IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry) 將 稀 土 元 素
（rare-earth elements，REE），又名稀土金屬（rare-earth metals，REM），定義為週 期表元素中的鈧（scandium）、釔（yttrium）兩元素以及第三族鑭系金屬（lanthanide）
共17 種化學元素的總稱，由於鈧與釔兩元素往往與鑭系元素同時出現在相同的礦 石中，並且有著相似的性質，因此也被歸類於稀土金屬的範疇中。稀土元素因具 有特殊的物理及化學性質、電化學性質、磁性及發光特性，通常加入少量的稀土 元素時能夠提高產品穩定性，已廣泛運用在化工、磁鐵、冶金術、核能、雷射物 質以及二次電池等等[1,2]。
在17 種稀土金屬中，大致上又可以區分為原子序較小的鈧(Sn)、釔(Y)、鑭(La)、
鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉕(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)共 9 種為「輕稀土元素(light rare earths，LREM)」以及原子序較大的釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥 (Ho)、鉺(Er)、
銩(Tm)、鐿(Yb)、鎦(Lu)共 8 種為「重稀土元素(light rare earths，HREM)」，通常 重稀土金屬較不常見，因此價值較高[3,4]。雖命名為稀土金屬，其實某些元素在地 殼中含量相當高，例如輕稀土金屬中的鈰（cerium）居第 25 位，佔 0.0068%，其 總含量約佔地殼中金屬元素的五分之一。目前的稀土金屬主要由中國大陸外銷，
超過95%(見 Fig.1-1)，因此這樣的寡佔市場必定會因為政策而影響其價格。中國 大陸於1980 年代起開始經濟改革開放，獎勵各項出口，因此，稀土金屬出口量大 幅上升。但到了2010 年，中國大陸由於稀土政策大轉變，稀土出口配額降低許多，
因此對於稀土金屬的價格也上升不少[3-5]。為了對抗稀土金屬的供給不穩定以及 龐大價格波動，因此在大量使用稀土金屬的國家中，建立稀土金屬分離與回收技 術已成為致力的研究目標。
Fig.1-1 World map highlighting China as the largest supplier of REMs [2]
最早使用的拋光材料是紅粉(Fe2O3)，但由於其易產生鐵鏽對環境造成汙染，
且拋光速度慢，現在已改由稀土氧化物作為玻璃拋光。稀土拋光粉由於其顆粒大 小均勻、硬度適中、拋光效率高且對於環境污染小等優點，已經廣泛應用在光電 產業或者平板玻璃產業的拋光。稀土拋光粉內，主要成分「鈰」，由於其晶粒形狀 均勻、高化學活性、具高硬度及高密度等性質，有著拋光時間短、切削能力強、
拋光精度等優點，更有著「拋光粉之王」的稱呼。拋光粉主要可由氧化鈰含量高 低大致可分為兩大類，一類為價值較高，總鈰含量佔 80％以上的高鈰拋光粉，另 一類則是價值較低，總鈰含量大約僅有50％的的低鈰拋光粉(其餘由氧化鑭、氧化 釹、氧化鐠等組成)。通常利用濕式法分離時，由於拋光粉內的鑭、鈰兩性質太過 相近，造成分離上的困難，再加上低鈰拋光粉除了壽命較短，其餘拋光性質與高 鈰拋光粉相差不大，因此常常以鑭鈰混合狀態直接作為其他稀土金屬的原料[6-11]。
但是，拋光粉內的鑭元素常用於催化劑、玻璃添加劑、藥物治療等等，再加上鑭、
鈰的售價曾高達每公斤 150000 元新台幣及每公斤 3750 元新台幣，足見鑭元素之 高附加價值，縱使在鑭鈰分離上有極大的困難，但許多學者已開始對鑭鈰金屬元 素的分離進行研究，多數的人僅限於使用萃取的方式進行純化，需要多步驟才能 將兩者分離，操作上不但需要花費時間，且需要使用大量萃取劑，成本較高，因
此本研究致力於利用具分散反萃取相支撐式液膜技術搭配氧化及沉澱技術，簡易 相支撐式液膜」（supported liquid membrane with dispersion phase）技術，不但有萃 取與反萃取可同時進行的優點，且將進料相的另一端通入大量萃取劑，而將反萃 取液打成小型液滴的形式，均勻的分散在萃取劑溶液中，並於於膜相兩端施予壓
力差，即使膜孔內的萃取劑有流失也能馬上補充，解決傳統支撐式液膜萃取劑流 失的問題。再者，由於反萃取以小型液滴的形式存在於萃取液中，大大提高了接 觸面積而使反萃取速率提高。因此，本研究目標主要採用具分散反萃取相支撐式 液膜的技術，並搭配氧化技術及沉澱技術，進行分離低鈰拋光粉廢液中的稀土金 屬離子，以得到價值較高的高濃度鑭溶液。
拋光粉廢液中主要成分有三價鑭、三價鈰及四價鈰，還有其餘不純物質如鐠、
釹及鎵等物質，若使用具分散反萃取相支撐式液膜能有效將高價值鑭離子自拋光 粉中提取出來，就能夠達成實驗目標，但由於鑭離子本身離子半徑較大，在操作 過程中會最後才被萃取至油相中，在操作上不易。因此，本實驗提出另一種得到 純鑭溶液的想法則是利用將所有不純物由進料端溶液移除，以在進料端溶液得到 純鑭液體，再經由鑭離子回收，以得到高純度的濃縮鑭溶液。除了以具分散反萃 取液膜移除離子之外，利用離子間的溶解度積(Ksp)的差距也可將離子以調控 pH 值 沉澱。其中，由於四價鈰離子電荷較高，利用具分散反萃取相支撐式液膜法易與 萃取劑先結合進入至油相中；而在沉澱法中，四價鈰離子Ksp較低，也容易先與氫 氧基結合產生沉澱。因此首要目標是先將易移除的四價鈰離子移除，主要希望能 建立一套移除四價鈰離的具分散反萃取相支撐式液膜條件以及四價鈰離子沉澱條 件，在此條件下更希望能將其餘不純物移除，如Fig.1-2 及 Fig.1-3。將四價鈰離子 移除後，因三價鑭及三價鈰離子的離子半徑相似，造成分離上不易，利用沉澱法 無法有效將其沉澱分離，因此採用具分散反萃取相支撐式液膜將兩者分離。另一 方面，若將三價鈰離子成功氧化為四價鈰離子，在分離上會更為容易。
Fig.1-2 Remove metal ions by supported liquid membrane with strip dispersion
Fig.1-3 Precipitation of metal ions by pH adjusting
藉由以上的分析評估，主要對於實驗的構想圖如Fig.1-4，提出四條路徑，路 徑一及三先分別以具分散反萃取相支撐式液膜法與沉澱法的方式移除四價鈰離子，
再經由具分散反萃取相支撐式液膜法將三價鈰離子移除。路徑二及四則為先經由 氧化法將三價鈰離子氧化為四價鈰離子，再利用液膜法及沉澱法進行四價鈰離子 的移除，最後再對四種路徑做綜合評估。
Fig.1-4 Experimental scheme