对南阿巴拉契亚盆地中与煤炭相关的沉积物、废弃物以及酸性矿山排水（AMD）污泥作为稀土元素（REE）和锂（Li）回收原料的评估

时间：2026年2月3日

来源：International Journal of Coal Geology

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本研究评估美国南阿帕拉契亚盆地宾夕法尼亚纪波茨维尔组的煤相关沉积物及废料作为关键矿物资源的潜力，采集34个样本进行XRD、XRF、ICP-MS和μ-XRF分析，发现稀土元素和锂含量分别为46.8-334.4 ppm和11.1-519 ppm，其中Hendrix 3456下岩层样本含量最高。矿物学分析表明主要成分为伊利石和 kaolinite，分类为II类（有潜力），但提取率低（稀土3.3%，锂3.6%），可能与抗性矿物及磷酸盐相关。元素映射显示稀土与磷酸盐关联，统计显示与铝硅酸盐相关，提示异质分布。结论指出该地区煤相关沉积物具有资源潜力，但需优化提取技术。

作者名单：Ibrahim Okunlola、Rona Donahoe、Kalyn Tew、Marcella McIntyre-Redden、Elena Tajuelo Rodriguez

美国阿拉巴马大学地质科学系，塔斯卡卢萨，AL 35487

摘要

稀土元素（REE+）和锂（Li）等关键矿物对技术创新、能源转型、全球经济与国防安全至关重要，因此需要寻找非常规资源并开发高效的提取方法以避免供应链中断。本研究评估了美国南部阿巴拉契亚盆地（SAB）宾夕法尼亚纪波茨维尔组（Pottsville Formation）中的煤相关沉积物（底泥和顶岩）及废弃物作为这些矿物回收的潜在原料。共采集了34个样本（15个底泥样本、12个顶岩样本、5个酸性矿井排水（AMD）污泥样本和2个煤矿废弃物样本），并使用XRD、XRF、ICP-MS和μ-XRF等分析方法对其进行了表征。这些样本中的REE+和Li浓度分别为46.8至334.4 ppm和11.1至519 ppm，其中Hendrix 3456号底泥样本在这两种元素的含量上均达到最高值。所有样本的主要矿物成分均为铝硅酸盐粘土矿物，尤其是伊利石（illite）和高岭石（kaolinite）。根据Seredin和Dai（2012）的定义，所有样本的REE_{def, rel%}值均大于26%，C_outl指数介于0.69至0.94之间，属于II类（有潜力）稀土矿。提取测试（EPA方法3051 A）显示REE+和Li的回收率较低，最大值分别为3.3%和3.6%，这表明这些元素可能与粘土和磷酸盐等难提取矿物结合。元素分布分析表明REE+与磷酸盐存在关联，而统计分析则显示REE+更可能与铝硅酸盐矿物相关，说明这两种元素的结合方式较为复杂或磷酸盐的贡献较小。本研究突显了SAB地区煤相关沉积物的潜在价值。

引言

稀土元素（REE）是指镧系元素。由于钪（Sc）和钇（Y）具有相似的化学性质，它们也被归入这一类别（Lin等人，2017；Balaram，2019）。稀土元素从地球化学角度可分为三类：轻稀土元素（LREE：La、Ce、Pr、Nd、Sm）、中稀土元素（MREE：Eu、Gd、Tb、Dy）和重稀土元素（HREE：Ho、Er、Tm、Yb、Lu）（Seredin和Dai，2012；Blissett等人，2014）。在本研究中，我们将REE+（REE + Y + Sc）和REY（REE + Y）统称为稀土元素。Seredin和Dai（2012）基于市场趋势和供需动态提出了一个稀土元素分类系统，将REE+分为三类：关键元素（Nd、Eu、Tb、Dy、Y、Er）、非关键元素（La、Pr、Sm、Gd）和过剩元素（Ce、Ho、Tm、Yb、Lu）。这一分类强调了稀土元素分布分析在工业应用中的重要性（Blissett等人，2014）。

稀土元素是向绿色能源技术转型的重要组成部分，是混合动力汽车、风力涡轮机、电池、智能电子设备、国防战斗机、舰船以及永磁体等产品中的关键成分（Chu，2011；Binnemans等人，2013；Dutta等人，2016；Goodenough等人，2018）。全球对稀土元素的需求预计每年增长约5%，这凸显了确保国内供应的紧迫性（Dutta等人，2016）。稀土元素通常以微量存在于磷酸盐和碳酸盐矿物中，例如独居石[(Ce, La, Nd, Th)PO₄]、磷灰石[YPO₄]、氟碳铈矿[(Ce, La)CO₃F]、含Ce-Nd的碳酸盐、胶体稀土氧化物/氢氧化物、铝硅酸盐以及有机结合的镧系元素（Birk和White，1991；Eskenazy，1995；Orris和Grauch，2002；Seredin和Dai，2012；Dai等人，2014；Hower等人，2016；Montross等人，2017；Balaram，2019；Hower等人，2020；Yang等人，2020；Dai等人，2021）。尽管稀土元素在地壳中含量丰富，但使用传统采矿和提取方法其浓度通常过低，不具备经济可行性（Haxel等人，2002）。这一挑战促使人们开展大量研究以寻找替代资源和高效提取方法。

