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海水煉鎂——彰顯物質(zhì)和材料減量化優(yōu)勢,對可持續(xù)性的意義重大,貢獻巨大!

發(fā)布日期:2023-08-11 瀏覽次數(shù):1137

            1944年,威拉德·道(WillardDow)對美國參議院表示,“從浩瀚的大海中提取出閃閃發(fā)光的鎂金屬,這是人類的一種壯舉和成就。即便是從前最有想象力的煉金師,也沒能想象出這一景象?!碧帐湘V業(yè)(Dow Magnesium,原譯為道屋化學(xué))曾是有史以來最大的鎂金屬生產(chǎn)商。在美國德克薩斯州自由港市(Freeport),陶氏鎂業(yè)曾運營了一個世紀,期間這個鎂廠從海水中提取了數(shù)百萬噸金屬鎂。陶氏鎂業(yè)認為,從海水中提鎂是人類文明向前邁出的重要一步。

圖1。陶氏在德克薩斯州Freeport的前工廠,用于從海水中分離鎂的水池(左)和冷卻鎂犧牲陽極(右)。


            鎂有很多優(yōu)點:普通合金比鋁輕1/3,比鋼輕3-4倍。鎂易于壓鑄且具經(jīng)濟性,有利于大規(guī)模制造。與碳纖維復(fù)合材料等其它輕質(zhì)材料相比,鎂的應(yīng)用更具有可擴展性。但嚴格來說,陶氏鎂業(yè)著迷的并不是鎂材料的技術(shù)特性。他們喜歡鎂,因為它也是唯一可以由海水制成的結(jié)構(gòu)材料。

圖2:陶氏鎂業(yè)公司的海報顯示了海水中鎂的含量


        盡管陶氏鎂業(yè)的海水煉鎂業(yè)務(wù)取得了成功,但鎂并沒有發(fā)展成為一個大型的全球性產(chǎn)業(yè)。大多數(shù)輕量化產(chǎn)品都應(yīng)用鋁,而當(dāng)今世界使用的鋁的質(zhì)量大約是鎂的50倍。鎂之所以艱難競爭,至少有一個原因:鎂業(yè)沒有真正講述出自己的故事,或者至少沒有把鎂的故事講得很好,沒有說服潛在客戶放棄對鋁和鋼的投資。1966年,當(dāng)時的國際鎂協(xié)主席Roger Wheeler批評了協(xié)會的會員,他說:“鎂行業(yè)中缺乏成熟和完善的營銷技巧?!?2003年,福特前工程師Gerald Cole感嘆道,“鎂的一個主要問題,是供應(yīng)端沒有足夠的專注者?!?/span>


        除非有十分明確的技術(shù)和市場收益,否則(編者注:指西方)很少有人會投資于鎂的產(chǎn)品開發(fā),而且在20世紀,很少有人認真理解陶氏鎂業(yè)對鎂的見解和實踐:這是一個不用采礦就能制造金屬的機會。但是,時過境遷,在21世紀,認知應(yīng)該會發(fā)生變化了。


一切都在改變


        這是一個徹底變革的10年。新冠疫情和俄烏戰(zhàn)爭使許多人意識到,在具有共同價值觀的國家建立更短、更清潔的供應(yīng)鏈至關(guān)重要。這些價值觀越來越注重減少人類的活動對環(huán)境和社會的影響,同時保持高質(zhì)量的生活。降碳、脫碳以減少氣候變化,已成為餐桌上的話題,但脫碳只是可持續(xù)性故事的一部分。畢竟,碳中和的技術(shù)仍然會對環(huán)境產(chǎn)生嚴重影響。例如,采礦作業(yè)中的尾礦庫,如果坍塌或者泄漏,仍然會破壞生態(tài)系統(tǒng)并造成人員死亡。最終,最好的情況是不需要開采或不存在尾礦庫。

另一方面,物質(zhì)及材料減量化是一種技術(shù)創(chuàng)新,注重于“用更少的資源做更多的事”,在消耗大量自然資源的同時實現(xiàn)更高的經(jīng)濟產(chǎn)出。幾乎所有新技術(shù),都通過提高產(chǎn)品質(zhì)量或減少產(chǎn)品生產(chǎn)所需的資源輸入為客戶創(chuàng)造價值。智能手機、太陽能和電池,就是實現(xiàn)物質(zhì)及材料減量化的3個產(chǎn)品例子。此外,對減少供應(yīng)鏈的環(huán)境和社會影響的日益關(guān)注,還會促使許多行業(yè)加快物質(zhì)減量化。鑒于這些趨勢,陶氏對鎂的愿景似乎更具有預(yù)見性(圖3)。


