高文芳，孙峙，吕龙义，等：典型金属生产过程的环境影响评价研究进展

学术 2024-10-14 16:50 北京

典型金属生产过程的环境影响评价研究进展

高文芳 ¹ 崔晗 ^1,^2,³孙一冉 ¹彭佳晴 ¹朱睿 ¹夏然 ¹张馨予 ¹李佳奇 ¹王学良 ⁴孙峙 ⁵ 吕龙义 ¹

（1. 河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401； 2. 中国科学院生态环境研究中心，北京 100085； 3. 中国科学院大学，北京 100049； 4. 天津滨海高新技术产业开发区城市管理和生态环境局，天津 300450； 5. 中国科学院过程工程研究所，北京 100190 ）

DOI：10.11949/0438-1157.20240101

摘要随着工业化进程加快，金属资源的关键性已成为我国乃至全球关注的问题，金属资源的大范围应用使其在生产时造成的环境影响越来越严重。为选择对环境影响较小的金属种类及生产方式，针对62种典型金属工业生产过程，对其相关的环境影响评价研究进展进行总结，重点关注黑色金属和有色轻、重金属生产过程的环境影响，并对与碳足迹分析相关的研究进行重点总结评述。重金属在生态毒性、人类健康等毒性影响方面均有较大影响；稀有金属和准金属的相关评价主要集中在Li和V上，且是未来的主要研究方向；贵金属相比其他金属造成的碳排放较为显著。金属生产行业未来需重点考虑金属元素自身性质，依据其不同阶段的污染程度优化生产方式，且聚焦金属生产行业的温室气体排放问题。

关键词金属工业生产过程；环境影响评价；废物处理；环境；污染

A critical review on environmental impact assessment of typical metal production processes

GAO Wenfang ¹ CUI Han ^1,^2,³SUN Yiran ¹PENG Jiaqing ¹ZHU Rui ¹XIA Ran ¹ZHANG Xinyu ¹LI Jiaqi ¹WANG Xueliang ⁴SUN Zhi ⁵ LYU Longyi ¹

（1. School of Energy and Environmental Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China； 2. Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China； 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China； 4. Tianjin Binhai Hi-Tech Industrial Development Zone Urban Management and Ecological Environment Bureau, Tianjin 300450, China； 5. Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China ）

Abstract: With the acceleration of the industrialization, the criticality of metal resources has become a concern of China and even the world, and the large-scale use of metal resources makes its environmental impact more and more serious in production processes. Under dual-carbon goals, in order to select metal production processes with low environmental impact, this study focused on 62 typical metal industrial production processes, summarized the relevant environmental impact assessment studies, and related to carbon footprint analysis is summarized during metal production processes. The environmental impacts of ferrous metals as well as non-ferrous light and heavy metals production processes were focused on. In the production of ferrous metals, the environmental impact can be reduced by using biomass instead of fossil energy, choosing suitable Mn smelting methods and reducing the content of Cr⁶⁺ in nature. Non-ferrous light metals were currently produced in a large number of metals with diversified production methods, which had a greater impact on greenhouse gas emissions and ecological toxicity. Heavy metals have a great impact on toxic effects such as ecotoxicity and human health. The mining and refining process of precious metals will have a serious impact on the atmosphere and water, which should be paid attention to. There were few studies on the evaluation of rare metals and quasi-metals, which mainly focused on Li and V, however its importance is becoming more and more significant, and the development potential is huge. Compared with other metals, the carbon emissions caused by precious metals are more significant, and the five metals with the highest Global Warming Potential (GWP) are Rh, Pt, Au, Ir and Sc. This research can effectively solve the environmental problems of metal production while promoting industrial development through green and efficient metal production processes.

Keywords: metal industrial production process；environmental impact assessment；waste treatment；environment；pollution

引言

自然资源是人类赖以生存的基础，中国是全球最大资源消耗和温室气体（greenhouse gases，GHGs）排放国之一^[1]，随着工业化的快速推进^[2]，如何降低资源消耗和环境污染已成为当下需要重点关注的现实问题。2016年195个国家签署《巴黎协定》，欧盟委员会提出2050年将GHGs排放量减少到1990年的80%~95%以下，英国政府计划到2050年实现GHGs“净零”排放^[3]，中国提出在2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和。但是为了满足先进器械的制造需求^[4-5]，金属需求量逐年增加^[6]，非晶合金等新型多功能先进材料因其应用范围广、成本低、可重复使用性高等优点逐渐兴起^[7]，产生的污染也日渐严重。金属矿石的开采和加工是造成环境污染的重要原因^[8]，会导致重大的环境、卫生、水资源稀缺等问题^[9]；基础金属生产时会产生大量水气固废物、高能源使用和不可再生资源消耗等问题^[10]。人类社会正面临着可持续发展的严峻挑战^[11]，金属作为一种不可再生资源^[12]，如何绿色高效地进行金属生产受到广泛关注^[13]，对工业金属生产过程进行环境影响评价是非常重要的。

现有多个研究对金属矿物或其化合物进行了较详细的环境影响评价研究。例如，Olmez等^[14]比较钢铁的多种生产过程以及最终产品的环境影响，根据评估结果为可持续性生产提供建议；Yang等^[15]采用生命周期评价（life cycle assessment，LCA）方法从多个影响类别出发对不同发电方式的Al生产过程进行评价，发现发电方式可以反映能源结构，直接排放反映电力水平；Cacciuttolo等^[16]分析重金属和贵金属在开采过程中尾矿泄漏造成的环境影响，并提出了环境管理措施；Zhang等^[17,18]对V₂O₅的三种典型工艺进行LCA、综合环境影响评价和经济性评价的多角度评估；Fthenakis等^[19]解决了太阳能电池中所应用到的金属（Zn、Cu、Al、Cr、Se等）的生命周期清单和生产路径等问题。Norgate等^[13]在2007年运用LCA方法对Cu、Ni、Al、Pb、Zn、Ti和钢进行环境影响评价，但年份久远且涉及金属较少；Nuss等^[20]于2014年收集63种金属从“摇篮到大门”的环境影响，发现多数金属作为副产物产生，且首次对全球金属的LCA进行完整的自下而上的评估，但因其年份较早，参考价值较低；Rachid等^[21]对78篇研究不同金属、矿物的LCA文献进行分析，发现Au对全球变暖潜力（global warming potential，GWP）的影响最大，但金属覆盖不全面，因此亟需对所有典型金属的生产过程进行全面的环境影响评价。

