基于仿真的氧化铜钴矿湿法冶金处理全生命周期评估

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Simulation-based life cycle assessment of hydrometallurgical treatment for oxide copper-cobalt ores

酸浸与氨浸法处理氧化铜钴矿石的铜钴回收率、能耗及环境影响对比研究。摘要：通过过程模拟和生命周期评估发现，氨浸法铜回收率提升1.21%，钴回收率提高18.91%，但全球变暖潜势达825.12 kg CO2eq，显著高于酸浸法的503.48 kg CO2eq，且氨浸法需高压反应和更多化学试剂。

　　

强竹|天翔楠|小斌范|思阳彭|江刘|世阳唐|建国杨

湖南工业大学材料科学与工程学院，中国株洲412007

摘要

从含钴资源中可持续地提取有价值的成分对于维持电池行业原材料的可靠供应至关重要。本研究评估了使用酸浸和氨浸法从氧化铜钴矿中提取铜和钴的可持续方法。工艺模拟和生命周期分析显示，氨浸法分别使铜和钴的回收率提高了1.21%和18.91%，并减少了用水量和废弃物。基于氨的方法显示出较低的用水量和固体废物产生量。然而，它也需要压力浸出以及更广泛和数量的化学试剂，从而导致比酸浸法更大的环境影响。结果表明，处理1吨氧化铜钴矿的全球变暖潜力分别为：酸浸法503.48公斤二氧化碳当量，氨浸法825.12公斤二氧化碳当量；酸化潜力分别为3.45公斤二氧化硫当量和4.59公斤二氧化硫当量。因此，氨浸法面临更大的环境挑战。

引言

钴是一种关键的战略性矿产资源，在电池材料、硬质合金、磁性材料和航空航天应用中不可或缺[1]。根据美国地质调查局的数据，2020年全球钴储量约为700万吨，其中刚果民主共和国拥有最大的份额，为360万吨，占全球储量的50%以上[2]。几十年来，钴主要作为非洲铜带地区铜矿开采的副产品进行提取[3],[4]。然而，电动汽车和数字产品的快速增长显著提高了对钴的需求，钴是电池正极材料（包括LiCoO₂和LiNi_xMn_yCo_zO₂）的关键元素[5],[6]。由于这种需求的增加，采矿活动显著增加，越来越多地将钴作为主要开采目标。这些新增产能的很大一部分来自氧化铜钴矿，这些矿石主要是通过风化过程形成的。

目前，大多数氧化铜钴矿冶炼厂采用传统的酸浸工艺，使用硫酸作为浸出剂。虽然这种方法具有成熟的操作条件和相对较高的金属回收率，但它面临高酸消耗和低选择性的挑战，导致复杂的净化过程和增加的操作难度。鉴于矿产资源品位的下降，传统的酸浸工艺将产生更多的废物，并需要更多的硫酸来处理等量的原材料。这些挑战，加上生态问题和试剂成本的上升，迫切需要开发更清洁、更可持续的提取方法。已经探索了多种替代工艺以实现铜和钴的高效环保提取。在这些替代方法中，结合火法冶金和湿法冶金技术的铵盐焙烧-浸出-沉淀工艺可以实现高铜和钴的提取率[7],[8],[9]。然而，考虑到铵盐的热稳定性较差以及原材料中有价值成分的品位较低，在火法冶金阶段难以避免对试剂的高需求和能源消耗。近年来，通过直接热液氨浸从氧化铜钴矿中高效提取铜和钴引起了广泛关注，例如研究了影响金属浸出率和浸出动力学模型的因素[10],[11]。尽管氨系统具有优异的浸出选择性和氨的可回收性等独特优势，但对其工艺可持续性的全面评估和参数的进一步优化仍然是必要的。

