月球礦產(chǎn)資源及其原位選礦技術(shù)研究進(jìn)展

范琳琳，童雄,2,3，劉洋，溫小韻，胡澤偉

1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；

2.金屬礦尾礦資源綠色綜合利用國家地方聯(lián)合工程研究中心，云南 昆明 650093；

3.省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，云南 昆明 650093

引言

月球是距離地球最近的天體，蘊藏了太陽系起源和演化的無窮奧秘，也是人類走向深遠(yuǎn)空間的前哨站和試驗場[1]。人類自1959 年就對月球展開了探索，到1969 年，美國阿波羅11 號首次實現(xiàn)了人類登月，并帶回了一些月球表面的巖石樣本。此后，先后有6 個探測器和12 名宇航員登上月球，382 kg 月球巖石和土壤樣品被帶回地球。通過檢測發(fā)現(xiàn)，這些樣品中含有豐富的(Fe)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鋁(Al)等金屬元素，還含有釷(Th)、鈾(U)和氦(He)等稀有元素[2-3]，可作為礦產(chǎn)資源進(jìn)行開發(fā)利用。

隨著人類對月球探索的不斷深入，開發(fā)利用月球礦產(chǎn)資源將其用于月球基地建設(shè)和后續(xù)太空探索已成為新期望和新課題。將月球上的礦產(chǎn)資源運回地球進(jìn)行加工和利用理論上是可行的，但運輸成本過高，月球礦產(chǎn)資源原位利用乃是最經(jīng)濟(jì)合適的方式。資源原位利用(ISRU)技術(shù)是指從月球表面土壤和大氣中提取金屬元素、水或其他資源，就地用于月球基地的開發(fā)建設(shè)[4-5]。要實現(xiàn)月球礦產(chǎn)資源原位高效利用，必須基于月球環(huán)境（低重力、超低溫、低氧、少水），研究探索合適的選礦技術(shù)[5-6]。選礦（礦物加工）是用物理、化學(xué)、生物等方法對天然礦物資源進(jìn)行加工以獲取有用物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)，其包括分離、富集、提純、提取、深加工等。本文擬在國內(nèi)外已探測的月球礦產(chǎn)資源類型及分布情況的基礎(chǔ)上，研究分析月球原位選礦的難點，總結(jié)月球選礦技術(shù)探索研究情況，對今后月球選礦技術(shù)進(jìn)行展望，希望能為未來月球礦產(chǎn)資源的原位開發(fā)提供參考。

1 月球礦產(chǎn)資源

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造類型，月球表面被劃分為兩個主要的地質(zhì)單元：月球高地和月海[7]。月球高地和月海表面覆蓋著一層由撞擊作用和太空風(fēng)化作用形成的風(fēng)化層，其主要由礦物和巖石碎屑、熔融玻璃、黏結(jié)集塊巖組成[8]。根據(jù)成分特征與成因，可將月球高地、月海和月球風(fēng)化層的巖石分為三大類：月海玄武巖、KREEP巖和高地巖石[9]。

在地球上，礦產(chǎn)資源是指通過地質(zhì)作用形成的、具有利用價值的、呈固、液、氣三態(tài)的自然資源[9]。月球礦產(chǎn)資源是指位于月球表面或地下的各種礦物質(zhì)和化學(xué)元素。月球的礦產(chǎn)資源主要賦存于月球表面的玄武巖、高地巖石（斜長巖）、KREEP 巖和風(fēng)化層中[8]。月球礦產(chǎn)資源可分為有用氣體元素、水冰型礦產(chǎn)資源、金屬礦產(chǎn)資源和非金屬礦產(chǎn)資源[10]。

1.1 月球的有用氣體元素

月球作為太陽風(fēng)的粒子收集器，長期接受太陽的照射，月球風(fēng)化層中注入了大量的揮發(fā)性元素和同位素，如有用氣體元素氫(H)、氦-3(3He)、碳(C)和氮(N)[4]。據(jù)估算，月壤中的稀有氣體(氦、氖、氬等)含量高達(dá)0.98～1.27 cm3/g[11]。Rasera 等[12]對阿波羅號和月球號任務(wù)帶回的樣本以及月球軌道飛行器收集的遙感數(shù)據(jù)的分析表明，月球富含氫(H)和氦-3(3He)，但碳(C)和氮(N)含量相對較少。

