作为全球中重稀土资源的主要来源,离子吸附型稀土矿广泛分布于我国东南七省区(特别是江西南部),具有重稀土含量高、稀土配分齐全、易开采和放射性活性低等特点,具有重要的战略价值。目前以硫酸铵为浸矿剂的离子吸附型稀土矿开采工艺无法实现胶体沉积相稀土的开采,存在严重的稀土资源浪费和环境污染问题,急需突破稀土原位绿色高效开采的一系列技术难题,提高离子吸附型稀土矿绿色化水平并实现胶体沉积相稀土开采,最终实现稀土高效开采。因此,本文以离子吸附型稀土矿为研究对象,通过生物有机酸浸出实验、Visual Minteq模拟、DFT计算、生物浸出实验以及相关检测方法,分析了生物有机酸对稀土和杂质离子、轻稀土和重稀土离子的浸出特性,揭示了生物有机酸对离子交换相稀土、胶体沉积相稀土的浸出机制和生物有机酸对轻重稀土差异化浸出机制,提出了生物有机酸稀土高效原位绿色浸出方法并通过生物发酵方法生产有机酸浸矿剂,深化了离子吸附型稀土矿生物浸出机制认知,查明了生物浸出对土壤微生物群落结构的影响认识,为稀土资源生物绿色高效开采技术的发展提供了支撑。本文的主要研究结论如下: (1)选择柠檬酸作为典型代表有机酸,发现在相同条件下柠檬酸(77.25%)表现出了比柠檬酸钠(65.91%)和柠檬酸铵(65.94%)更好的全稀土浸出能力,同时柠檬酸表现出更好的HREE浸出能力,浸出液中HREE/LREE比值0.86。随后基于阿伦尼乌斯方程分析了柠檬酸对离子吸附型稀土矿中离子交换相稀土的浸出动力学和热力学过程,发现柠檬酸对稀土的浸出过程前段为动力学控制,平衡阶段为热力学控制。柠檬酸对离子交换相稀土元素的浸出受内扩散动力学和化学反应动力学共同影响,其中内扩散动力学是主要的控制机制,计算出的反应活化能为20.87 k J/mol。分析了柠檬酸对离子交换相稀土元素的浸出机制,并归纳为1)质子介导的离子交换过程;2)有机酸根络合强化浸出;3)氧化还原作用;4)质子促溶作用。 (2)研究了不同有机酸对离子吸附型稀土矿中胶体沉积相稀土的浸出机制差异。对于单链羧酸,除乙酸外,甲酸、丙酸、正丁酸和异丁酸对胶体沉积相稀土的浸出率随着碳链的增加而增加。此外,羧基数量的增加同样可以增加胶体沉积相稀土的浸出。而还原性有机酸在实现胶体沉积相稀土高效浸出的同时,却不利于HREE的优先浸出。Visual Minteq模拟、DFT计算和浸出界面反应分析表明有机酸和稀土的结合能更高(其中乙酸镧为-3.11 kcal/mol,乙酸钇为-3.34 kcal/mol),有效抑制了稀土在氧化铁和氧化锰表面的吸附。此外,有机酸对胶体沉积相稀土的浸出过程伴随着含铁和含锰矿物的溶解和重构。电化学分析则表明胶体沉积相稀土浸出反应受电荷传递步骤和扩散传质步骤共同控制。分析了不同有机酸对胶体沉积相稀土的浸出机制,并归纳为:1)酸浸、2)络合作用强化浸出、3)氧化还原反应和4)降低界面反应能量。 (3)选择乙酸(一元羧酸)、苹果酸(二元羧酸)和柠檬酸(三元羧酸)作为代表有机酸,研究了有机酸对离子吸附型稀土矿中轻重稀土差异化浸出机制。在固液比为1:5时,乙酸和苹果酸的胶体沉积相浸出率分别为28.94%和30.89%,此后稀土浸出率随固液比的继续增加基本保持不变。而柠檬酸的浸出率为25.84%,并在固液比为1:9时达到最高(33.07%)。对浸出过程进行分析,发现乙酸的浸出表现出强烈的p H依赖,而苹果酸和柠檬酸浸出体系中,离子交换和络合作用相互配合,共同实现稀土浸出。通过Visual Minteq模拟和DFT计算手段揭示了有机酸对轻重稀土差异化浸出机制。发现有机酸对HREE的高效浸出依赖有机酸根与稀土离子之间的络合作用。 (4)通过生物发酵方式利用餐厨垃圾转化低成本生产生物浸矿剂浸出稀土,并分析了浸出行为及对土壤微生物种群结构的影响。发现间接生物浸出工艺具有更高的稀土浸出率(49.38%),并导致了矿物的表面溶解和更深层次的结构转变,有利于稀土元素的释放。随后分析了生物浸出对土壤生态的影响,发现经过恢复后的生物浸出尾矿中土壤酸性磷酸酶、土壤脲酶和土壤脱氢酶活性均高于原矿。同时发现生物浸出过程对土壤细菌群落结构转变具有一定的影响,土壤碳循环、氮循环和金属转运及氧化还原相关功能有一定的提高,但土壤微生物群落主要优势菌种和主要功能未发生改变。此外,经济性分析也表明相较于传统化学浸矿技术,生物浸出技术具有更高的经济收益。因此,生物浸出过程对土壤生态的影响更小,表现出优异的应用前景。研究结果可为离子吸附型稀土矿原位绿色低成本生物开采和绿色矿山建设提供理论支持。