵硼永磁材料的需求將保持強勁且不斷增長的勢頭。因此，開發釹鐵硼廢料中有價稀土的回收技術，提高稀土資源的綜合利用率和再生產品的品質，不僅可以減少廢料對于環境的破壞，還能部分滿足企業對于原材料的需求[25]，實現資源的節約集約利用[26]。

3.2 稀土二次資源回收利用行業發展

財政部發布的《資源綜合利用產品和勞務增值稅優惠目錄》中提到，綜合利用“稀土產品加工廢料，廢棄稀土產品及拆解物”生產“稀土金屬及稀土氧化物”可以享受30%比例的增值稅即征即退優惠。2016 年，工信部也制定并實施了《稀土行業規范條件（2016 年本）》和《稀土行業規范條件公告管理辦法》（工信部公告2016 年第31 號），該《規范條件》首次將稀土資源綜合回收利用企業的冶煉分離項目納入管理范圍，規定其生產規模不應低于3000 t/年；另外，公告中明確將“含稀土資源綜合回收利用企業的冶煉分離項目”合并進入到稀土礦山開發、冶煉分離項目進行規范。

國內稀土二次資源產業整合規范的過程受六大稀土集團組建以及行業監管要求的影響嚴重[27]，先后有9 家企業整合進入了六大稀土集團的序列。近年來，得益于全球節能政策的推行、高科技產業的復蘇，全球范圍內的高性能釹鐵硼等稀土材料產品的應用需求量保持近20%的年增長幅度。節能汽車行業的推廣，也從很大程度上有力地推動了鎳氫電池的需求增長，空氣凈化稀土催化劑的需求也日趨增長等[28]。據保守估計，全球新能源汽車產量到2025 年時將能夠達到1174 萬輛。依照每輛新能源汽車消耗5 kg 釹鐵硼來計算，屆時僅新能源汽車方面釹鐵硼永磁材料消費量就將超過8.87 萬t。總體上，多方面的稀土應用產業日趨興榮，將有效的支撐稀土產品需求市場的持續增長[29]。

4 我國稀土二次資源回收存在的問題

4.1 產業規模小，原料單一，產品低端

一是從事銣鐵硼廢料、熒光粉廢料等稀土二次資源回收利用的企業規模小，行業集中化程度低，存在產能過剩情況。目前為止，我國的釹鐵硼廢料處理企業已經有三十余家，但僅有四家的份額達到8% 左右，年稀土氧化物產量均超過1100 t，反映出該行業的集中度不高。此外，我國釹鐵硼廢料加工的產能嚴重過剩，原料與產能比例估計達到1:5 左右。

二是國內稀土二次資源回收利用產業面狹窄，未能覆蓋到全產業鏈。目前為止，仍然只有釹鐵硼廢料是真正進入到產業化處置利用的稀土固廢原料[30]。據稀土行業協會2018 年的相關數據顯示，在我國回收的約18000 t 稀土氧化物中，近九成來自釹鐵硼企業的生產廢料，來自電子產品回收的僅占10%[31]。稀土二次資源回收的產業支撐面窄，后期有較大發展空間。大多數稀土廢料處理企業仍存在諸多問題，包括自主研發能力不強、規模較小、產品定位低端等。

三是我國電子廢棄物回收產業發展滯后，大量電子廢棄物中含有的稀土元素沒有得到有效回收利用。2014-2018 年中國再生資源行業發展報告指出：2014 年至2018 年，我國電子廢棄物產出量大幅提升，但回收利用量卻保持平穩，增長率連年下降（圖3）。2019 年美國全年產出電子廢棄物691.8 萬t，回收電子廢棄物500 萬t，綜合利用率在72% 以上；同期，我國全年產出電子廢棄物1000 萬t，僅回收380 萬t，綜合回收率僅有38%，與美國相比差距明顯。

圖3 2014～2018 年全國電子廢棄物回收利用情況Fig.3 Recycling of electronic waste in China from 2014 to 2018.