由太陽風(fēng)注入月球風(fēng)化層中的氦-3(3He)是最有價值的資源之一，它是一種可長期使用的清潔、安全和高效的未來新能源，可以作為核聚變的材料，并且?guī)缀鯖]有輻射[13]。由于月球本身沒有磁場，所以氦-3(3He)能在月球穩(wěn)定存在，而地球因磁場作用使氦-3(3He)沿著地球磁力線慢慢擴(kuò)散，最終消失于大氣層中。月球上豐富的氦-3(3He)資源賦存于月壤的礦物和玻璃中，由于鈦鐵礦是一種緊密排列的六邊形晶體結(jié)構(gòu)礦物，其孔洞尺寸與氦-3(3He)原子的尺寸基本相同，所以氦-3(3He)資源集中賦存于富鈦鐵礦的月壤中。Fa 等[14]基于氦-3(3He)地表分布、月球表面數(shù)字高程圖（DEM）經(jīng)驗構(gòu)建的風(fēng)化層厚度以及3He 深度的指數(shù)剖面，估算出全月球氦-3(3He)庫存量約為6.50×108kg，其中月球近側(cè)約為3.72×108kg，遠(yuǎn)側(cè)約為2.78×108kg，并繪制了月球表面每1 m2風(fēng)化層中氦-3(3He)的總量圖（圖1）。月球上氦-3(3He)儲量可滿足地球的上萬年能源需求，開發(fā)利用月球風(fēng)化層中的氦-3(3He)對地球能源的可持續(xù)性發(fā)展至關(guān)重要。

圖1 月球表面每1 m2 風(fēng)化層中3He 的總量(10-9/m2)[14]:(a)近側(cè)，(b)遠(yuǎn)側(cè)Fig.1 Total amount of 3He per 1 m2 of the regolith (ppb/m2) over lunar surface: (a) nearside, (b) farside

1.2 水冰型礦產(chǎn)資源

水冰型礦產(chǎn)資源指的是月球極地永久陰影區(qū)富含水冰的月壤型礦床，主要可利用資源是水[8]。月球兩極永久陰影區(qū)由于長期缺乏太陽照射，溫度基本維持在-233 ℃左右，因此，在此區(qū)域沉積了大量的冰水混合物，月球兩極永久陰影區(qū)也被認(rèn)為是目前月球水含量最為豐富的區(qū)域[15]。據(jù)探測數(shù)據(jù)估算，月球極地永久陰影區(qū)月壤中水冰含量可達(dá)（5.6 ± 2.9）%，水冰資源儲量十分可觀[15-17]。

Paul 等[18]利用月球勘測軌道器的表面溫度測量和紫外線反照率光譜探測得到，月球極地永久陰影區(qū)的水冰與干風(fēng)土密切混合存在時，其在月壤中的含量大約在0.1%～2%；水冰以純水冰的形式存在時，其在月壤中最高含量能達(dá)10%。高楠等人[8]基于月球極地永久陰影區(qū)水冰資源勘查的中子譜儀H 元素數(shù)據(jù)，繪制了月球南北極區(qū)的水冰豐度圖，如圖2 所示。

圖2 月球極區(qū)水冰物質(zhì)含量分布(左：北極，右：南極)[8]Fig.2 Distribution of water-ice within lunar poles (left: north pole; right: south pole)

1.3 月球的金屬礦產(chǎn)資源

月球上的金屬礦產(chǎn)資源主要包括黑色金屬、稀有/稀散金屬及有色金屬礦產(chǎn)資源，其種類及用途如表1所示[8]。

表1 月球金屬資源礦產(chǎn)種類及其用途[8]Table 1 Types and application of lunar metal resources and minerals

1.4 月球的非金屬資源礦產(chǎn)

月球的非金屬礦產(chǎn)資源指的是不包括金屬元素的礦物質(zhì)和化合物。由于月球水含量極低，且不具有發(fā)育變質(zhì)作用，使其無法形成絕大多數(shù)地球上常見的非金屬資源[9]。通過人類的探測任務(wù)和樣本分析，發(fā)現(xiàn)月球上的非金屬礦產(chǎn)資源主要為硅(Si)和磷(P)[8]。

月球上硅(Si)元素儲量十分豐富，通過對月球的遙感探測以及采樣返回分析，月壤中硅元素占20%[19]。斜長巖約占月球表面巖石的60%，硅(Si)主要賦存于斜長巖的鈣長石中，推測品位約為70%[20]，實現(xiàn)巖石中硅(Si)的提取可以滿足未來工業(yè)化生產(chǎn)太陽能電池板以及電子材料的需求[21]。

月球上的磷(P)元素主要賦存于磷灰石、隕磷鈣鈉石中，推測品位約為10%[8]。

2 月球選礦影響因素

選礦是根據(jù)物料的粒度、密度、電導(dǎo)率、磁性和表面化學(xué)特性等性質(zhì)，將其分離與富集的過程[22]。目前的選礦技術(shù)都是基于地球環(huán)境進(jìn)行設(shè)計的，月球的重力和地表溫度等因素較地球而言有很大不同，將目前的選礦技術(shù)應(yīng)用于月球選礦中還需要大量的探索研究。在過去的60 年里，科技人員對從月球礦產(chǎn)資源中提取有用成分進(jìn)行了大量研究工作[4]。要開發(fā)在月球上能使用的選礦工藝和設(shè)備，需要將地球環(huán)境和月球環(huán)境進(jìn)行對比，找出月球選礦的主要難點，進(jìn)行針對性研究。表2 總結(jié)了地球和月球之間的主要差異指標(biāo)，分析了這些差異會對月球選礦造成的影響。

