随着我国国民经济和高科技新兴产业的不断发展,稀有金属的需求持续增加,但同时面临锂、镓、锆、铌、钽、铪、铷、铯和稀土（REY）等稀有金属优质矿产资源短缺瓶颈。因此,煤型伴生金属资源如粉煤灰将成为稀有金属元素潜在来源。本研究选取电厂粉煤灰为研究对象,深入研究了粉煤灰的物化特性,对焙烧活化和浸出体系进行热力学平衡模拟计算,研究分离富集过程,探讨各种因素对活化和浸出效果的影响机制,阐明了强化处理过程中稀有金属元素的赋存物相转变和迁移机理。电厂粉煤灰中富集Li、Ga、Zr、Nb、Hf、Ta和REY,Be、Rb、Ge、Cs则表现为亏损。根据粉煤灰筛分和磁性分级实验,金属组分主要分布在细颗粒中。Li、Be、Ga、Zr、Nb、Hf、Ta、Rb、Ge、Cs和REY在非磁性组分中较为富集。逐级化学提取实验表明,元素Li、Rb、Ge、Cs在玻璃相和莫来石-石英相的含量相差不大,Rb、Ge、Cs在玻璃相中的含量大于莫来石-石英相。稀土元素主要赋存于玻璃相中。Be、Ga、Zr、Nb、Hf、Ta则主要赋存于莫来石-石英相。因此,对莫来石-石英相的破坏是分离回收稀有金属元素的关键。为了弄清粉煤灰焙烧过程稀有金属的物相转化特征,开展了焙烧活化过程热力学模拟计算研究,选取Na2CO3和Na OH为焙烧添加剂,利用HSC chemistry 10.0软件进行了不同添加剂和焙烧温度下的热力学平衡组分计算。模拟计算结果表明,稀有金属元素从莫来石-石英相和玻璃相结构中释放,形成各种硅酸盐化合物、氧化物等。Na OH焙烧时物相转变温度低,产物更简单。同时,对浸出液中各稀贵金属离子存在形态进行了模拟计算,大部分元素的形态在酸性范围时主要为三价阳离子存在,溶液呈碱性易形成氢氧化物沉淀,而Ta、Zr、Hf等在p H 0-14范围内主要以氧化物形式存在,非常稳定。焙烧-浸出实验研究表明,Na2CO3助剂的最佳焙烧-浸出条件为:焙烧温度900℃,Na2CO3添加量60%,焙烧时间60 min,浸出温度90℃,盐酸浓度4 mol/L,液固比20:1 ml/g,浸出时间120 min。Li浸出率达到97.1%,Ga 98.7%,Rb 78.4%,,Cs 27.6%,REY浸出率达到83.4%。Na OH助剂的最佳焙烧-浸出条件:焙烧温度600℃,Na OH添加量60%,焙烧时间60 min,浸出温度150℃,盐酸浓度4 mol/L,液固比20:1 ml/g,浸出时间120 min。Li浸出率达到80.0%,Ga 80.1%,Rb 69.1%,Cs 48.6%,REY浸出率达到74.1%。两种助剂加入对粉煤灰中Zr、Nb、Hf、Ta等元素浸出率影响不大,其主要赋存物相如Ca2Zr Si3O12、Hf O2、KTa O3等均不溶于水或与盐酸反应。因此,焙烧过程稀有金属物相会发生复杂的熔融反应,Na OH作为助剂的优点在于焙烧温度低、形成的物相较简单,但Na2CO3的加入更有利于稀有金属的浸出,这可能与Na2CO3高温分解形成Na2O和CO2后粉煤灰颗粒表面孔隙增加利于浸出,需要进一步研究颗粒焙烧过程表面反应机制,以及浸出过程机理。本研究通过稀有金属元素富集、赋存及其分离提取进行了实验研究,并开展了焙烧-酸浸过程中稀有金属元素的物相模拟计算,对于从粉煤灰中提取稀有金属的高值化利用途径提供了新的理论认识,有助于提高粉煤灰固废资源的高附加值利用率。