本研究基于以上问题，总结分析了典型工业金属在生产过程中的环境影响评价研究现状：首先对环境影响评价、碳足迹分析方法进行简介，其次按照黑色金属和有色金属（有色轻金属、有色重金属、贵金属、稀有金属、准金属）的类别依次对其相关研究进行总结，对典型工业金属进行碳足迹分析，总结金属对环境的影响程度。本文主要依托LCA和碳足迹分析对典型工业金属生产过程的环境影响评价进行梳理与总结，根据每类金属特性，提出合适的降低环境污染的措施，为金属产业宏观调控提供更为科学的依据，促进工业金属生产行业绿色可持续发展。

1 环境影响评价

金属生产量逐年增加，造成的环境问题日渐严重。对金属生产过程进行环境影响评价非常重要，但是考虑到金属资源的提取和加工涉及到大量饲料流、副产品流、废物流和能源等多种物质的输入和输出，对金属生产工艺进行评价并不是一项简单的工作，必须对该过程的整个生命周期进行评价^[13]。

近年来，科学界研发了许多环境评价的工具和方法，包括环境影响评估、生态风险评估、材料流分析、单位服务材料强度、成本效益分析、LCA和各种足迹分析^[22-23]。其中，LCA用于评价与产品、过程或活动的整个生命周期相关的潜在环境影响，可以全方面分析金属生产对环境的影响，且为目前应用最为广泛的评价方法；碳足迹分析符合我国提出的双碳目标，可以缓解温室效应。本节主要对LCA和碳足迹分析进行介绍。

1.1 生命周期评价

LCA^[24]是从生命周期角度针对研究的产品对环境可持续发展、社会、经济等多方面产生的影响做出定量分析的科学评估手段。

ISO 14040、14044将LCA定义为四部分^[25]。（1）目标和范围定义：目标定义主要以决策背景、开展研究的原因、评估结果的预期应用为核心选择研究目标，为之后的数据分析做基础；范围定义主要确定研究的系统边界以及研究方法^[26]，系统边界包括“摇篮到坟墓”“摇篮到大门”“大门到大门”等^[27]。二者是LCA的研究基础。（2）清单分析：核心是根据不同来源，收集和汇编所研究产品系统中所有过程的基本流程数据。（3）影响评价：通过LCA相关软件（GaBi、LCAiT、PEMS、Simapro、TEAM等）建模进行分析。（4）结果分析：结合清单分析和影响评价对目标定义所提出问题进行回答，也是确定进一步工作重点的重要环节^[26]。

LCA方法的计算步骤主要可概括为：（1）绘制所有的排放和使用资源（若可以，标出地理位置）；（2）利用模型计算步骤（1）中所有排放和资源使用对环境的影响。LCA的相关计算主要利用国家或区域数据库等提供的数据，并结合LCA软件完成^[28]。

LCA方法是目前进行环境影响评价的主要研究方法，且涵盖产品的多个生命周期阶段，防止影响在各个阶段和各个影响类别中进行转移，评价较为全面。

1.2 碳足迹分析

碳足迹是“生态足迹”概念的衍生^[29]，通常依据六种影响气候变化的GHGs（CO₂、CH₄、N₂O、SF₆、氢氟烃、全氟和多氟烷基物质）排放来计算^[30]，可以用来描述来自组织、产品或个人的GHGs排放^[31]，是由产品的整个生命周期过程直接或间接引起的^[32]。碳足迹常用二氧化碳当量（carbon dioxide equivalent，CO₂-eq）或其他排放的GHGs当量表示，并用100年GWP来计算CO₂-eq。GWP是每种GHGs相对于CO₂在大气中捕获热量的能力，CO₂-eq是通过将每种GHGs的质量排放量乘其对应的GWP而得到的^[11]。

碳足迹分析分为基于过程分析的“自下而上”模式和基于环境输入-输出分析的“自上而下”模式。过程分析用于单个产品从“摇篮到大门”的分析，但是需要设置系统边界；输入-输出分析对于单个产品的评估具有局限性，因此碳足迹分析的最佳方式是采用过程分析和输入-输出分析的混合方法^[33]，结合两者的优势，扩大碳足迹分析结果的应用范围。

2 典型金属的生产过程的环境影响评价

金属种类繁多，通常把金属分为黑色金属（Fe、Mn、Cr及其合金）和有色金属（有色轻金属、有色重金属、贵金属、稀有金属、准金属）两大类（图1）^[34]，本文除部分稀有金属目前没有相关评价，其他金属均涉及。

图1 金属元素的分类Fig.1 Classification of metal elements

2.1 典型黑色金属环境影响评价

黑色金属是以Fe、Mn、Cr为基本成分的金属及其合金。

Fe通常以铁矿石形式存在于自然界中^[35]，目前关于钢铁生产的环境研究大多集中在GHGs排放上^[36]。Olmez等^[14]指出高炉生铁对GHGs排放影响最大，每吨产品的单项评分结果如图2(a)所示。Li等^[37-39]对高炉-转炉和电弧炉工艺进行定量比较得出前者的总能耗是后者的2.8倍，环境排放也高于后者。Fick等^[40]提出在高炉中使用碳化和粉碎的生物质能使CO₂-eq减少14.7%。Cui等^[41]通过对比中国钢铁工业三种典型烧结烟气超低排放处理技术发现半干式烟气脱硫+袋式除尘器+选择性催化还原脱硝协同处理具有最佳的环境性能[图2(c)]。根据目前的研究结果发现利用生物质替代化石能源能够较大程度减少GHGs的排放，对环境影响相对较小。