表2 地球和月球?qū)ΦV物加工環(huán)境影響的比較[4,23-24]Table 2 Comparison of the environmental effects of the earth versus lunaron processing

2.1 重力加速度

目前的選礦技術(shù)，都是基于地球重力場進(jìn)行的。根據(jù)觀測到的數(shù)據(jù)和萬有引力公式進(jìn)行估算，月球的重力約為地球重力的1/6。將選礦技術(shù)應(yīng)用到月球上，月球重力可能會對選礦過程中的磨礦、重力選礦、浮選等造成一定影響。重力選礦主要就是借助重力對不同密度的礦粒進(jìn)行分離的方法[25]，低重力條件下，礦物顆粒沉降會受到影響。假設(shè)某礦粒分別在月球和地球的同一介質(zhì)中進(jìn)行自由沉降（不考慮月球溫度對介質(zhì)黏度的影響），其重力Fg、浮力Fb、阻力Fd的計算公式為[26]：

式中:m為顆粒的質(zhì)量，g;g為重力加速度，m/s2;dp為顆粒的粒度，mm;ρp為顆粒的密度，g/cm3;ρ為介質(zhì)的密 度，g/cm3;ζ為 阻力系數(shù)，（這里ut為顆粒的自由沉降末速，mm/s;μ為介質(zhì)的運動黏性系數(shù));u是顆粒的自由沉降速度，mm/s;Ap為顆粒垂直沉降方向上的投影面積，

礦物顆粒自由沉降末速度計算式為：

將月球和地球重力加速度帶入(4)式，月球上的自由沉降末速度約為地球上的2/5，沉降速度較慢，不利于礦物分選，為了提高分選效率，建議引入離心場。

在磨礦時，礦物物料及研磨介質(zhì)在研磨過程中的運動方式有拋落式、泄落式和離心式三種[27-28]。這三種運動狀態(tài)受到重力加速度作用，月球重力加速度相對于地球較小，地球上適用的磨機在月球可能需要大量技改。如一個直徑10 m 的球磨機在月球上需要增加到直徑為60 m 才能產(chǎn)生同等的效率[29]。

在篩分時，礦粒通過本身的重力和篩網(wǎng)的振動來進(jìn)行粒度分級[30]。月球重力加速度較小，礦物在月球上重力減小，篩分時微細(xì)礦粒會向上漂浮，影響礦粒分級效果。

在干式磁選時，礦物顆粒進(jìn)入磁選機的分選腔內(nèi)，磁性礦物顆粒因受到磁力的作用會吸附于磁輥表面被帶到無極區(qū)卸下，非磁性礦物顆粒在機械合力（包括離心力、重力、介質(zhì)阻力和摩擦力等）作用下落入非磁性礦粒出口，使得磁性礦物顆粒從中分選出來[31]。磁性和非磁性礦粒在落入分選區(qū)時都受到重力的影響，月球重力較低，會致使部分細(xì)小礦粒漂浮，難以落入到預(yù)定分選區(qū)域，影響選別效果。

靜電分選是利用礦物摩擦特性、導(dǎo)電特性、介電常數(shù)差異，使其在電場中受到不同的靜電力、重力和離心力等作用力，從而在電場中擁有不同的運動軌跡，來實現(xiàn)礦物分選的一種物理選礦方法[32]。電選過程中，重力和離心力都是作為礦物顆粒落入分選區(qū)的脫落力存在，月球低重力環(huán)境可能會改變部分礦粒運動狀態(tài)，將電選應(yīng)用于月球礦物選別可以通過增大離心力來減少重力對電選過程的影響，提高分選效果。

2.2 平均地表溫度

月球表面與地球表面的熱環(huán)境顯著不同，月球表面幾乎沒有大氣層，與外層空間的熱交換通過輻射進(jìn)行，再加上月球自轉(zhuǎn)周期較長（約為29 個地球日），所以月球表面晝夜溫差極大[33]。月球上緯度不同，溫度差異也較大，月球赤道平均溫度為114～124 ℃，兩極平均溫度為-223～-73 ℃[34]。

月球的極端高溫和極端低溫環(huán)境會對選礦藥劑造成不利影響，溫度過高會使選礦藥劑揮發(fā)，溫度過低會使選礦藥劑凍結(jié)，達(dá)不到預(yù)期選別效果。選礦藥劑在月球上的儲存較為困難，再加上月球可用水源匱乏，浮選在月球礦產(chǎn)選別中難以應(yīng)用，干式磁選、電選和光電選礦等干式選礦在月球礦物選別中具有重大應(yīng)用前景，但需要注意的是，月表溫差大會降低選礦設(shè)備的強度，這就要求選礦設(shè)備材料有較強的耐高溫和耐低溫性能，使其機械結(jié)構(gòu)能夠在較大的溫度梯度內(nèi)運行，或者可以利用導(dǎo)熱物質(zhì)，如熱管和冷卻劑，連接到散熱器，以管理熱量積聚[4]。