圖3 陶氏公司為推廣鎂而制作的藝術(shù)海報

鎂對物質(zhì)和材料減量化的作用和貢獻

        采用智能手機,提供從單一手持來源獲取大量知識的途徑,并以此實現(xiàn)信息的材料減量化。當(dāng)下在利用的太陽能、風(fēng)能和電池技術(shù),正用于能源領(lǐng)域的材料減量化。同樣,利用陶氏和海德魯鎂業(yè)幾十年來商業(yè)化使用的電化學(xué)技術(shù),不經(jīng)采礦過程就從海水中提煉出鎂金屬,是原鎂生產(chǎn)實現(xiàn)物質(zhì)減量化的唯一途徑。


        鎂金屬更佳的輕量化特性,使其能夠消除車輛中使用的某些金屬部件75%的自重,這將使消費者能夠使用相同的能源行駛更遠的距離。這一舉措,支持了數(shù)十年來通過在美國實施CAFE標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)置的運輸脫碳。在電動汽車時代,使用鎂而不是鋁和鋼,將使汽車制造商能夠在每輛車上使用更少的電池,為消費者提供相同的行駛里程。


        因此可以認為,從物質(zhì)減量化、材料減量化角度,海水煉鎂對金屬領(lǐng)域的支持作用,可相當(dāng)于太陽能利用對清潔能源的支持,作用和貢獻巨大。

        陶氏鎂業(yè)和挪威海德魯鎂業(yè)使用的電化學(xué)技術(shù),包括4個主要步驟:濕法冶金、脫水、電解和金屬鑄造。在第一步中,從海水或從鉀鹽或海鹽作業(yè)產(chǎn)生的廢鹽水中獲得鹽水濃縮物。這些鹽水濃縮物經(jīng)過提純和蒸發(fā),得到純鎂鹽水合物。之后,使用各種類型的脫水技術(shù)處理,以生產(chǎn)不含水的無水鎂鹽。開發(fā)或利用的電化學(xué)煉鎂技術(shù),會使用不同的脫水技術(shù),因此脫水技術(shù)從未整合為單一的一種方法。然后,將無水鎂鹽熔化并電解以制備金屬鎂。金屬鎂是從電化學(xué)電解槽中“提取”出來,用于制造各種鎂產(chǎn)品,包括用于鋁工業(yè)的純鎂錠、用于壓鑄的鎂合金錠,或直接將鎂液送去鑄造。這一過程的副產(chǎn)物,包括水、氯和從鹽水中去除的少量雜質(zhì),但不會產(chǎn)生大量的殘渣。


        相比之下,中國企業(yè)在20世紀90年代和21世紀初采用的皮江法工藝,其工藝與陶氏和海德魯開發(fā)的工藝完全不同。皮江法工藝不利于未來發(fā)展,它使用大量的能源作為高溫?zé)崮?,并在煅燒鎂礦、生產(chǎn)硅鐵等還原劑以及工藝過程的高溫加熱時直接排放二氧化碳。盡管皮江法有其缺點,但這種工藝得益于成本結(jié)構(gòu),該成本結(jié)構(gòu)依賴于燃煤和廉價人力資源。這使得西方生產(chǎn)商幾乎不可能與中國生產(chǎn)商競爭,在中國政府推出出口退稅之后,更刺激了廉價和非清潔生產(chǎn)的鎂產(chǎn)品的出口。


        然而,鎂市場開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)變。隨著中國努力實現(xiàn)工業(yè)脫碳,中國的生產(chǎn)商現(xiàn)在也越來越難獲得低廉的煤炭電力和廉價勞動力,并且大多數(shù)人開始進入中產(chǎn)階級。此外,電化學(xué)鎂將從太陽能和電池的發(fā)展中受益匪淺,從而在新的生產(chǎn)地區(qū)釋放出低成本生產(chǎn)的潛力。