图2 (a) 每吨产品的单项评分结果比较^[14]；(b) 电解锰的主要环境影响因素^[42]；(c) 三种烧结烟气超低排放处理技术的标准化效果^[41]；(d) 非化石能源工艺节省的CO₂占比^[58]Fig.2 (a) Comparison of single score results for each ton product^[14]; (b) the main factors affecting the production environment of electrolytic Mn^[42]; (c) standardization effects of three technologies for ultra-low emission treatment of sintering flue gas^[41]; (d) the proportion of CO₂ saved by nonfossil energy processes^[58]

锰合金及其矿石主要用于采矿冶金^[42]、钢铁^[43]和化学品的生产^[44]。Marks等^[45-46]发现锰暴露对海洋水生环境有重大影响，且对在锰厂附近居住的儿童造成神经认知影响，因此对Mn生产过程进行环境影响评价非常必要。锰矿石可通过地面和地下采矿方法开采^[47]，电解法和冶炼法是Mn的常见生产方法。电解锰会产生较多含Cr、Mn等重金属离子的污水^[11]和废锰渣^[48]。Zhang等^[42]指出电解锰生产过程的环境影响主要来自发电过程[图2(b)]，如果将该阶段的能源消耗降低318 kWh，在化石资源消耗和GHGs方面将会产生3.62%和3.69%的环境效益。冶炼锰过程会消耗大量能源、产生许多粉尘，同时会向环境中排放锰颗粒^[49]，燃料消耗时产生主要环境影响^[47]，冶炼锰对农田土壤中的汞积累和甲基化也会产生明显的影响^[50]。综合来看，电解锰比冶炼锰对环境污染更小、纯度更高。

Cr主要用于制造钢和其他合金，其化合物用于镀铬、染料制造等^[51]。铬最稳定的形式是Cr³⁺和Cr^6+[52]，虽然岩石中是良性的Cr³⁺，但铬铁矿的开采会使铬暴露于环境中并转化为Cr^6+[53]，Cr⁶⁺具有很强的可溶性、可移动性和高毒性^[54]，可以进入地表水和地下水造成严重污染^[55]。Susaj等^[56]通过定量和定性相结合的方法指出铬矿开采最明显的负面影响是空气污染、土壤污染、水污染、声污染以及对人类产生影响健康的问题。Walawska等^[57]发现使用铬废物作为原料生产Na₂CrO₄可以大大减少含铬原料的消耗，提高工艺效率。Hamuyuni等^[58]利用基于HSC模拟的LCA方法对比钢带烧结-埋弧炉和回转窑-埋弧炉两种铬铁冶炼的先进技术，发现前者是目前减少铬铁冶炼中CO₂排放的最佳选择[图2(d)]。Cr是一种重要的金属材料，降低铬生产过程产生的毒性、回收铬可以保护资源，促进双碳战略的实施。

因此，炼铁时利用生物质替代化石能源可以较大程度减少GHGs排放，高炉-转炉工艺是较为环保的炼铁工艺；采用电解锰工艺对环境影响更小，锰纯度更高，降低发电过程中产生的环境影响可以显著减少环境污染；回收铬废物作为原料进行生产可以在保护资源的同时提高工艺效率，在生产铬时需关注Cr⁶⁺自身的毒性。

2.2 典型有色金属环境影响评价

有色金属在生产过程中消耗的资源难以估量，产生的环境影响较难预测。近年来，环境影响评价在有色金属生产领域迅速发展^[27]，本节将相关研究进行分析、总结。

2.2.1 有色轻金属

有色轻金属指密度小于4.5 g/cm³的有色金属材料，普遍具有化学活性大、化合物较稳定的特点。同一主族的金属具有相似的特点，所以本节按主族顺序对有色轻金属的典型研究成果进行总结^[59]。

Na和K都是质地柔软、化学性质很活泼的碱金属。常通过电解熔融NaCl制取Na^[60]。Peters等^[61]使用ReCiPe模型分析发现高温熔融NaCl的过程会产生大量废气，其中含有的氯化物等有害物质会对环境造成污染。钾矿物主要用于制造钾肥。Chen等^[62]使用山东大学研发的模型对卤水基氯化钾肥的生产过程进行LCA分析发现，生产时会导致GHGs的排放并消耗大量能源，还会导致陆地酸化、海洋富营养化等一系列环境影响[图3(a)]。

图3 (a) 钾肥生产的环境影响^[62]；(b) 金属生产的GWP^[13]；(c) TRACI法分析Al生产过程的结果^[68]；(d) Al生产过程的环境影响^[68]；(e) 不同Al开采工艺的环境影响^[70]；(f) 不同Cu生产路线的环境贡献^[74]Fig.3 (a) Environmental impact of K fertilizer production^[62]; (b) production of GWP for various metals^[13]; (c) analysis results from TRACI method for Al production processes^[68]; (d) environmental impact of Al production process^[68]; (e) environmental impact of different Al mining processes^[70]; (f) environmental contribution of different Cu production routes^[74]

Mg、Ca、Sr、Ba均为碱土金属。Mg通常应用于轻质合金，在节能和环保领域具有重要的应用潜力。高峰等^[27]通过建立面向Mg生产流程的LCA模型，对直接燃煤、发生炉煤气、焦炉煤气3种能源利用方案在皮江法炼镁工艺中的应用进行了流程分析。研究结果显示，在我国原镁生产中，炼镁过程的环境负荷贡献率最大，会导致资源消耗，加剧温室效应。CaS_x在工业上有广泛应用^[63]。Dahlawi等^[64]通过综合分析来自美国国家环境保护局（USEPA）和欧洲食品安全局标准毒性的测试结果和同行评审的文章，发现生产CaS_x所需的原材料相对纯净，在生产过程中通常不会产生污染。然而，CaS_x具有很高的pH（约11.5），生产操作不当易对人体健康造成损害。Sr的制取方式为电解熔融的SrCl₂。Wang等^[65]通过LCA分析锶渣生产过程的环境影响，发现Sr生产时产生的副产物会加剧酸雨现象，造成大气污染，还会破坏生态系统平衡、威胁水生生物健康。Ba的化学性质十分活泼，BaCl₂是一种常用且重要的化工原料。丁绍兰等^[66]利用eBalance软件对BaCl₂生产过程进行分析，发现在进行BaCl₂热处理时产生的废气废渣若不及时处理，会排放大量的酸雾和烟雾，对生态环境造成毁灭性伤害。