2.3 人類活動

地球大氣中的含氧量約為21%，能夠維持人類的正常生命活動。與地球不同，月球的大氣層極其稀薄，主要由惰性氣體組成[35]，人類需要借助供氧設(shè)備才能在月球生存。月球表面溫度較為極端，并不適合人類長時間活動。目前選礦技術(shù)自動化程度較低，許多選礦設(shè)備還需要人為進(jìn)行調(diào)控，人類在月球活動受限會影響到礦石選別效果。研發(fā)在月球上使用的選礦技術(shù)應(yīng)往模塊化和高自動化方向靠攏，以便于選礦設(shè)備的維修和運行。

2.4 水資源

目前已有確切證據(jù)表明，月球樣本中存在水，月球兩極存在水冰[36]。由于月球環(huán)境特殊，目前從月球獲取水資源仍存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)[37]。地球上的大部分選礦技術(shù)，如磨礦、浮選、重選和濕式磁選要用到大量的水，而月球可用水資源匱乏，在月球?qū)ΦV物進(jìn)行濕式選別是十分困難的，需要開發(fā)新的干法選礦技術(shù)[12]。

2.5 月塵

月球塵埃（簡稱月塵）是月壤中廣泛分布的易于遷移的細(xì)小塵埃顆粒（粒徑小于20 μm），是由星際微流星體對月球表面的超高速撞擊產(chǎn)生的[38-39]。在太陽電磁輻射、太陽風(fēng)等離子體和地球磁層尾部等離子體的影響下，月球表面被照亮部分帶電。在與太陽輻射相互作用后，由于光電效應(yīng)，月球表面出現(xiàn)一層光電子。當(dāng)懸浮在月球表面的塵埃粒子與太陽電磁輻射相互作用時，會發(fā)射出額外的光電子。位于月球表面或近表層的塵埃粒子吸收光電子、太陽輻射的光子、太陽風(fēng)的電子和離子，以及(如果月球位于地球磁層尾部)磁層等離子體的電子和離子。所有這些過程都促進(jìn)了塵埃粒子的帶電，它們與帶電的月球表面相互作用，形成月塵的懸浮[40]。月球塵埃具有很強的磨蝕性，由于其玻璃狀的成分、細(xì)小的尺寸和大的表面積與體積比，極容易形成靜電電荷[41]。

由于月塵懸浮并帶有靜電荷，使其極易附著于物體表面。月塵覆蓋在選礦設(shè)備表面可能會誘發(fā)設(shè)備局部過熱、機械結(jié)構(gòu)卡死、密封失效、材料磨損等一系列問題。不僅如此，月塵還會對人體的健康造成威脅，導(dǎo)致人類產(chǎn)生咳嗽、流淚、打噴嚏等過敏反應(yīng)癥狀，嚴(yán)重時可引起人類呼吸困難，長期吸入月塵易誘發(fā)各種呼吸道、內(nèi)臟器官的癌變[38]。由于月球缺乏環(huán)境大氣，粉塵管理十分困難。

3 月球原位選礦技術(shù)探索

現(xiàn)有的選礦技術(shù)并不適用于月球低重力加速度、極端溫度、可用水資源匱乏、塵埃懸浮的環(huán)境，再加上目前選礦技術(shù)自動化程度較低，月球表面人類活動受限，使在月球上開展選礦工作非常困難。針對以上難點，需要對月球選礦技術(shù)展開一系列的探索。如低能耗提取、離心分級、靜電分選和干式磁選。由于水冰型礦產(chǎn)資源的主要利用資源是水，所以該類型礦床不需要分選富集[8]。

月球鈦鐵礦含量十分豐富，可開發(fā)利用的鈦鐵礦(FeTiO3)的總資源量約為1.5×107億t[11]，且大部分氦-3(3He)資源都賦存于鈦鐵礦中，目前選礦研究大多都是圍繞鈦鐵礦進(jìn)行的。

3.1 低能耗提取

氦-3(3He)本身屬于揮發(fā)性元素，對月壤進(jìn)行高溫加熱至600 ℃左右就可將其中90%以上的氦釋放出來，然后再通過低溫分離就可以獲得氦-3(3He)。國內(nèi)外常見的氦-3(3He)提取方式是通過高溫加熱爐、直接聚焦太陽光或微波加熱月壤來實現(xiàn)[42]。高溫加熱提取相當(dāng)耗能，對月球氦-3(3He)資源原位開發(fā)利用是難以承擔(dān)的重負(fù)，難以在月球上大規(guī)模推廣應(yīng)用，需要研發(fā)新的低能耗提取技術(shù)。