太陽能、風(fēng)能和地?zé)岬瓤稍偕茉?,降低了電力成本和碳排放,而世界各國政府的碳稅和其他措施使二氧化碳排放成本更高,這使鎂生產(chǎn)商開始意識到直接排放二氧化碳沒有技術(shù)或經(jīng)濟激勵。相比之下,使用海水的電化學(xué)生產(chǎn)工藝(其本身就可脫碳)將開始變得更有吸引力。事實上,電化學(xué)鎂生產(chǎn)對未來非常有吸引力,甚至中國也在努力減少勞動密集型皮江法工藝的運營,以支持使用電化學(xué)技術(shù)從鹽水中生產(chǎn)鎂的新投產(chǎn)工廠。很快,利用電化學(xué)技術(shù)生產(chǎn)鎂,可能成為世界上最具經(jīng)濟競爭力的輕質(zhì)金屬生產(chǎn)途徑之一。


        同樣,與原鋁或鋼生產(chǎn)相比,鎂更容易脫碳。使用傳統(tǒng)技術(shù),還原鋁和鐵都需要使用碳去除氧。這些生產(chǎn)過程導(dǎo)致了全球10%的二氧化碳排放。盡管創(chuàng)業(yè)公司花費數(shù)億美元和數(shù)十年時間試圖找出如何在不排放二氧化碳的情況下制造鋼鐵和鋁,但在一個世紀內(nèi),鎂已經(jīng)沒有直接排放二氧化碳。鎂鹽本身不含氧,鎂電解的溫度比鋁電解和鋼鐵生產(chǎn)低得多,這意味著鎂消耗的能量要少得多。


        原鎂的生產(chǎn)有可能成為世界上最清潔的提煉冶金工藝。在鎂產(chǎn)品的壽命結(jié)束時,還有更多的益處。鎂在腐蝕時變成氫氧化鎂,最終以可溶性碳酸氫鹽的形式返回海洋。此過程能夠自動封存二氧化碳。然后,它可以從海水中產(chǎn)生,而不會向大氣中排放二氧化碳。這使得鎂成為唯一固有的循環(huán)型結(jié)構(gòu)金屬。


        鋁和鋼注定具有線性價值鏈。它們將始終需要固體礦物自然資源的投入,并將始終輸出不會封存二氧化碳的廢物。所有金屬都可以回收,但絕不是無限循環(huán)的:每次回收金屬時,金屬都會以殘渣(譬如鋁灰)或礦渣的形式而出現(xiàn)損耗,因此鋁等金屬只能平均回收10-15次,之后會成為廢料。


        海水中的鎂,不需要通過開采固體礦產(chǎn)資源而獲取,也避免建造尾礦庫,這兩者都會造成嚴重的危害。例如,鐵礦石開采可能會造成嚴重影響,比如澳大利亞的Juukan峽谷遭到破壞,導(dǎo)致力拓首席執(zhí)行官(CEO)辭職。用海水中的鎂替代采礦,是消除這些有害環(huán)境和社會影響的唯一途徑。


重回未來


        世界將永遠會需要采礦來生產(chǎn)一些金屬。除了在合金開發(fā)方面取得突破外,鎂將無法實現(xiàn)鋼和鋁的某些功能,至少在很長一段時間內(nèi)是如此。即使如此,通過在車輛和其它車輛上使用更多的鎂金屬,也有可能最大限度地減少維持社會高質(zhì)量生活所需的采礦量,并繼續(xù)人類經(jīng)濟發(fā)展。

正如大眾汽車和主要汽車制造商幾十年來所證明的那樣,鎂是一種非凡的材料,可作為運輸脫碳和材料減量化的重要手段,但是目前鎂的利用極不充分,用量還并不大。

        在您的下一次聚會上,您可以跟您的朋友講,我們可以用海水制造電動汽車、自行車、直升機、飛機和衛(wèi)星。事實上,所有這些產(chǎn)品中都已經(jīng)采用了鎂。顯然,未經(jīng)礦業(yè)開發(fā)而制造的鎂金屬,為未來的美好前景帶來了希望,這一舉措對地球資源和環(huán)境的負面影響甚微??梢哉f,海水中的鎂,是21世紀的金屬。

        100年前,陶氏鎂業(yè)的從業(yè)者就有了這樣的愿景和實踐。到今天,隨著氣候變化危機和社會影響的攀升,這一遠景的時代才真正來臨。無需采礦且低碳排放的鎂金屬的復(fù)興,將是最終的“重回未來”的技術(shù)突破,也將是這種金屬和這個行業(yè)對世界重要的貢獻。

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