Ti的生产目前大多由Kroll工艺完成^[67]。Norgate等^[13]运用Image软件进行图像分析、Qual技术进行X射线衍射分析和化合物鉴定，对多个金属生产工艺的总能源需求（gross energy requirement，GER）、GWP和固体废物负荷进行比较[图3(b)]发现，轻金属中Ti对环境的影响较大。此外，钛合金的生产也会消耗大量的能源和原材料，并且生产过程中会排放大量的CO₂，加剧温室效应。钛合金的生产过程中还涉及到对水资源的消耗和废水的排放，对地下水等水源会造成一定的影响。

Al是应用最广泛的有色金属之一，Al的冶炼过程对环境产生的影响较大[图3(c)、(d)]^[68]，不仅会造成气候变化和雨水酸化，还会产生生态毒性，危害人体健康。原铝、Al₂O₃和二次铝的生产对环境造成的影响程度不同[图3(e)]，原铝生产产生的环境影响最大，相当于二次铝和Al₂O₃的21倍以上^[69]。除全球变暖、产生呼吸性无机物和臭氧层消耗外，二次铝生产在所有类别中产生的环境影响最小，生产二次铝是更环保的选择。

通过研究发现，Ti和Al生产对GER、GWP的影响较大，二次铝的生产对环境更为环保，Na、K生产时会产生废气废水等污染物。生态毒性、化石资源和金属资源的消耗是轻金属生产时对环境的主要影响类别，轻金属生产时对大气产生的影响较严重，通过氯化物生产轻金属是最普遍的生产方式。

2.2.2 有色重金属

有色重金属指密度大于4.5 g/cm³的有色金属材料，通常具有高密度、高熔点和高硬度的特点，难以被生物降解。考虑到每个主族的金属具有相似属性，因此本节按主族顺序进行介绍^[59]。

Co的开采路线有露天开采与地下开采两种方式^[70]。Farjana等^[70]从EcoInvent和澳大利亚高级国家生命周期数据库中收集生命周期清单数据，并使用SimaPro软件和累积能源需求（cumulative energy demand method，CED）进行分析，钴矿开采的爆破阶段排放的NO_x造成的生物富营养化和基于化石燃料的中压发电产生GHGs造成全球变暖的影响最值得注意。Zhang等^[71]依据ISO 14040系列标准的指导要求，使用SimaPro软件在中点和终点水平的LCA方法评价CoSO₄生产过程中潜在的环境影响，结果表明电力消耗和淡水生态毒性是此过程中对环境影响最大的类别。

Ni可从红土矿石和硫化物矿石中提取^[72]。Wei等^[73]建立基于质量和能量守恒定律的过程模型，构建从硫化镍矿中提取Ni以及采用红土镍矿生产NiO、镍铁和不锈钢的生命周期清单，发现生产NiO所需能量最多、GHGs排放量最大。白月阳^[72]依据ISO 14040系列标准，采用ReCiPe 2016模型评估我国Ni生产潜在的环境影响，研究结果表明化石资源和金属资源消耗对我国电解镍生产整体环境影响的贡献最大，分别占据总环境影响的35.4%和25.0%。

Cu可由火法或湿法冶炼^[74]。Dong等^[74]使用CMLCA 6.0软件和生命周期可持续性分析评估了2010年至2050年Cu火法冶炼和湿法冶炼两种生产方式的环境影响[图3(f)]，结果表明火法冶炼的采矿、选矿和干燥过程会产生酸化、光化学氧化和非生物资源消耗等影响；湿法冶炼的采矿、浸出和提取过程会增加能源需求和生态毒性。Wang等^[75]采用LCA方法通过铜矿开采、能源生产、运输和冶炼阶段来量化精炼铜生产对环境的影响，研究表明Cu生产过程中对环境产生的最严重影响是非生物枯竭潜力和人体毒性。Hong等^[76]使用ReCiPe对我国再生铜生产进行评价，表明再生铜生产过程中CO₂排放、副产物Hg和As的产生以及煤炭和石油的消耗对环境造成严重负担。

Zn^[77]、Cd、Hg均为铂族金属，常用焙烧法制取^[78]。在锌焙烧过程中大量SO₂从矿石中排出^[79]；锌冶炼时使用传统石灰法中和废酸是气液硫化废酸环境影响值的46倍^[80]；湿法炼锌时金属资源消耗和海洋生态毒性是主要的环境影响类别^[78]。Cd可在铜镉渣中提取^[81]，由于Cd的沸点低，处理时极易气化挥散，对大气、土壤、地下水或地表水均会产生影响^[82]。Hg可通过焙烧硫化汞矿石制备^[83]，在生产时Hg会进入空气、土壤、水以及动植物体中，严重影响人类健康^[83-84]。

Sn^[85]和Pb易于形成合金，可以从含锡二次资源中进行提取Sn^[86]，但是任何方法提取Sn均会产生含有大量SO₂、NO_x等气体的废气，导致雾霾。Pb可由湿法或活法冶炼，Pb的开采和冶炼产生了许多废物和尾矿，会对植物、动物和人类产生影响^[87-88]，且分析发现一次和二次精炼铅的主要影响类别为人体毒性和海洋生态毒性，二次精炼铅更环保^[89]。

Sb和Bi有着相似的化学性质，均可通过火法或湿法冶炼^[90]。Sb的生产一般以硫化锑或氧化锑精矿或原矿为原料^[91]。Qi等^[92]研究发现Sb生产对矿区周边和下游农田有不良影响，使土壤变为中度甚至高度污染。宁增平等^[93]指出在Sb冶炼过程中容易产生含Sb的粉尘及烟雾，且滞留时间长，易通过多种途径进入人体，危害人类健康。Yukhin等^[90]指出提炼初级锑涉及含Bi矿石的开采和精炼，会产生资源消耗、土壤侵蚀和水污染等一系列环境问题。