蘇菲等[43]人發(fā)明了一種低能耗月球原位稀有氣體提取系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括篩選、研磨和加熱裝置。研磨裝置又包括殼體、錘體、電磁驅(qū)動系統(tǒng)、進(jìn)料口、和出料口。該系統(tǒng)工作時機械臂將月壤采回并投入篩選裝置中，篩選出粒徑100 μm 以下的月壤。然后將篩選出的月壤樣品在真空條件下利用研磨裝置內(nèi)的電磁線圈產(chǎn)生磁場，使錘體往復(fù)運動對月壤進(jìn)行研磨，研磨后的月壤送入加熱裝置，加熱至150～250 ℃，釋放出吸附在礦石內(nèi)的稀有氣體。該系統(tǒng)提取功耗僅為現(xiàn)有技術(shù)中900 ℃熱熔提取功耗的10%～30%，能對月球的氦-3(3He)資源進(jìn)行有效提取并減少能耗。

李健楠等人[42]發(fā)明了一種提取月球氦-3(3He)資源的地面試驗裝置，該裝置由主要由磨蝕坩堝、磨蝕杵、調(diào)節(jié)組件和U 形導(dǎo)出管構(gòu)成。磨蝕坩堝和磨蝕杵位于真空腔室內(nèi)，以模擬月球真空環(huán)境；驅(qū)動器利用磁流體與磨蝕杵相連，保證真空腔室內(nèi)的真空度。該裝置工作時是將待處理樣品放入磨蝕坩堝內(nèi)，用調(diào)節(jié)組件對磨蝕杵深入磨蝕坩堝內(nèi)的深度進(jìn)行調(diào)節(jié)，驅(qū)動器再帶動磨蝕杵轉(zhuǎn)動對樣品進(jìn)行摩擦釋放氦氣，釋放后的氦氣再由導(dǎo)出管輸出。該裝置無需高溫加熱或徹底粉碎待處理樣品即可完成氦-3(3He)資源提取，能有效減少能耗。

氦-3(3He)的低能耗提取相較于現(xiàn)有的高溫加熱提取方式，具有能耗低、提取工藝簡單、資源利用率高和裝置適應(yīng)性好的特點，但月球上存在許多高能帶電粒子，可能會對保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的磁性材料產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備性能降低，需要對高能帶電粒子如何影響磁性材料進(jìn)行模擬研究，找出解決措施，以保證設(shè)備在月球上能正常運轉(zhuǎn)，對氦-3(3He)資源進(jìn)行高效利用。

3.2 離心篩分

月球選礦篩分設(shè)備利用離心力作為主力，結(jié)合剪切流和振動運動對礦物顆粒進(jìn)行不過分依賴于重力的粒度分級。

Dreyer 等[30]研究了一種離心篩分選礦機，它是在離心力、剪切流和振動運動的作用下，利用固體顆粒的自然流動進(jìn)行分層。篩分示意圖如圖3 所示，物料從右側(cè)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的圓柱形篩網(wǎng)，篩網(wǎng)內(nèi)的螺旋/螺桿以稍大的速度旋轉(zhuǎn)，剪切物料床并將其移動到輸出端；在離心力的作用下，細(xì)粉被迫通過篩網(wǎng)，粗料被移動到末端并離開篩網(wǎng)。Dreyer 等以篩速188 r/min 和螺旋鉆/刷轉(zhuǎn)速大于60 r/min 的速度對月球風(fēng)化層模擬物JSC-1A 進(jìn)行了離心篩分，從中分離出了粗粒中的過細(xì)物料，實驗表明利用離心力作為動力能使礦物顆粒進(jìn)行不依賴于重力水平的粒度分級。

圖3 離心篩分示意圖[30]Fig.3 Schematic of centrifugal sieve concept

Mitchell 等[44]研發(fā)了一種3D 打印錐形離心機系統(tǒng)，如圖4 所示，該系統(tǒng)由三個核心模塊組成：控制模塊、分離模塊和收集模塊，控制模塊用于控制分離過程中錐體的角速度，由步進(jìn)電機、步進(jìn)電機驅(qū)動器和控制器組成；分離模塊由錐體、角度調(diào)節(jié)器和底盤組成；收集模塊包括一個顆粒收集器和收集管。錐形離心機分選過程為礦物顆?；旌衔锉蛔⑷氲揭粋€具有紋理表面的旋轉(zhuǎn)金屬錐上，由于較大和較小的微粒在重力、離心力和摩擦力的聯(lián)合作用下呈現(xiàn)不同的軌跡,它們在離開金屬錐表面后會落入不同分選區(qū)域，以達(dá)到礦物顆粒分離效果。Mitchell 等對設(shè)備的錐體直徑、錐體角度、軸傾角等進(jìn)行了對比研究并利用該設(shè)備對由重晶石、方解石、石英組成的細(xì)顆粒礦物進(jìn)行了分離實驗研究，篩分后的細(xì)顆粒礦物濃度、實驗回收率和理論回收率的峰值分別為74.2%、53.5%和45.6%。實驗回收率和理論回收率相差較大是因為礦粒受到錐體表面粗糙度和錐面角度的影響，使微粒附著在錐面上。該系統(tǒng)對月球礦物顆粒有一定分選效果，設(shè)備還可以通過熔融沉積建模(FDM)三維(3D)打印在月球表面的低重力條件下制造，具有巨大應(yīng)用前景。

