美国能源部化石能源办公室发布矿产可持续发展多年期计划

近日，美国能源部（DOE）化石能源与碳管理办公室（FECM）发布矿产可持续发展多年期计划，提出了未来的长期愿景、使命和目标，旨在促进行业建立关键矿物供应链，以支持美国向清洁能源经济转型。该计划围绕矿产供应链3个环节的4个技术领域提出了未来的研发示范及部署方向、需求和目标，包括：资源表征和技术开发；可持续资源开采技术开发；加工、精炼和合金化技术开发；加工、制造技术开发。关键内容如下：

一、愿景及使命

1、愿景。促进建立环境和经济可持续发展的关键矿物和含碳矿产资源回收行业，以支持：（1）清洁能源部署，包括创造制造业就业岗位；（2）建立安全、多样化、有弹性的国内关键矿物供应链；（3）开发联合生产和回收技术，促进环境和社会公平。

2、使命。支持向无碳经济和清洁能源制造转型：（1）从化石能源相关副产品和相关资源中表征和评估国内关键矿物和含碳矿产资源；（2）开发先进的资源开采、加工和提炼冶金技术；（3）评估关键矿物和含碳矿产联合生产高价值产品的潜力。

二、关键技术领域的未来方向

1、资源表征和技术开发

（1）研发、示范及部署方向

①关键矿物（CM）资源表征。该领域的研究活动集中在样本/岩心、露头/矿场和区域的特征活动。将进行特征表征，为非常规和二次来源的关键矿物和含碳矿产资源制定一份区域和国家清单。工作重点是开发和应用新技术，为实验室和现场方法制定标准化流程和最佳方案，并确定关键矿物和含碳矿产资源潜力。

②资源评估和预测。该领域的研究重点是开发能够无缝集成样品和现场表征结果的可靠方法，例如使用人工智能/机器学习（AI/ML）资源模型，以预测目前非常规和二次来源中关键矿物和含碳矿产的位置、含量和价值。

（2）研发、示范及部署需求

①关键矿物资源表征。开发标准化流程（实验室和现场）和技术，用于确定、表征和评估特定材料、矿场或区域内非常规和二次来源的潜在关键矿物和含碳矿产含量。使用创新的、现场可用的手持式分析仪，如X射线荧光光谱仪（XRF）、便携式激光诱导击穿光谱仪（LIBS）和拉曼光谱仪（Raman）等，以降低勘探成本，实现快速采集信息，并推进关键矿物和含碳矿产资源的预测和评估。集成多种测量技术，如地球物理（地震、磁力和重力）测量、激光雷达、数字钻孔和岩心扫描系统等。通过开发标准化协议和最佳实践来支持野外勘探，充分利用先进光谱技术，例如X射线吸收近边结构（XANES）、拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、高分辨率电感耦合等离子体光学发射光谱仪/质谱仪（HR-ICP-OES/MS）等光谱测定法，以及扫描电子显微镜（SEM）、激光诱导击穿光谱（LIBS）、激光烧蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）等空间表征技术。

②资源评估和预测。开发用于不确定性计算的关键矿物和含碳矿产标准化产出概率模型。利用AI/ML技术，将样品和现场表征结果集成到区域资源模型中，用于计算非常规和二次来源的资源潜力。开发集成资源矿床和产出概率模型的区域和国家AI/ML模型，实现快速预测非常规和二次来源中的关键矿物和/或含碳矿产的位置、含量和价值。

（3）研发、示范及部署目标

识别和验证“最合适”的新领域和实验室技术，以及高精确度和精密度的技术。为现场和实验室的表征方法制定标准流程和最佳实践。利用新收集样本和历史样本以及现场表征结果，开发标准化的产出概率模型。基于AI/ ML技术开发区域和国家级方法，预测非常规和二次来源的位置、含量和价值。

2、可持续资源开采技术开发

（1）研发、示范及部署方向

①变革性、非常规和常规开采技术。研究旨在开发新的战略和技术，以环境友好的方式从非常规和二次来源中安全提取关键矿物和含碳矿产。

②工业选矿方法与技术。开发处理关键矿物和含碳矿产的创新技术和选矿策略。该技术可使关键矿物含量提高5-10倍，通过选矿来提高含碳矿产品位。

③现有矿场和废弃矿山残留物的环境修复。从二次来源生产关键矿物和含碳矿产将有助于解决与矿山废物有关的环境遗留问题。需要制定减少和消除矿山残留物的策略、风险评估方法和最佳实践，鼓励清理现有和废弃矿场，同时为弱势社区提供经济和环境效益。

（2）研发、示范及部署需求

①变革性、非常规和常规开采技术。该领域的研究将建立在现有技术和新技术的基础上，提高效率和产量，同时最大限度地减少浪费、降低风险。技术开发以及现场验证包括：“选择性”水平钻探、原地浸出、农业采矿或生物采矿，从主岩中提取所需原料；通过微生物-矿物相互作用数据库和数据驱动分析技术（如AI/ML），降低生物采矿试剂使用的不确定性；开发新型过滤器和膜技术，进而提高关键矿物回收率，以及从废水中进行高特异性分离。

②工业选矿方法和技术。通过生产高富集关键矿物或含碳精矿，降低将物料运输到加工设施的成本，并减少浸出所需的化学品用量。研究途径包括：识别（从地表和地下开采）和开发新的矿物精选方法和技术，以提高关键矿物和含碳矿产的含量和品位，改善环境性能，并提高能源效率；使用数据库和AI/ML技术为特定原料选择适当的精选方法和精选策略；将关键矿物和含碳矿产的联产与当前的工业活动相结合。