对基尔库克东北部石湾私人炼油厂周围被重金属污染的表层土壤进行环境影响评价，发现当地土壤Co、Ni的污染程度较高，Zn、Cu的污染程度较低，重金属可通过多种途径对环境造成影响^[94]。综上所述，重金属因其自身毒性且不易分解等特性，在生产时对生态和人类毒性影响最大；能源消耗也是非常严重的问题；重金属极易进入大气中，其生产过程中也会产生温室气体和有害气体等物质，对环境有较大影响。

2.2.3 贵金属

贵金属主要指价格比一般金属昂贵、地壳丰度低的金属元素，其中Ag、Au^[95]是典型的贵金属，且应用范围广泛、具有收藏价值。因此，本节按Ag、Au和铂族元素的顺序进行综述。

Ag和Au的生产主要来自露天采矿^[96]。Farjana等^[97]通过国际生命周期参考数据系统法、IMPACT2002+以及CED比较Ag-Au耦合生产工艺和Au-Ag-Pb-Zn-Cu联合生产工艺精炼发现[图4(a)、(b)]，在Ag-Au耦合生产过程中进行精炼对环境的影响较大，不仅会危害人体健康，建筑机械中柴油燃烧后的产物会对气候有所影响，形成光化学氧化，此外还会造成陆地、淡水、海洋富营养化。在贵金属精炼过程中，化石能源消耗最大[图4(c)]，由于矿石品位低，Au生产的碳足迹比其他金属大几个数量级。Norgate等^[96]研究发现开采和粉碎对Au生产的碳足迹贡献最大。同时，Au矿石品位下降会使其在生产过程中的能源消耗量、GHGs排放量、耗水量和固体废物负荷升高。

图4 (a) Au-Ag耦合生产和 (b) Au-Ag-Pb-Zn-Cu联合生产的LCA结果^[97]；(c) Au-Ag精炼工艺的归一化结果^[97]；(d) GWP相关结果^[100]；(e) 生产Nb₂O₅的环境影响^[109]；(f) 生命周期影响评价（LCIA）对WC-Co的评估结果^[110]Fig.4 (a) LCA results of Au-Ag coupled production and (b) Au-Ag-Pb-Zn-Cu combined production^[97]; (c) normalized results of Au-Ag refining process^[97]; (d) GWP related results^[100]; (e) environmental impact of Nb₂O₅ production^[109]; (f) LCIA’s assessment of WC-Co^[110]

铂族元素由Ru、Rh、Pd、Os、Ir和Pt组成，是大陆地壳中最稀有的元素^[98]。Bossi等^[99]对铂族金属进行LCA分析发现，72%的环境影响主要来自采矿和选矿阶段的电力消耗，高碳高硫的燃烧产物会对大气造成严重污染，另外27%的影响则来自铂族金属的冶炼和精炼，只有1%的影响来源于回收。Stamp等^[100]通过LCA计算发现贵金属在冶炼-精炼过程中的GWP差异较大[图4(d)]，Rh的GWP最高。Nuss等^[20]研究发现铂族金属在开采、提取、精炼三个生产阶段具有更高的环境负担，且具有生态和人类毒性、富营养化、CED高等问题。

目前应用广泛且易得的贵金属主要是Au、Ag和Pt，采矿和精炼过程都会对环境产生较大影响，尤其会产生较高的GHGs排放量，还会产生污染物对大气和水体造成影响。

2.2.4 稀有金属

稀有金属是指在地壳中含量较少、分布稀散或难以从原材料中提取的金属元素。目前广泛应用的是Li和V。根据稀有金属的特性，稀有金属可以继续分类，主要分为稀有轻金属、稀有难熔金属、稀有分散金属、轻稀土金属、重稀土金属和稀有放射性金属^[34]，本节将按该顺序进行综述。

稀有轻金属是指密度小于5 g/cm³的稀有金属材料，其中Li^[101]应用最为广泛，主要从锂辉石、湖泊和盐水中获得，也可以从电池废料的回收中获得^[102]。Jiang等^[103]研究发现从锂辉石中进行生产时环境影响主要来源于浸出过程，且与其他开采方式相比环境影响较高。Chordia等^[104]分析了不同品位的锂盐和矿石开采和加工过程的环境影响，讨论了对气候变化、矿物资源短缺和淡水生态毒性等的影响，研究发现环境影响的程度主要取决于锂源类型，低品位锂盐水对环境影响较大。Ambrose等^[105]发现从盐水中生产Li在毒性方面显示出更有利的结果，但碳足迹逐年增加，与从盐水中生产Li₂CO₃和LiOH·H₂O相比，从锂辉石中生产造成的GHGs和淡水消耗量少^[106]。

稀有难熔金属是指熔点高于1650℃并有一定储量的金属，具有熔点高、硬度大、化合物稳定的性质。V主要从矿石、粉煤灰和废渣浸出溶液中提取^[107]，V₂O₅是V的主要产品^[17]，所以目前V的生产主要以V₂O₅为主。肖金花^[108]发现V生产时原材料生产过程的影响最大，且会造成不可再生资源消耗、温室效应、环境酸化、人体健康损害、光化学烟雾等问题。Zhang等^[17]对钙焙烧、钠焙烧和亚熔盐生产三种典型的V₂O₅生产工艺进行评价分析，发现钠焙烧生产对环境影响最大，不仅会产生HCl、Cl₂等腐蚀性气体，其他产物还会造成富营养化，生产过程中会消耗大量水；钙焙烧虽然不产生有害气体和废水，但存在转化率低、焙烧温度高、成本高、不适合高产量等缺点；亚熔盐生产虽然是一个相对清洁的过程，但亚熔盐生产V₂O₅主要分为原材料生产阶段、运输阶段以及制备阶段。常从含铌矿石中提取Nb₂O₅。de Silva Lima等^[109]利用LCA对Nb₂O₅生产进行分析发现[图4(e)]，在最终加工阶段使用的化学品会导致NO_x排放、臭氧消耗，且会影响人类健康，是主要的影响来源。Zr、Mo、Hf、Ta的生产大多源于矿的开采。Nuss等^[20]研究发现Hf生产的CED高且会造成较大程度的陆地酸化，而Mo和Zr的影响微乎其微，Hf、Mo、Ta生产时对淡水富营养化、人类毒性有较大影响。Furberg等^[110]采用LCA分析湿法冶金和粉末冶金生产W的过程发现，总体在CED、陆地酸化和气候变化方面的影响最大[图4(f)]，采矿阶段对淡水富营养化、水资源枯竭的影响最大。