圖4 3D 打印圓錐離心機系統(tǒng)設(shè)計圖[44]：(a)系統(tǒng)的三個主要模塊；(b)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分；(c)圓錐離心機系統(tǒng)的組裝圖Fig.4 Design of the conical centrifuge system.(a) Three main modules of the system.(b) Key components of the system.(c) Assembled view of the conical centrifuge system

離心篩分用離心力代替重力對不同大小的礦粒實現(xiàn)了有效分選，但出料還是由重力驅(qū)動，所以在月球低重力條件下出料速度較慢，需要在礦物出料口處做優(yōu)化設(shè)計，如添加增壓裝置來保證正常排料速度。

3.3 靜電分選

月球風(fēng)化層的導(dǎo)電性和介電損耗很低，其中不同的礦物也具有明顯不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)，再加上月球環(huán)境中缺乏使顆粒黏在一起的水分，不同的礦物顆粒之間分散且具有不同的電荷量和極性，從而可以被分離出來，使其適合靜電分選[45-46]。

通過靜電力對月球礦物進(jìn)行選別的技術(shù)主要有三種：滑動分離器的導(dǎo)電感應(yīng)、平行板分離器的摩擦充電和靜電行波。滑動分離器的導(dǎo)電感應(yīng)除了Agosto在1983-1985 年做過研究外，后續(xù)研究較少。

3.3.1 平行板分離器的摩擦充電

平行板分離器的摩擦充電是一種不需要水的干燥分離方法，通過使用滑動板分離器和高壓電極對顆粒進(jìn)行感應(yīng)充電來實現(xiàn)。原理是，風(fēng)化層內(nèi)的不同礦物顆粒通過與不同成分的材料接觸而產(chǎn)生摩擦荷電，這些帶電粒子根據(jù)它們的電荷質(zhì)量比(Q/M)在電場中進(jìn)行靜電分離[47-49]。

Li 等[49]采用帶有銅摩擦增壓器的氣動垂直平行板分離器對直徑為200～140 目(75～106 μm)的鈦鐵礦與其他礦物（鈉長石、輝石、鎂橄欖石、石英）的二元混合物、三元混合物和定制風(fēng)化層模擬物進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明，對于鈦鐵礦和鎂橄欖石的混合物，鈦鐵礦應(yīng)帶負(fù)電，而鎂橄欖石帶正電；對于鈦鐵礦與其他礦物的二元混合物，鈦鐵礦應(yīng)帶正電，其他礦物帶負(fù)電；對于具有兩種以上組分的混合物，電荷極性由電荷量和功函數(shù)的相對差異控制。通過使用摩擦靜電分離技術(shù)，可以在這五種混合物中富集鈦鐵礦和其他礦物。

Trigwell 在2006-2012 年間對平行板分離器的摩擦充電分選月球礦物做了大量研究，并對使用的設(shè)備進(jìn)行不斷改進(jìn)，從一開始的氣動驅(qū)動的板分離器到目前的自由落體摩擦電分離器[45-47]。Trigwell 等[50]用自由落體摩擦電分離器（如圖5 所示）對月礦混合物（長石、鋰輝石、橄欖石、鈦鐵礦按質(zhì)量比4∶4∶1∶1 組成）、月球模擬礦JSC-1A(50～75 μm 粒度)、月球模擬礦NU-LHT-2M(添加5%質(zhì)量的鈦鐵礦)、阿波羅14 號樣品14163 和阿波羅17 號樣品77051 進(jìn)行了摩擦帶電靜電選礦實驗，并通過X 射線光電子能譜(XPS)分析其組成，發(fā)現(xiàn)分選后的樣品中的Fe 和Ti 含量明顯升高，實驗結(jié)果表明，摩擦靜電分選對這些樣品中鈦鐵礦有一定程度的富集效果，并表明摩擦靜電選礦最佳分選粒度約為50～100 μm。

