硫酸根对风化壳中典型矿物吸附稀土元素的制约

Ion-adsorption rare earths are not only the superior mineral resources in China, but also the chief source of heavy rare earths all over the world. Moreover, they have important economic value and strategic significance. To date, their formation mechanism has become a focus in geoscience studies. The mechanisms of the transformation, accumulation, and fractionation of rare earth elements (REEs) are the key to revealing the genesis of ion-adsorption rare earths, and are affected by the adsorption on minerals. Sulphide minerals are weathered to produce sulfate during granite weathering. Sulfate would be further adsorbed on clay and iron (hydroxyl) oxide minerals, thus affecting the adsorption of RE ions on minerals. Considering that kalinite and ferrihydrite play a crucial role in REEs accumulation, we will conduct the macroscopic experiments, micro-beam/area technologies, and surface complexation model to investigate the effect of sulfate on the surface physicochemical properties of the two minerals mentioned above. Here, we will also study the distribution density, occurrence, adsorption configurations, and the fractionation characteristics of REEs on kaolinite and ferrihydrite and elaborate the related mechanism in the presence of sulfate. The implementation of this project could provide reliable experimental basis for elucidation of the restriction mechanism of sulfate on the adsorption of REEs on clay and iron (hydroxyl) oxides minerals, and provide new information for enriching the genesis of ion-adsorption rare earths.

离子吸附型稀土矿是我国优势矿产，也是全球重稀土的主要来源，具有重要的经济价值和战略意义，其形成机制已成为地球科学研究的热点领域。稀土元素的迁移、富集、分异机制是揭示离子吸附型稀土矿成因的关键，而它们均受矿物表面吸附作用的控制。在花岗岩风化过程中，硫化物矿物也风化并产生硫酸根，可以吸附于风化成因的黏土矿物和铁（羟基）氧化物表面，从而影响矿物对稀土离子的吸附能力。本项目选择对稀土元素富集有重要作用的高岭石和水铁矿为代表矿物，通过宏观实验、微观表征和表面络合模型相结合的研究方法，探讨硫酸根对上述矿物表面物理化学性质的影响，探明硫酸根存在条件下稀土元素在上述矿物表面的分布密度、赋存形态、吸附构型和分异特征，并阐述相关作用机制。本项目的实施可为阐明硫酸根对黏土矿物和铁（羟基）氧化物吸附稀土元素的制约机制提供可靠的实验依据，并为丰富离子吸附型稀土矿的成因提供新信息。

离子吸附型稀土矿床是我国优势矿产，也是全球重稀土的主要来源，具有重要的经济价值和战略意义，其形成过程和开采过程已成为地质学研究的热点领域。稀土离子的迁移、富集及分异等地球化学过程均受矿物表面吸附作用的控制。因此，理解稀土在矿物表界面的反应是揭示离子吸附型稀土矿床成因。花岗岩风化壳中环境较复杂，稀土与矿物表界面作用往往还受半生环境的影响，如温度、pH、共存离子等。有研究表明，花岗岩中硫化物矿物发生风化并产生硫酸根（SO42-），其可以吸附于矿物表面或与稀土离子发生络合，从而影响稀土离子在矿物表面的吸附。花岗岩风化壳中分布广泛且对稀土离子富集有重要影响的次生矿物主要为黏土矿物和铁氧化物。它们常以纳微米颗粒的形式赋存，具有较大比表面积、丰富的活性位点等，是重要的地质吸附剂。本研究选取离子吸附型稀土矿矿区分布广泛的高岭石（Kln）和水铁矿（Fh）为代表，通过结合宏观批吸附实验、原位谱学等手段，研究SO42-存在条件下稀土离子在Kln和Fh表面吸附机制和分异特征。.本研究阐明了SO42-对稀土离子在Kln和Fh表面吸附的影响以及相关作用机制。在单一体系中，Kln对稀土离子的吸附能力较强于Fh；在共吸附体系中，SO42-几乎不影响稀土离子在Kln表面的吸附，但显著增加了其在Fh表面的吸附，且在SO42-浓度为40 μmol/L时稀土离子几乎全部吸附于Fh表面。在Kln体系中稀土离子脱附较多，且不随着SO42-浓度的增加而变化，而Fh体系中稀土离子脱附较少且伴随着SO42-浓度的增加而增加。原为红外光谱（in-situ ATR-FTIR）结合二位相关光谱（2D-COS）分析结果表明，SO42-和稀土离子在Fh表面的共吸附机制为静电作用和形成以阳离子为桥的三元络合物。稀土离子在Kln表面的吸附并没导致稀土分异，而其在Fh表面的吸附却导致自身分异。在Fh体系中，稀土离子呈现中、重稀土富集以及“M”型四分体效应的特征。当Fh体系中存在SO42-时，中稀土于Fh表面的富集略微强于轻、重稀土。