目前，锂（Li）主要从盐矿床和硬岩伟晶岩矿（锂云母、锂辉石）中提取，这两种资源分别占全球锂资源的62.6%和37.4%（Grew，2020；Liu等人，2022；Balaram等人，2024）。这些资源分布不均，加之需求快速增长和供应链脆弱性增加，使得寻找非常规锂资源变得必要。多项研究表明，煤及煤相关地层中的锂主要以无机物形式存在，尤其是铝硅酸盐和粘土矿物（如高岭石、伊利石、绿泥石和勃姆石），这些矿物通过吸附或结构结合的方式富集锂（Zhuang等人，1998；Ketris和Yudovich，2009；Qin等人，2015；Finkelman等人，2018；Zhang等人，2020；Dai等人，2021；Sun等人，2022；Chen等人，2023；Hao等人，2025）。

目前，从煤、煤灰、煤相关沉积物及其他煤副产品中提取稀土元素的研究日益受到关注（Seredin和Dai，2012；Wei等人，2020；Montross等人，2020；Yang等人，2020；Bauer等人，2022）。与传统的稀土矿床相比，从这些材料中提取稀土元素具有多项优势：（1）煤相关材料中的重稀土元素（HREE）比例较高（Seredin和Dai，2012；Zhang等人，2018）；（2）提取成本较低，因为稀土元素可作为煤炭生产和利用过程的副产品获得（Honaker等人，2017）；（3）基于煤的材料（尤其是煤矿排水）中的放射性核素（如铀和钍）浓度较低（Vass等人，2019）；（4）从煤衍生废弃物中提取稀土元素有助于缓解或消除环境问题（Sarswat等人，2020）。

美国能源部（DOE）将REE+含量为300 ppm设定为具有经济可行性的提取阈值（Bagdonas等人，2022）。中国则将锂的最低开采品位和经济开采品位分别定为80 ppm和120 ppm（Sun等人，2012b；Xu等人，2023）。由于原料材料的异质性、粒径以及REE+和Li浓度较低，提取难度较大。因此，了解这些元素的存在形式和矿化机制至关重要，因为现有的提取技术通常是针对特定矿物的（Dai和Finkelman，2018；Stuckman等人，2018）。

本研究提供了来自SAB地区的新的地球化学数据，该地区在现有数据库中的代表性不足。虽然本研究并非旨在完全解决美国各煤盆地数据分布不均的问题，但其结果有助于弥补先前研究中发现的数据空白（Palmer等人，2015）。相关数据已在NETL能源数据交换（EDX）数据库中公开（edx.netl.doe.gov），从而支持改进数据表示、整合和公众可访问性的工作。

本研究的主要研究对象是Culbertson（1964）描述的波茨维尔组（Pottsville Formation），它是SAB地区的主要含煤层。该层中含有多种煤相关沉积物和废弃物。研究目标包括：（i）确定SAB地区煤相关沉积物、AMD污泥和煤矿废弃物中的REE+和Li浓度；（ii）表征REE+和Li的主要载体；（iii）分析控制这些材料中REE+和Li分布的机制。

研究区域

SAB地区划分为多个煤田或盆地。波茨维尔组中的各个岩性单元形成于不同的环境条件下，波茨维尔煤层从海侵高峰期逐渐过渡到海洋退缩早期（Pashin，1998）。相关的砂岩单元包含多种河流和潮间带沉积物，而泥岩单元则反映了洪泛盆地和泥滩环境（Rheams和Benson，1982；Pashin，1991）。

样品采集

通过整合多个数据库（USGS COALQUAL、NETL-EDX和阿拉巴马州地质调查局（GSA）的公开数据以及相关文献，发现了研究数据上的空白。为此，在SAB地区采集了34个样本：15个底泥样本、12个顶岩样本、5个AMD污泥样本和2个煤矿废弃物样本。

样品矿物学特征

底泥、顶岩、煤矿废弃物和AMD污泥样本的矿物组成多样（见表S1，补充数据）。XRD分析显示样品中含有石英、高岭石、绿泥石、伊利石、白云母、钾长石、钠长石和针铁矿。粘土矿物的鉴定基于经过乙醇处理和加热处理的粘土样品。乙醇处理并未导致基面间距从约14 Å扩大到约17 Å（001方向）。

讨论

XRD分析结果显示，煤相关沉积物和煤矿废弃物样品的矿物组成与先前关于SAB波茨维尔组煤相关沉积物的研究结果一致，表明粘土矿物是最主要的成分（Schultz，1958；Metzger，1964；Dulong等人，2002；Olabode和Radonjic，2014）。其次是石英和长石（主要是钾长石）。

结论

粘土矿物（尤其是伊利石和高岭石）的丰富存在，以及较高的CIA值（81%–86%），表明SAB地区宾夕法尼亚纪波茨维尔组煤相关沉积物（底泥和顶岩）及煤矿废弃物经历了强烈的风化作用。UCC标准化的REE+分布特征显示负Ce异常，这表明风化和氧化过程中有地表水参与及Ce的就地沉淀。

作者贡献声明

Ibrahim Okunlola：负责撰写初稿、数据可视化、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。 Rona Donahoe：负责审稿与编辑、项目监督、资源协调、方法论制定、资金争取及概念构思。 Kalyn Tew：负责审稿与编辑、数据管理。 Marcella McIntyre-Redden：负责实验研究、资源协调及撰写工作。 Elena Tajuelo Rodriguez：负责数据管理、实验研究及资源协调。