圖5 自由落體式摩擦電分離器[50]Fig.5 Free-fall triboelectric separator

Quinn 等[46]對Trigwell 使用的設(shè)備進(jìn)行了礦物電荷積累和偏轉(zhuǎn)優(yōu)化，對NU-LHT-2M 月球模擬礦（以純礦物鈦鐵礦、橄欖石、鋰輝石和長石混合組成）進(jìn)行了兩次失重飛行(RGF)實驗，旨在測試月球引力的影響以及靜電場強度對分離器功效的影響。第一次飛行對電極施加了±8、±10 和±12 kV 電壓，實驗后鈦鐵礦的富集度高達(dá)60.3%，回收率為69.4%。第二次對電極施加了±13、±15 和±20 kV 電壓對修改后的模擬物(添加10%鈦鐵礦)進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)鈦鐵礦在一次通過后最多可富集10.6 百分點（約10%到20.6%)，回收率23.9%。第二次實驗回收率降低可能是因為在電荷質(zhì)量比最小的粒子上仍能感受到地球重力的影響，導(dǎo)致足夠數(shù)量的顆粒根據(jù)重力方向下落到其他收集箱，沒有下落到靜電分選的收集箱中。通過兩次RGF實驗，表明更高的電壓會導(dǎo)致更高品位的鈦鐵礦，實驗表明摩擦充電與自由落體平行板分離器相結(jié)合有助于鈦鐵礦的富集。

目前模擬實驗數(shù)據(jù)表明，平行板分離器的摩擦充電選礦是一種對月球風(fēng)化層礦物進(jìn)行分離和富集最簡單有效的方法[51]。然而，由于礦物顆粒大小、形狀和角度、晶格缺陷、表面污染、離子和水的吸附、介電常數(shù)、接觸類型以及接觸的數(shù)量和持續(xù)時間都會影響摩擦充電轉(zhuǎn)移的電荷量，而月球礦物的許多電磁特性還沒有經(jīng)過經(jīng)驗測定，如介電常數(shù)，且用于實驗室測試的風(fēng)化層模擬礦物不具有自然靜電荷，但月球風(fēng)化層表面具有天然的靜電荷，其帶電粒子大小和存在的深度尚未確定，所以在地球上進(jìn)行實驗表征是具有挑戰(zhàn)性的，對月球礦物的電磁特性進(jìn)行研究和入選礦粒進(jìn)行預(yù)處理是必要的[12]。此外，目前平行板分離器摩擦充電的研究數(shù)據(jù)回收率較低且不穩(wěn)定，可能是因為礦物顆粒還是受到地球重力的影響，可以通過改變電壓來減小地球重力對礦物顆粒分選的影響。

3.3.2 靜電行波

平行電極和合適的多相電壓源可以產(chǎn)生靜電行波(ETW)場。帶入該場的中性或帶電微粒，在電場力、引力等與其不同物理性質(zhì)相關(guān)的力的作用下，會以不同的軌跡運動。一些顆?？梢酝ㄟ^與覆蓋電極的介電層接觸而進(jìn)一步帶電（摩擦帶電）。設(shè)計參數(shù)適宜（例如電極配置、間距和電壓特性）的靜電行波系統(tǒng)可用于傳輸和分離細(xì)小的干顆粒[52]。

Kawamoto 等[53]開發(fā)了一種利用電動力行波的分選系統(tǒng)（如圖6 所示），該設(shè)備分選過程為當(dāng)對電極施加四相高壓時，電極上方產(chǎn)生電動力行波，小的礦物顆粒通過垂直沉降的電極在高位向上輸送，大顆粒容易下降。還利用該系統(tǒng)對粒徑為45 μm 月球模擬礦FJS-1（由49.4% SiO2、10.0% Al2O3、9.3% CaO、8.0%FeO 和4.4% Fe2O3組成）進(jìn)行了真空（0.1 Pa）實驗，所獲得的的小顆粒平均粒徑為12 μm，小于10 μm 的顆粒產(chǎn)率為30%，相較于兩相電壓的駐波分選系統(tǒng)，10 μm的顆粒產(chǎn)率提高了20 百分點，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)適用于月球礦物粒度分選。

圖6 電動行波分選系統(tǒng)的實驗裝置[53]:(a)四相直角波電壓的波形;(b)設(shè)置的配置;(c)輸送機板的橫截面圖;(d)安置在真空室的分選系統(tǒng)的照片F(xiàn)ig.6 Experimental setup of sorting system using electrodynamic traveling wave: (a) wave form of four-phase rectangular-wave voltage;(b) configuration of setup; (c) cross-sectional drawing of a conveyer sheet; and (d) photograph of sorting system settled in a vacuum chamber

靜電行波分選法具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低和不需要任何機械驅(qū)動或消耗品的優(yōu)點。由于月球風(fēng)化層具有自然靜電充電的特性，可能會使基于人工電荷采集的分離技術(shù)變得無用，在礦物顆粒進(jìn)入靜電行波系統(tǒng)之前對大塊風(fēng)化層進(jìn)行脫料是必不可少的[4]。此外，月球晝夜溫差較大，夜間發(fā)電較為困難，需要大型儲能的太陽能發(fā)電解決方案以保證設(shè)備夜間的正常運行。