4.2 稀土二次資源回收利用的政策有調整空間

一是部分稀土產品難以監管，稀土“ 黑色產業鏈”依舊存在，影響稀土二次資源回收利用行業發展。近年來，我國已經開展了一系列全行業范圍的稀土產業整治工作。然而，由于南方離子型稀土礦的分布和開采特點，私挖私采的現象至今仍然屢禁不止，此類礦產品不僅造成嚴重的環境污染，還極大地沖擊了稀土市場，影響了稀土二次資源回收利用產業的發展[32]。

二是現行固體廢棄物進口政策導致含稀土等戰略資源的固廢無法進入我國。2017 年，國務院頒布《禁止洋垃圾入境推進固體廢物進口管理制度改革實施方案》，開始限制固體廢棄物進口。2020 年，包括生態環境部、商務部、發展改革委、海關總署在內的四部委發布了《關于全面禁止進口固體廢物有關事項的公告》，指出今后將全面禁止以任何方式進口固體廢物。全面禁止進口固廢雖然減少了固體廢物對于我國生態環境的破壞，但也導致含有稀土等戰略資源的固體廢棄物無法進入我國，可能會造成國內相關產業出現原材料緊缺的現象，特別是在美國等西方發達國家都在大力支持稀土二次資源利用的當下，甚至可能影響我國對于稀土產業發展。

4.3 稀土二次資源回收利用技術有待進一步突破

首先，稀土二次資源中的稀土元素回收難度大、成本高。例如，為了提高銣鐵硼廢料的綜合性能，通常會在其生產過程中加入鈷、鋁、銅等其他元素，同時會在釹鐵硼產品的表面電鍍金屬層以避免其氧化[33]，因此提取釹鐵硼廢料中的稀土元素具有一定難度，其回收成本也相應提高。在電子產品回收方面，相較于發達國家已經發展了數十年的電子產品回收模式，我國的電子產品回收尚處于起步階段，國內相關政策法規也沒有強制要求制造商無條件回收其生產的產品，企業在設計產品時沒有考慮后續產品回收問題，導致電子產品回收難度大，成本高。美國、日本等發達國家要求企業無條件回收其生產的產品，從而倒逼企業從產品設計階段就開始考慮產品回收問題。

其次，我國的稀土二次資源回收技術先進程度尚未能匹配需求。稀土二次資源回收分離包括焙燒、浸出分離、萃取分離等過程，不僅環節多，且工藝復雜[34]，面臨著二次污染、拆分困難，以及成本高等問題。例如，手機、平板電腦這一類的電子產品中通常都含有數十種元素，這些元素分布在上百個細小的零件中，想要回收就必須要經過破碎、細磨，而后在熔融狀態或溶液中將其分離，其回收難度遠高于從礦石中提取。整體來看未來需要積極開發新技術、新工藝，不斷改進、完善現行工藝，從而提升稀土二次資源回收利用技術，以減少工藝過程中稀土元素的損耗[35]，提升稀土二次資源回收的效率，降低提取成本。

最后，稀土二次資源回收利用產業技術亟待進一步升級。整體來看，我國的稀土產業仍處于中、低端水平，表現為產業格局過于粗放，產品間同質化程度較為嚴重，且大多稀土材料加工企業沒有核心技術體系[36]，創新能力較差。同時，目前大多數稀土綜合利用企業在核心裝備和技術上都直接沿用了稀士精礦分離的技術，并沒有針對稀土綜合利用開發新的技術[37]。此外，目前在產企業所生產的綜合利用產品主要是稀土氧化物或者稀土金屬[38]，很少能夠形成稀土合金，或者延伸加工為特定的稀土功能材料，導致產品附加值較低。

5 結 論

目前，稀土二次資源回收利用產業日益得到美、日、歐等國家重視。中國也已發布相關優惠政策，以鼓勵企業對稀土二次資源進行回收利用，但目前存在企業規模小，處理原材料單一，產品低端，政策配套可以進一步優化等問題。隨著新能源、新材料等高新技術行業的迅猛發展，加之雙碳戰略實施，將持續促進稀土二次資源回收利用產業發展，相應的需要做好相關工作。一是開展國內外稀土商品市場調查研究，從我國稀土資源供應、國際稀土資源需求和國內外稀土二次資源回收利用三個維度分析稀土商品市場，制定戰略措施。二是加強技術研發，一方面詳細了解各類型稀土二次資源回收利用技術，篩選經濟環保的相關技術并進行推廣應用；另一方面針對尚無法合理利用的稀土二次資源，積極開展研究工作，研發稀土二次資源回收利用高端產品，要加強稀土二次資源綜合利用人才培養和研究支持力度。三是加強稀土二次資源回收利用產業引導，推進產業高質量發展。四是優化產業政策，考慮在相關稀土二次資源回收技術完備、能實現無污染回收利用前提下，實行固廢分類進口政策，鼓勵稀土等金屬大件的進口，增強我國稀土二次資源保障。