稀有稀土金属化学活性很强，Lee等^[111]使用LCA分析中国三种主要稀土生产途径发现其对人类毒性、富营养化、非生物资源枯竭等类别均有较大影响，且开采氟碳铈矿时造成的环境影响较大^[112]。Weng等^[113]通过LCA研究发现稀土矿品位下降会显著增加稀土生产的环境影响，且环境影响高于普通金属，其中精炼阶段环境影响最大。Vahidi等^[114]发现在萃取稀土元素过程中，NaOH和HCl与有机溶剂相比环境影响较大。Zaimes等^[115]发现采矿、萃取和焙烧对环境影响最大，且能源消耗是钢铁的20倍以上。

通过以上分析发现稀有金属生产的环境影响主要来自采矿以及提取阶段，且大多会影响生态与人体健康，对富营养化和温室效应也有较大影响。

2.2.5 准金属

准金属一般指介于金属和非金属之间的物质，在半导体材料应用中有着十分重要的作用。

准金属的生产大多来源于采矿。Türkbay等^[116]对B生产的提取、选矿、精炼过程进行LCA分析，结果表明，精炼过程对环境的影响至关重要，部分产物排放到环境中会造成全球变暖、臭氧消耗、人体毒性、富营养化等问题，其中NaBO₃影响最大。谢明辉等^[117]采用LCA对多晶硅^[118]生产过程分析发现环境影响主要集中在人类毒性方面，其次是资源消耗，对生态毒性的影响最小。Nuss等^[20]对金属生产过程进行LCA研究发现，As对于GWP、陆地酸化和CED影响小，但对淡水富营养化、人类毒性有较严重影响；Se对陆地酸化、淡水富营养化和人类毒性影响最大，对GWP影响最小；Te对陆地酸化影响最大，对GWP、淡水富营养化、人类毒性、CED也有较大影响。

准金属生产的影响主要来自精炼过程，其产生的影响主要集中在CED、生态和人类毒性等方面，对GWP影响不大。

2.3 金属生产对环境产生影响的因素

在金属生产过程中有很多因素都会对环境产生影响，如矿石品位、电力能源、燃料类型、材料运输和加工方法等^[13]，目前金属开采、能源消耗、不同工艺路线是产生环境影响的主要因素。

金属开采与矿石品位和条带比有关^[119]。矿石品位低，需要经过更多的工序才能使产品质量达标[图5(a)]^[120]，将会造成更严重的能源消耗、温室效应、酸雨等影响^[121]，同时也会使土地结构产生严重变化。矿山废物的产生与土地结构的变化是衡量金属开采时环境影响的新指标。一般地，矿山的开采会首先使用高品位矿石，但随着时间推移，矿石品位会逐渐降低。对于Fe、Al、Mn等金属没有发现矿石品位随时间增加而下降的证据，但是Cu、Zn、Pb和Ni矿石品位确实显示出长期下降的趋势^[122]。

图5 (a) 矿石品位对Cu生产的影响^[120]；(b) 潜在来源的重金属污染率^[126]；(c) 电能来源对Al的GER和GWP的影响^[13]；(d) GWP和总材料需求之间的关系^[119]Fig.5 (a) Effect of ore grade on Cu production^[120]; (d) heavy metal pollution rates from potential sources^[126]; (c) effect of electricity energy source on GER and GWP for Al^[13]; (d) relations between GWP and total material requirement^[119]

能源消耗在金属生产过程中也会对环境产生影响。以原铝生产过程中的燃料发电为例^[13]，当燃烧效率相同时，选用不同的燃料产生的GHGs浓度不同；当采用的发电能源从煤转向天然气时，GWP会降低；当提高天然气的发电效率时，煤的消耗会降低，GER和GWP都会下降，数据对比结果见图5(c)。

此外，在金属生产过程中，通过不同工艺路线生产同一金属所产生的环境影响也有所不同。例如，生产Mn时可采用电解锰和冶炼锰两种生产工艺。电解锰所产生的环境影响类别主要有：矿产资源稀缺、化石能源稀缺、以CO₂排放为主的温室效应以及主要由排放硫酸造成的陆地生态毒性。冶炼锰产生的环境影响主要是由直接和间接排放的颗粒污染物造成的，由化石燃料燃烧及材料开采和加工消耗的电力、资源导致的间接排放在全生命周期中占66%^{[42, 47, 49]}。

不同影响因素对不同环境影响类别的影响不同。电力消耗大多是由于煤、焦炭、石油和核能等的使用造成的，其中大量煤、焦炭和石油等一次能源的消耗会导致化石能源资源消耗，同时燃烧发电过程中会排放大量温室气体；在金属生产过程的开采、提取以及精炼等环节会产生污染物，其会以气体、小颗粒或液体形式存在，导致土壤酸化、酸雨、水体富营养化等生态毒性，且随着重金属的生物积累产生人类毒性。

因此，想要降低金属生产过程对环境的影响应减少开采低品位矿石的工序、降低煤的使用或增加清洁能源的使用率，选择经济性好且环境影响小的工艺路线。关注化石能源消耗、电力消耗、金属开采过程和污染物的排放有利于找到对环境影响大的影响类别。

2.4 金属生产的影响类别

金属生产过程的主要影响类别有气候变化、生态毒性、人类毒性、资源消耗、水源污染等。金属毒性是一种被广泛报道的环境健康问题，可以通过食物链进行生物积累，可能会对人类和动物产生危险影响。本节将从金属生产对土壤毒性、人类毒性和气候变化方面进行阐述。