3.4 磁選

磁選是在不均勻磁場中利用礦物之間的磁性差異而使不同礦物實現(xiàn)分離的一種選礦方法[54]。鑒于月球風(fēng)化層中都含有大量鐵磁性物質(zhì)，用磁選對其進(jìn)行分選理論上是可行的。磁選設(shè)備是利用磁系材料（鍶鐵氧體、釹鐵硼合金、鈰鈷銅永磁合金等）產(chǎn)生不均勻磁場使礦粒磁化，進(jìn)而產(chǎn)生磁力，磁化后的磁性礦粒因受磁力作用會吸附于磁體表面，隨磁場強度減弱而落于磁性產(chǎn)品槽，非磁性礦粒在離心力和重力作用下落入非磁性產(chǎn)品槽[55]。磁選法是鈦礦選礦工藝中最普遍使用的方法[56-57]。相較于電磁磁選機，永磁磁選機具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省能耗、操作維護(hù)方便和性能穩(wěn)定的優(yōu)點，使其能更好適應(yīng)復(fù)雜的月球環(huán)境，所以目前月球磁選研究大多圍繞永磁磁選進(jìn)行[58]。

Oder 等[12]使用Frantz 等動力分離器，從輝石（順磁性）中磁性分離氧化鐵和鈦鐵礦取得了一定的成功。Kawamoto 等[59]將月球模擬物FJS-1(<53 μm)均勻地摩擦在宇航服上，然后使用永磁體進(jìn)行去除，成功地從織物中去除了50%～70%的模擬物。Berggren 等[12]探索使用N-50 級釹鐵硼永磁體從二元混合物和月球模擬物中富集磁性和順磁性材料，實驗成功地從石英砂中富集了氧化鐵（從10%富集至87%，兩次分選）和鈦鐵礦（從10%富集至75%，三次分選）。

從目前公布的數(shù)據(jù)來看，對月球模擬礦物進(jìn)行磁選的研究較少且模擬實驗的成功程度也較低。隨著月球土壤成熟度的增加，風(fēng)化層中磁性成分的比例也會增加，這使得從富鐵輝石和凝結(jié)物中分離出鈦鐵礦變得更具挑戰(zhàn)性[60]。由于永磁磁選機是磁體經(jīng)外磁場磁化后獲得高剩磁來產(chǎn)生較強的恒定磁場對礦物進(jìn)行選別，月球磁場強度變化對永磁磁選機影響較小，但需要注意月球低重力對磁選過程中微細(xì)礦物顆粒下落時的影響。永磁體還易受高溫和化學(xué)腐蝕等復(fù)雜多變的運行環(huán)境的影響，產(chǎn)生不可逆的退磁風(fēng)險[61]。因此，永磁體磁選機應(yīng)用到月球上時，需配備冷卻和防塵裝置。

4 結(jié)論與展望

（1）月球礦產(chǎn)資源豐富，合理開發(fā)利用有助于月球基地建設(shè)和后續(xù)太空探索。由于月球低重力、超高真空、強烈的太陽照射、風(fēng)化層的靜電敏感性、陰影區(qū)域的低溫以及龐大的供應(yīng)鏈成本等問題難以克服，月球礦產(chǎn)資源開發(fā)利用仍存在諸多困難，目前仍處于探索研究階段。

（2）為了實現(xiàn)對月球礦產(chǎn)資源的高效利用，許多學(xué)者模擬月球環(huán)境進(jìn)行了許多選礦研究，目前對月球選礦的模擬研究技術(shù)有：①低能耗提??；②離心篩分；③平行板分離器的摩擦充電分選；④靜電行波分選；⑤永磁體分選。

（3）通過對月球選礦技術(shù)進(jìn)行綜述，發(fā)現(xiàn)月球選礦技術(shù)研究中有以下問題被忽略：①細(xì)粒(<50 μm)占月球風(fēng)化層的40%，但在目前月球選礦技術(shù)研究是被忽略的。②靜電行波分選研究中顆粒大小和形狀特征的影響常常被忽視。③月球塵埃容易附著在設(shè)備表面，且具有很強的磨蝕性，因此可能會對長時間加工的材料產(chǎn)生磨損，需對選礦設(shè)備所處環(huán)境進(jìn)行防塵處理。④迄今為止的大部分月球原位選礦研究都集中在靜電分選上，對磁選和其他干式選礦技術(shù)研究較少。智能光電分選作為干選法，具有不耗費藥劑、分選精度高、分選效率高、礦物回收率高等優(yōu)點，在月球原位選礦中具有應(yīng)用前景，但光源發(fā)射器容易受光照、溫度、濕度等因素的影響，需要對光電分選機進(jìn)行一定技改以適應(yīng)月球環(huán)境，并且還需要對月球礦物的物理特性進(jìn)行深入研究，以確定光電分選設(shè)備的應(yīng)用參數(shù)，使光電分選機的分選效率和使用壽命最大化，從而降低成本，提高選礦效率。⑤月球表面受到來自太陽的電磁(EM)、高能粒子和銀河宇宙射線的輻射，輻射會損害電子元件、降解建筑材料和造成人體損害，選礦場所的屏蔽輻射設(shè)計也是必不可少的。