③现有矿场和废弃矿山残留物的环境修复。为了减少和消除矿山残留物，必须确定对矿区进行分类和优先排序的最佳做法。这将通过：与其他联邦机构合作，制定评估方法和最佳做法，以便对矿址进行分类和优先排序，并评估环境问题和资源集中情况；组织外联活动和社区参与，讨论社区可获得的环境和经济效益。

（3）研发、示范及部署目标

开发和验证从非常规和二次来源中安全地提取关键矿物和含碳矿产的技术和工艺。开发和验证非常规和二次废水来源的提取技术和工艺。开发和测试现场精选技术并示范：①提高非常规和二次来源的关键矿物含量；②以经济的方式回收细粒煤颗粒；③通过精选技术从煤废料中获得高价值材料。设计最佳做法，在考虑风险评估和资源集中度等因素的情况下，对矿场进行分类和优先排序。

3、加工、精炼和合金化技术开发

（1）研发、示范及部署方向

①先进的分离和金属还原技术。研究不仅涉及从高纯度混合精矿中生产稀土元素（REE）和关键矿物并转化为金属进行合金化的常规技术，还将涉及先进或新型分离技术和金属还原工艺，有可能使资本和运营支出成本比当前的常规标准做法低20%。

②实现商业化生产。研究将确定创新路径以提高生产率，降低成本，减少环境影响。

③试点示范。研究将以更大的中试规模来示范非常规和二次来源关键矿物生产技术。新试点设施将建立在前几代设施的基础上，以增强环境绩效并降低运营成本。

（2）研发、示范及部署需求

①先进的分离和金属还原技术。该研究的目标是提高关键矿物和单独分离的高纯度稀土氧化物和/或稀土盐的整体回收率和纯度。将开发先进的、环境友好、低成本的高纯度单独分离技术和金属还原概念。

②实现商业化生产。将继续开发创新技术并进行进一步验证，以提高生产率、降低成本并减少任何潜在的环境影响。该领域的研究将包括：开发和验证新概念，以实现当前方法的创新，测试结果将用于技术经济评估，将现有加工系统与创新替代技术进行比较；确定并增强国内稀土、关键矿物和含碳产品的联产潜力，使金属提取、分离和回收加工更加经济和有利可图，将通过开发热力学和动力学AL/ML数据库以减少金属提取和分离技术的不确定性。

③试点示范。该领域的研究活动着重于进行不同规模的试点示范，从第一代混合稀土氧化物（MREO）和混合稀土盐（MRES）产量为1-3吨/天的试验规模，到第二代示范/近商业项目（生产规模为10吨/天），两者均具备高纯度单独分离和金属还原能力。

（3）研发、示范及部署目标

开发对环境无害的提取、分离和回收关键矿物和稀土元素工艺，最大限度地减少化学品的消耗和废料生成。开发用于清洁能源制造的非常规国内原料资源的关键矿物加工能力。启动第一代设备的最终设计、建造和运行，除了可以生产1-3吨/天的混合稀土氧化物和混合稀土盐，还可联产关键矿物和其他初级产品（如水泥工业用沸石和粉煤灰）。设计、建造和运行设备，生产单独分离的高纯度稀土元素和关键矿物，以及满足终端用户要求规格的混合稀土氧化物金属还原设备。设计、建造并部署第二代示范/商业化混合稀土氧化物设施，每天生产10吨混合稀土氧化物和混合稀土盐，并具有生产单独分离的高纯度稀土氧化物和稀土盐并随后还原为金属的能力。

4、加工、制造技术开发

（1）研发、示范及部署方向

①建筑和基础设施开发。该领域的研究旨在通过开发大型替代用途试点项目，支持开发高价值碳基建筑和基础设施材料。第一代试点项目确定和开发从批量生产向连续生产碳基材料的技术。

②先进碳材料生产。该领域的研究活动包括实验室/台架规模的高效加工技术的开发和放大，以生产碳纤维、石墨烯、石墨等产品。

③对关键供应链进行再投资。该领域的研究包括制定战略以建立弹性供应链，使国内煤炭和煤炭副产品能够生产石墨和金属硅等产品。

（2）研发、示范及部署需求

①建筑和基础设施开发：该研究领域将包括以下内容：设计、建造和运营生产系统，生产碳基瓦片和其他建筑材料，以及用于建筑材料和航空航天的碳泡沫。道路、隧道、桥梁等交通运输结构件；用于废水处理和固废管理的功能材料；堤坝等。开发未来变革性建筑技术，包括利用含碳矿产生产壁板、地板、隔热、托梁/立柱、护套、瓷砖、地毯、包裹物和饰面材料，以及具有卓越强度和绝缘性的建筑砌块。

②先进碳材料生产。开发和测试实验室/台架规模概念，以创新途径生产碳基中间相沥青前驱体，用于生产碳产品。包括：通过清洗、蒸馏和其他工艺将碳转化为清洁能源制造的原料，以及开发碳基中间相沥青；开发用于电池负极和其他用途的碳基石墨；石墨烯、纳米管、碳纤维等高价值碳产品的大规模生产；将碳基中间相沥青的批量生产进一步扩大为连续生产。

③对关键供应链进行再投资。改善半导体和太阳能光伏供应链所需产品的含碳矿产关键材料的供应，包括开发新技术以提高常见技术（即石墨化和煅烧）的能源效率，以及确定符合制造业规范的碳基替代添加剂。

（3）研发、示范及部署目标

开发和验证新技术和工艺，利用国内含碳矿产生产高附加值优质建筑和基础设施材料，实现从批量生产到连续生产。开发利用含碳矿产制造中间相沥青前驱体材料的创新技术，用于碳纤维生产，实现中间相沥青从批量加工到连续加工的转变。开发新型节能技术，从含碳矿产生产合成石墨和高纯金属硅。识别和开发创新的碳基替代品和添加剂，满足商业产品的性能指标。