Abstract Rare Earth Elements (REE) are nowadays considered critical raw materials due to their increasing use in modern industry and their shortage of supply. Acid mine drainage (AMD) contains REE concentrations several orders of magnitude higher than the rest of continental and marine waters, and the sludge from its treatment may become a supplementary source of REE. Schwertmannite, a Fe(III)-sulfate-hydroxide is the most common mineral precipitated from AMD and a main constituent of the neutralization sludge. The objective of this work is to study the mechanism of REE retention in synthetic schwertmannite and to predict the REE behavior in a column experiment mimicking an AMD passive remediation system. Suspensions of synthetic schwertmannite in sulfate solutions show that Y and the lanthanides are effectively sorbed at pH values higher than 4.5, and sorption is complete at pH values higher than 6.5. The experimental partition coefficients clearly show a preferential enrichment of heavy REE in the solid phase. Unlike the rest of the REE, Sc sorption occurred at a lower pH, from 3 to 5. The experimental results have been described with a non-electrostatic surface complexation model in which the aqueous complex MSO4+ exchanges with two H+ from the surface of schwertmannite, forming a bidentate surface complex, (XO)2MSO4-. Scandium sorption was also accurately predicted with the addition of a second bidentate surface complex, (XO)2MOH. The equilibrium constants for REE sorption on schwertmannite calculated in the present work, together with those for REE sorption on basaluminite (Lozano et al., 2019, GCA, 258, 50–62) were used to model the behavior of different REE observed in the pore water and solid of a column experiment. Schwertmannite and basaluminite were the main solid phases formed due to the progression of the neutralization. First schwertmannite precipitated at pH below 4 and then basaluminite precipitated at pH above 4. Both minerals can sorb REE in a similar pH range. However, since Y and the lanthanides sorbed at pH values higher than 5, their sorption only occurred on basaluminite. In contrast, the Sc sorption edge extended from pH 3 to 5 and Sc partially sorbed on schwertmannite. As a practical consequence, REE preferentially accumulated in the basaluminite residue of AMD neutralization systems, but a minor fraction of Sc can be retained in the schwertmannite waste.

中文翻译：

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稀土元素在施维特曼石上的吸附及其在酸性矿山排水处理中的流动性

摘要 稀土元素 (REE) 由于在现代工业中的使用越来越多且供应短缺，因此现在被认为是重要的原材料。酸性矿山排水 (AMD) 所含的稀土元素浓度比其他大陆和海洋水域高几个数量级，其处理产生的污泥可能成为 REE 的补充来源。Schwertmannite，Fe(III)-硫酸盐-氢氧化物是最常见的从 AMD 沉淀的矿物，也是中和污泥的主要成分。这项工作的目的是研究 REE 在合成施维特曼石中的保留机制，并在模拟 AMD 被动修复系统的柱实验中预测 REE 行为。硫酸盐溶液中合成施威曼石的悬浮液表明 Y 和镧系元素在 pH 值高于 4.5 时被有效吸附，在 pH 值高于 6.5 时吸附完成。实验分配系数清楚地显示了固相中重稀土的优先富集。与 REE 的其余部分不同，Sc 吸附发生在较低的 pH 值，从 3 到 5。 实验结果已经用非静电表面络合模型进行了描述，其中含水络合物 MSO4+ 与来自施伟曼石表面的两个 H+ 交换，形成双齿表面复合物，(XO)2MSO4-。通过添加第二个双齿表面复合物 (XO)2MOH，还可以准确预测钪吸附。在本工作中计算的施威曼石上稀土元素吸附的平衡常数，以及碱铝石上稀土元素吸附的平衡常数（Lozano et al., 2019, GCA, 258, 50-62) 用于模拟在柱实验的孔隙水和固体中观察到的不同 REE 的行为。Schwertmannite 和碱铝石是由于中和的进展而形成的主要固相。首先施威特曼石在 pH 值低于 4 时沉淀，然后碱铝石在 pH 值高于 4 时沉淀。这两种矿物都可以在相似的 pH 范围内吸附稀土元素。然而，由于 Y 和镧系元素在高于 5 的 pH 值下吸附，它们的吸附仅发生在碱铝石上。相比之下，Sc 吸附边缘从 pH 3 扩展到 5，Sc 部分吸附在施维特曼石上。作为实际结果，REE 优先在 AMD 中和系统的碱铝矿残渣中积累，但一小部分 Sc 可以保留在施维特曼矿废物中。Schwertmannite 和碱铝石是由于中和的进展而形成的主要固相。首先施威特曼石在 pH 值低于 4 时沉淀，然后碱铝石在 pH 值高于 4 时沉淀。这两种矿物都可以在相似的 pH 范围内吸附稀土元素。然而，由于 Y 和镧系元素在高于 5 的 pH 值下吸附，它们的吸附仅发生在碱铝石上。相比之下，Sc 吸附边缘从 pH 3 扩展到 5，Sc 部分吸附在施维特曼石上。作为实际结果，REE 优先在 AMD 中和系统的碱铝矿残渣中积累，但一小部分 Sc 可以保留在施维特曼矿废物中。Schwertmannite 和碱铝石是由于中和的进展而形成的主要固相。首先施威特曼石在 pH 值低于 4 时沉淀，然后碱铝石在 pH 值高于 4 时沉淀。这两种矿物都可以在相似的 pH 范围内吸附稀土元素。然而，由于 Y 和镧系元素在高于 5 的 pH 值下吸附，它们的吸附仅发生在碱铝石上。相比之下，Sc 吸附边缘从 pH 3 扩展到 5，Sc 部分吸附在施维特曼石上。作为实际结果，REE 优先在 AMD 中和系统的碱铝矿残渣中积累，但一小部分 Sc 可以保留在施维特曼矿废物中。两种矿物质都可以在相似的 pH 范围内吸附 REE。然而，由于 Y 和镧系元素在高于 5 的 pH 值下吸附，它们的吸附仅发生在碱铝石上。相比之下，Sc 吸附边缘从 pH 3 扩展到 5，Sc 部分吸附在施维特曼石上。作为实际结果，REE 优先在 AMD 中和系统的碱铝矿残渣中积累，但一小部分 Sc 可以保留在施维特曼矿废物中。两种矿物质都可以在相似的 pH 范围内吸附 REE。然而，由于 Y 和镧系元素在高于 5 的 pH 值下吸附，它们的吸附仅发生在碱铝石上。相比之下，Sc 吸附边缘从 pH 3 扩展到 5，Sc 部分吸附在施维特曼石上。作为实际结果，REE 优先在 AMD 中和系统的碱铝矿残渣中积累，但一小部分 Sc 可以保留在施维特曼矿废物中。