2.4.1 土壤毒性

土壤参数应作为生态系统状况参考的主要标准，因为其决定了植物、土壤微生物和动物的健康以及自然水体的水质^[123]。

微生物活性和酶活性可作为土壤质量的参照指标，研究表明低水平的有毒金属支持微生物生长、增加微生物生物量、增加酶活性，而高金属浓度可降低土壤微生物生物量表达、抑制酶活性^[124]。Plyaskina等^[125]的研究表明，矿场附近土壤中常观察到高浓度的Ni、Cu、Zn、Cd、Pb的化合物。Zhang等的^[126]研究表明，有色金属的开采和冶炼活动使土壤中含有大量的重金属[图5(c)]，导致重金属污染率较高。微生物活性和酶活性的下降将导致微生物菌群紊乱等从而导致植物无法正常生长，无法形成良好生态环境。

此外，由于有毒的金属离子通常包含在未经处理的尾矿中，矿山尾矿会导致土壤酸化，而酸性尾矿具有高电荷离子特征，有毒金属中Cr³⁺最易吸附在土壤上^[127]。过量的有毒金属元素含量会阻碍植物的正常生长、影响粮食作物的质量，并且会通过食物链积累威胁动物和人类的健康。

2.4.2 人类毒性

金属生产过程可以通过土壤、水和大气等多方面对人类健康产生影响。

工业废水是重金属最严重、最常见的来源之一^[128]，持续用受污染的水灌溉会降低土壤对重金属的缓冲能力，重金属可能渗入地下水或被植物吸收，由于重金属不可降解、不易分解，将在生物链中不断积累，最终会威胁人类健康^[129]。并且有毒金属不会对人体健康产生任何积极影响。例如，Pb是人体的非必需元素，过量摄入会损害人的神经、骨骼、循环酶、内分泌和免疫系统^[130]。除工业废水外，排入大气的金属颗粒也会通过呼吸、皮肤接触等方式，对人体的呼吸系统、心血管系统产生不良影响^[131]。

2.4.3 气候变化

金属生产过程会对温室效应产生较大影响。

以铁矿石和铝土矿为例，金属生产过程中GHGs的排放总量比例分配约为：装载和运输50%、破碎和研磨约47%，爆破仅占1%~8%。数据表明，在澳大利亚，铁矿产业的GHGs排放占比较大^[132]，所以金属生产会导致较多的GHGs排放。金属生产过程中往往以GWP为评估环境影响的主要指标。Kosai等^[119]将金属生产过程中的GWP与总材料需求进行对比以表明GHGs排放和资源开发之间的差异[图5(d)]。下节将对GWP进行详细综述。

3 典型金属生产的全生命周期碳足迹分析

随着冰川融化、温室效应等全球变暖现象日益严重，碳足迹分析成为国际研究热点^[133-134]。本节将对金属生产过程的GWP进行具体阐述。

3.1 典型黑色金属的碳足迹分析

全球钢铁工业CO₂排放量已超过36亿吨，平均2 t CO₂/t钢^[135]。Na等^[136]研究发现高炉-碱性氧气炉、废钢电炉和氢冶金工艺的CO₂排放量分别为1417.26、542.93和1166.52 kg。Zhu等^[137]提出减污降碳协同处理技术，优化现有超低排放技术。电解锰是资源消耗高、废物排放量大的行业之一。Zhang等^[42]利用ReCiPe2016和SimaPro8.4对电解锰进行评估得出其GWP为9594.04 kg CO₂-eq/t Mn。Hamuyuni等^[58]对钢带烧结-埋弧炉和回转窑-埋弧炉制铬铁合金工艺进行LCA分析，得出其GWP分别为1.6、7.2 t CO₂-eq/t铬铁合金。黑色金属应用范围广、生产数量多，污染不可小觑，是温室效应的主要贡献者。

3.2 典型有色金属的碳足迹分析

有色轻金属应用范围广，各国学者相继对其进行环境影响评价研究。Cherubini等^[138]对比目前应用广泛的Mg生产工艺，发现皮江法GWP最高，为37~47 kg CO₂-eq/kg，电解法的GWP较低，为20.4~26.4 kg CO₂-eq/kg^[27]。Chen等^[62]分析发现生产1 t K₂O造成的GWP为190 kg CO₂-eq，如果用水力发电取代煤电，GWP将减少1 kg CO₂-eq。Norgate等^[13]分析多个金属生产过程得出Ti、Al ( 35.7、22.4 kg CO₂-eq/kg)的GWP最大，Sr的GWP为3.2 kg CO₂-eq/kg^[20]。

有色重金属生产对环境的污染较大，Co的GWP相对较高，为23.7 kg CO₂-eq/kg^[21]。Ekman Nilsson等^[139]分析发现一次铜生产的GWP为1.1~8.5 kg CO₂-eq/kg，二次铜为0.2~1.9 kg CO₂-eq/kg，一次锌的GWP为2~6 kg CO₂-eq。Cu和Zn的二次生产碳排放更少，但技术并不成熟^[140]。Cd作为Zn生产的副产品进行冶炼加工，GWP主要由矿石破碎和研磨产生的粉尘造成，为3.0 kg CO₂-eq/kg^[19]，Ni和Pb的GWP为13.75和2.65 kg CO₂-eq/kg^[13]。该类金属的GWP均较小。

稀有金属包含金属的类别最多。Jiang等^[103]分析矿石和盐水产锂的GWP，分别为15.69和32.9 kg CO₂-eq/kg。Zhang等^[17]分析钠焙烧、亚熔盐和钙焙烧工艺生产V₂O₅的GWP分别为6340、1830以及4790 kg CO₂-eq/kg。Fthenakis等^[19]研究发现Ga、Ge和In是作为锌副产品开采和生产的，GWP分别为205、170、102 kg CO₂-eq/kg，Mo的GWP为5.7 kg CO₂-eq/kg^[21]。Hu等^[141]进行以P回收Y和Eu的碳足迹分析，GWP分别为10.1和10.6 kg CO₂-eq/kg，结果可用于制定稀土资源生命周期管理策略，以实现可持续利用。Nuss等^[20]使用SimaPro8软件分析Sc、Nb、Hf、Re的GWP，分别为5710、12.5、131、450 kg CO₂-eq/kg。Zr的环境影响主要体现在净化阶段，GWP为1.1 kg CO₂-eq/kg；U的GWP为37 kg CO₂-eq/kg^[21]。量化金属生产的环境负担为评估材料效率提供更系统的基础。

