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NREE:通过集成方法实现技术材料的可持续提取
2021-11-18 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  社会向低碳经济过渡具体表现为能源消耗转向可再生能源,从内燃机到电动汽车的转型,到太阳能光伏和风能的部署等,都是资源密集型活动,需要生产出大量的技术材料。锂离子电池是目前电动汽车中储能的关键技术。阴极包含锂、钴、锰、铝、铁和镍,阳极包含石墨,其它组装部件包含铝和铜。这一系列电池化学反应决定了所需材料的比例和形式。锂离子电池需求量不断上涨,估算从2020年到2050年,对锂、钴、镍及大多数其它技术材料的需求将分别增长18-20倍、17-19倍、28-31倍和15-20倍。 

  为了满足需求,需开发新矿山、建设选矿厂和冶炼厂,因此转型过程本身会对环境造成较大压力。但不同的技术材料如电池、Nd-Fe-B永磁铁等所形成的环境成本也各不相同,主要取决于地质学特征、矿物类型以及在生产过程中的开采方式、产品类型、产品纯度、背景系统或制造基础设施,而这些技术材料的生产流程都具有一定的相似性。 

  从地下开采到精炼加工,生产技术材料所采用的具体路线可根据原材料的矿物学和产品要求进行确定(图1)。同种技术材料可选择不同矿床类型产品作为原材料,而对原材料的开采、加工和精炼所需化学条件、纯度以及相关排放和废渣输出都需要大量能源和材料投入,各阶段都会产生温室气体,可追踪其碳足迹,因此生命周期评价可用于量化技术材料生产对环境的影响,进而优化生产流程(图2)。  

1 稀土元素、锂、钴、镍、石墨和锰的主要地质矿床类型概述(Pell et al., 2021)。风化矿床、矿砂和盐水形成于地表;结核和结壳形成于洋中脊附近和海底热液喷口;沉积物和火山沉积物形成于地壳浅部(例如:深度小于4公里);地表4公里以下有火成岩和变质岩

2 生命周期评估变化(Pell et al., 2021)。从技术材料生产商的角度来看,不同的生命周期评估彰显了上游和下游价值链之间的区别。从摇篮到门的区别包括将原材料提取到设施门,从门到门将包括整个生产链中的一个增值过程,以及从摇篮到坟墓或摇篮到摇篮的生命周期评估,该评估将考虑与产品生命的所有阶段相关的所有环境影响

  生命周期评价Life Cycle Impact Assessment可在矿山项目的运营阶段和/或加工开发阶段进行,确定开发初期所使用的技术材料将有效减轻对环境的影响。为此推出地质冶金学Geometallurgy与生命周期评价一体化。如今,地质冶金已演变为覆盖多学科的更为全面的方法,旨在通过将所有与矿物和采矿工程有关的地质科学相结合,在能源和资源使用效率方面最大限度地利用矿物原材料。它包括理解和测量矿石的地质学、矿物学和冶金学特性,以生成数据库。该数据库可集成到空间预测模型中,用于未来或现有矿山的选矿设计和运营、矿山规划和财务分析。其目的是改善资源管理、冶金工艺性能,最终提高采矿项目的净现值,同时降低运营和技术风险。除上述内容外,地质冶金还可用于提高资源效率,减少矿业开发价值链沿线所有提取阶段的社会环境影响,例如:减少湿法冶金回路中的酸消耗,从矿山尾矿和废物流中回收副产品以提高资源效率,改善尾矿管理和矿山酸水排放系统。 

  实际上,地质冶金方法以矿物为基础,所采用的定量信息来自3D矿床模型以及过程模型。矿床模型记录了矿体内的可变性,特别是能够影响矿石加工的属性,如矿石品位(目标金属品位)、有害元素、矿石矿物学(矿物、结构);抑或是地质冶金测试得出的任何其他相关属性,如粉碎指数、酸溶性金属含量和酸消耗。过程模型使用地质模型中的定量信息作为输入变量,预测冶金性能,并通过模拟来确定作业期内的采矿计划。典型的模拟输出包括与每吨矿石的资本支出和运营支出、回收率、产量、能源、水和试剂消耗相关的成本。地质冶金-生命周期评价方法可根据矿石性质和模拟,量化和优化采矿项目的环境影响、过程和/或经济,更为准确和动态地优化原材料资源提取效率。 

  但矿床的环境影响不可避免,每年人工合成和自然资源消耗向大气排放40 Gt CO2,其中约一半的二氧化碳导致全球变暖,而另一半则被海洋和陆地生物圈所消耗。在开采和加工过程中,应尽可能的实现电气化,使用新能源与创新技术降低碳强度,增加重复使用和回收能源与材料的机会。而与技术金属相关的矿物学和项目有望做到碳固存,通过CO2、富镁和富钙硅酸盐岩石(如地幔橄榄岩、玄武岩熔岩或超镁铁质侵入体)之间的反应,以产生惰性碳酸盐矿物,如菱镁矿或石灰石(分别为MgCO3CaCO3)来实现碳的负排放,这些反应能够自然发生,尽管是在缓慢的地质时间尺度上。如果资源完全碳化且这些方法在经济上可行,则这些岩石最大碳固存潜力可达约60000000 Gt  

  总的来说,社会的转型之初将导致对矿产资源需求的显著增加,这个阶段应尽早通过生命周期评价-地质冶金综合方法量化以达到环境影响最小化(图3)。未来研究则应侧重早期环境影响评估,将地质学家和生命周期评价实践者与采矿和选矿工程师联系起来,以研发可持续资源开发的综合框架。在评估和勘探稀土元素、锂、镍、钴、锰、石墨和钒矿床的早期阶段,地质学家可以考虑与开采和下游处理对环境的潜在影响有关的一系列因素。例如:确定一个矿山中潜在的副产品,开发多种技术金属生产;最大限度地提高资源利用率,评估矿床的品位和三维结构,这决定了采矿期间多少土地会受到环境影响。矿石的地质冶金学特性决定了其在加工过程中的行为,影响资源利用率、废物排出量以及能源、水和材料的消耗。 

  生产能很大程度上对环境产生不利的影响,因而实现技术材料生产的可持续性并非易事,需在勘探、采矿和精炼阶段开展更广泛、更系统和更全面的生命周期评价,并结合地质冶金等方法来解决。只有在整个价值链上应用综合性和预测性方法,社会才能实现低碳经济,技术才能自始至终地可持续发展。 

3 生命周期评价-地质冶金集成方法(Pell et al., 2021

  原文:Pell R, Tijsseling L, Goodenough K, et al. Towards sustainable extraction of technology materials through integrated approaches[J]. Nature Reviews Earth & Environment, 2021, 2: 665–679.链接    

  全文翻译请见附件 

(编译:郑旭阳,刘宇超/矿产室)(审核:秦克章/矿产室)

 
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