随着传统稀有金属矿床的枯竭,煤系伴生金属矿床已备受重视,近年来美国加强开展从煤及煤灰中提取稀土元素的技术研究。高铝煤中伴生稀有金属矿产有望成为稀有元素的重要来源,但其中Li-Ga-REE多元素共生组合机理以及如何协同分离不清楚。针对此科学问题,论文选取大同煤田石炭二叠系煤层及其燃煤电厂粉煤灰为研究对象,采用正交实验,使用XRD、XRF、SEM、ICP-MS和NMR等测试技术,研究高铝煤与煤灰中Li-Ga-REE等多元素共生组合特征以及协同分离技术。取得了如下成果:（1）明确了大同煤田石炭二叠系煤中Al-Li-Ga-REE等多元素共生组合特征。煤灰分中Al₂O₃含量在10.77%-71.37%之间,平均为38.88%,其中高铝煤主要分布在煤田东北部的同忻和塔山矿区以及东南部的峙峰山矿区。Li和Ga在煤田北部,REE在东部比较富集;Li、Ga和REE主要赋存于黏土矿物,其中勃姆石和磷酸盐矿物也分别是Ga和REE的重要载体。（2）揭示了煤中Al-Li-Ga-REE等多元素共生组合的富集机理。Al、Li、Ga和REE主要以微细粒物质形式从物源区（北部阴山古陆的花岗岩和本溪组的铝土矿地层）搬运至成煤泥炭沼泽的堆积中心,常在三角洲平原的沼泽沉积处富集;自下而上,3、5和8号煤层沉积受海水影响逐渐减弱,Li、Ga和REE含量逐渐升高,而短暂的海侵引起5号煤层底部的HREE富集。（3）阐明了高铝煤灰的矿物学与元素地球化学特征。主要矿物包括莫来石、刚玉、石英、赤铁矿,而玻璃相以硅氧四面体的Q⁴（0Al）结构存在;Zn、Bi、Pb、Cu、U、Be、Li、Tl、In、Ta、Cs、Th和LREE的含量随粉煤灰粒度变细而增高,而Cd、Ni、Mo、Cr、Co、Rb、Ga、Sc、Sr、Y和HREE的含量随粒度变细先降低后增高,这些元素主要赋存于玻璃相中,而莫来石是Al及部分Ga的重要载体。（4）获得了高铝煤灰中Li-Ga-REE等多元素协同分离技术方法。发现粉煤灰与烧结剂的最佳配比为每克粉煤灰中添加0.45g Na₂CO₃和1.46g CaCO₃（FNC）;FNC中Li和Ga的浸取率在4天趋于稳定,其浸取率分别为95.75%和87.60%,残渣中REE的残留系数为95.78%;氨水调节酸碱度可以分离浸取液中Li和Ga以及提取残渣中REE;当pH=6时,浸取液中Ga³⁺以Ga（OH）₃形式基本完全沉淀;而pH=11.5时,盐酸溶解液中REE³⁺可以REE（OH）₃形式发生沉淀。（5）探索了草酸浸取高铝粉煤灰中Li、Ga和REE的影响机制。正交实验结果表明烧结剂、草酸浓度和浸取时间影响Li、Ga和REE浸取效果的显著性依次减弱;烧结剂的焙烧破坏了粉煤灰Si-O（Al-O）多聚体结构中桥氧键,极大加快了稀有元素的浸取速率;FNC中Li和Ga的浸取率随草酸浓度和浸取时间增加而升高。（6）揭示了协同分离过程中物质变化和元素迁移规律。烧结剂Na₂CO₃和CaCO₃的焙烧生成新物质NaAlO₂和Ca₂SiO₄从而释放了粉煤灰中Li、Ga和REE;草酸浸取实验中Al、Li和Ga均以阳离子形式溶解在浸取液中,REE与草酸结合生成草酸盐沉淀;Be、Cr、Mn、Co、Cu、Zn、Mo、Nb、Ba、Tl和U容易被草酸浸取,而Sc、Ni、Rb、Sr、Cd、In、Cs、W、Pb、Bi、Th和Ta在残渣中富集。该论文有图126幅,表16个,附表6个,参考文献223篇。