贵金属因其价格昂贵著名，Farjana等^[142]对金矿开采进行研究，发现因为质量和经济的混合分配，Ag的GWP为62.12 kg CO₂-eq/kg，Au为180 t CO₂-eq/kg。铂族金属是水电解产氢气的重要催化剂，是向可再生能源过渡的重要组成部分^[143]，但是其GWP很高，依次为Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt（2110、35100、3880、4560、8860、12500 kg CO₂-eq/kg）^[20]。使用生物湿法冶金从废旧汽车催化剂中提炼贵金属的碳排放最低，其次是湿法、火法^[144]，因此生物湿法冶金被认为是一种可持续生产铂族金属的技术。

准金属在工业上应用广泛。Rachid等^[21]使用生命周期影响评价软件ReCiPe2016发现B的GWP较低，为1.01 kg CO₂-eq/kg。Yang等^[145]通过LCA计算得生产1 kg多晶硅会产生高达113.3 kg CO₂-eq，且可实现对多晶硅生产过程GWP的在线监测，促进国内硅产业链的智能化发展。Nuss等^[20]指出主要以矿物形式存在的As的GWP为0.3 kg CO₂-eq/kg。Fthenakis等^[19]研究发现Se、Te主要是作为Cu的副产品开采和生产，GWP分别为3.6、21.9 kg CO₂-eq/kg。该类金属将在未来发挥重大作用。

通过对所有典型金属的GWP分析发现（图6），贵金属的GWP显著高于其他种类，其次是稀有金属。GWP最高的五种金属为Rh、Pb、Au、Ir、Sc，主要是由从精矿转变为金属形态的提取和精炼过程导致的。钢铁的单位GWP虽然不高，但是由于生产总量大，所以其环境影响也不容忽视。

图6 典型金属的GWP分析Fig.6 GWP analysis of typical metals

4 总结与展望

随着工业化进程加快，金属需求量逐年增加，为使金属生产过程绿色高效可持续性发展，本文对62种典型金属生产过程的环境影响评价以及碳排放问题进行总结，比较环境污染程度以促进金属生产行业进步并提出降低环境污染措施。如图7所示，在黑色金属生产时，利用生物质替代化石能源、选择合适的Mn冶炼方式、降低Cr⁶⁺在自然界中的含量均可降低环境影响；有色轻金属是目前生产量较多的金属，生产方式多样化，在GHGs排放、生态毒性方面产生较大的影响，生产时需要选择合适的生产方式、对产生的有害废物选取合理的解决措施；有色重金属自身具有较大毒性，资源耗竭、生态毒性和人类健康是受影响最大的类别；贵金属的开采和精炼过程会对大气和水体造成较为严重的影响，在生产时需重点关注两阶段中采用的工艺，同时强化对污染大气和水体的处理；稀有金属和准金属生产时会对生态毒性和人体健康等方面产生影响，生产时应重点关注金属的毒性，目前相关评价文献较少，但其重要性日益显著，发展潜力巨大；贵金属在生产过程中的GWP显著高于其他金属，GWP最高的五种金属为Rh、Pt、Au、Ir、Sc，这主要是由从精矿转变为金属形态的提取和精炼过程导致的。对金属的生产过程进行全面总结，可以发现目前领域内的研究空缺，优化金属的生产方式。

图7 典型金属生产过程的环境影响评价Fig.7 Environmental impact assessment of typical metal production processes

各种金属的生产方式不同、评价侧重点不同，但其生产过程均会对环境产生影响，且目前相关评价研究较片面，主要体现在以下几个方面：

（1）稀有金属和准金属在工业中的需求量逐渐增加，但是相关评价文献较少，是目前评价领域内的空缺，亟需对其展开研究；

（2）碳排放是目前最受关注的影响类别，但是仍存在部分金属没有进行详细的碳足迹分析，对其展开研究可在一定程度上减轻全球变暖现象；

（3）目前领域内对所有金属进行综合全面的评价研究较少，对金属生产展开经济性评价、生态毒性相关评价具有广阔的发展前景。

本文重点研究金属资源开发导致的环境问题，整个金属生产行业未来需要重点考虑金属元素自身的性质、依据其不同阶段的污染程度优化生产方式，且应聚焦金属生产行业的GHGs排放问题。未来应重点关注Li、Si等稀有金属和准金属，需重点研究不同生产环节对金属生产行业造成的具体影响，有利于精准减少金属生产对环境的污染，例如黑色金属的生产及应用产量大，导致其环境影响较为严重，减少其用量并不现实，应优化其生产及制造工艺以显著减少对环境的危害。有色重金属自身的毒性对其生产过程会造成较为严重的影响，其毒性很难在根本上解决，在其生产时需严格控制金属元素泄漏，减少其生产量。金属生产行业蒸蒸日上，依照各类金属生产时存在的共性问题可以有效解决环境污染。

引用本文：高文芳, 崔晗, 孙一冉, 彭佳晴, 朱睿, 夏然, 张馨予, 李佳奇, 王学良, 孙峙, 吕龙义. 典型金属生产过程的环境影响评价研究进展[J]. 化工学报, 2024, 75(9): 3056-3073 (GAO Wenfang, CUI Han, SUN Yiran, PENG Jiaqing, ZHU Rui, XIA Ran, ZHANG Xinyu, LI Jiaqi, WANG Xueliang, SUN Zhi, LYU Longyi. A critical review on environmental impact assessment of typical metal production processes[J]. CIESC Journal, 2024, 75(9): 3056-3073)

第一作者：高文芳（1990—），女，博士，副教授，wfgao@hebut.edu.cn

通讯作者：孙峙（1982—），男，博士，副研究员，sunzhi@ipe.ac.cn；吕龙义（1989—），男，博士，副教授，lvlongyi@hebut.edu.cn

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkwMjI2NzAyOA==&mid=2247555213&idx=1&sn=d4eaa1a92c4645549cc5c74b9e43caf2

化工学报

《化工学报》（月刊）是我国化工领域权威性学术期刊，EI、SCOPUS收录，由中国化工学会和化学工业出版社共同主办、化学工业出版社出版。