随着低碳社会和绿色生产概念的普及，生命周期评估（LCA）作为一种统计和分析方法，用于定量和标准化评估某种产品或工艺的生产和运营过程中产生的环境排放指标，被广泛使用[12],[13],[14]。LCA为工艺选择、材料使用、标准制定和政策制定提供了关键见解。在有色金属提取领域，从原始矿物到初级金属产品的生命周期清单（LCI）的建立，结合环境影响分析，为改进和减少这些操作的环境后果提供了重要基准[15]。例如，Joanna Kulczycka等人使用波兰Glogow II冶炼厂的数据，评估了从竖炉技术转向闪速炉技术在初级铜生产中的环境效益和潜在节能效果[16],[17],[18]。同样，Shahjadi Hisan Farjana评估了铝生产在四个关键阶段（铝土矿开采、氧化铝制备、铝电解）的环境影响，并提出了采用可再生能源的建议[19]。Li等人建议将碳捕获、利用和储存技术纳入铝生产系统以实现零排放[20]。值得注意的是，工艺生命周期评估的准确性取决于相应工业生产的参数是否可靠和完整。在不同的LCI估算方法中，工艺模拟方法的数据准确性仅低于直接获得的工业参数。该方法主要使用商业软件构建模拟化学过程，并计算每个单元的材料和能量流动，以建立LCI清单。对于新开发的工艺技术，获取精确数据可能具有挑战性，需要利用工艺建模和参数估算来为数据不足的新工艺制定详细的LCI。然后分析这些LCI结果，以评估工艺的潜在价值和环境影响指标。许多研究表明HSC软件在构建工艺模拟以得出可靠的LCI数据方面的有效性[21]。基于质量和能量守恒原理，该软件根据热力学数据和给定的反应方程计算结果。例如，天翔楠等人使用这种方法比较了用于回收印刷电路板的酸浸和碱浸工艺，发现基于LCA评估，碱浸工艺具有环境优势[22]。Marja Rinne等人使用通过工艺模拟获得的LCI数据，分析了四种不同湿法处理混合锂离子电池废物的技术和环境影响，并提出了工艺优化和改进的建议[23],[24]。此外，还通过工艺模拟评估了从含钴和金的复杂矿石中回收金和硫酸钴的湿法冶金工艺，并对不同工艺情景及其潜在环境影响进行了预测[25]。Shahjadi Hisan等人对钴的生产进行了生命周期评估，并将其与镍和铜的生产进行了比较，确定富营养化和全球变暖是受影响最严重的类别[26]。然而，关于从典型氧化铜钴矿中湿法冶金提取铜和钴的环境影响评估很少有报道。

本研究采用建模方法探讨了两种不同的湿法冶金途径，旨在从氧化铜钴矿中回收有价值的铜和粗钴氢氧化物（可销售商品），分别关注酸性浸出工艺（SCE1）和氨浸工艺（SCE2），使用H₂SO₄和NH₃·H₂O-(NH₄)₂SO₄作为浸出剂。通过工艺模拟得出的生命周期清单（LCI）数据被用来使用生命周期评估（LCA）对这些工艺的技术特性和环境影响进行关键评估。分析从多个角度探讨了减少环境足迹的可行策略，并提出了工艺优化的方法。总之，本研究为优化氧化铜钴矿的湿法冶金加工提供了宝贵的见解，旨在提高用于电动汽车和移动设备等应用的关键材料生产的可持续性，同时尽量减少环境影响。

部分摘录

材料与方法

采用基于工艺模拟的生命周期评估（LCA）方法，对使用传统硫酸浸出工艺和新型氨浸出工艺处理氧化铜钴矿的过程性能和环境影响进行了比较分析。工艺模型使用HSC Sim 10开发。通过整合来自相关文献的真实世界工业生产数据和相关技术参数，

产品与提取效率

两种工艺路线得到的最终产品分别是铜正极和粗钴氢氧化物。如图3(a)所示，SCE1的铜和钴回收率分别为93.32%和76.1%。与SCE2相比，铜的回收率表现相当，而钴的回收率则明显降低。在浸出过程中，SCE1和SCE2的铜和钴的浸出率分别为94%、85%和95.6%、87.2%。

局限性与未来工作

本文讨论的酸浸和氨浸工艺是特定的技术工艺，并不适用于所有酸浸和氨浸方法。因此，所提供的讨论并非普遍原则，而是针对本研究中所考察的具体工艺的比较分析。

在本研究中，相关的LCI数据是基于已建立的模型收集的。HSC软件数据库提供了大多数反应组分的熱力學数据；

结论

本研究调查了两种湿法冶金工艺——酸浸和氨浸——用于从氧化铜钴矿中提取铜金属和粗钴氢氧化物。通过对这两种方法的整个过程进行建模，获得了每种工艺的LCI，并对其结果进行了分析。此外，还提供了钴铜氧化物矿湿法冶金提取的端到端LCA结果。主要结论总结如下：

(1)
与

CRediT作者贡献声明

建国杨：写作 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。世阳唐：研究，数据管理。强竹：写作 – 审稿与编辑，初稿撰写，软件使用，数据管理。江刘：研究，数据管理。思阳彭：研究，数据管理。小斌范：研究。天翔楠：写作 – 初稿撰写，软件使用，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了湖南省研究生科学研究创新项目（项目编号：QL20220064）和中南大学的基本科研业务费（项目编号：2022XQLH032）的支持。作者还感谢中国 Scholarship Council（项目编号：202206370103）、国家自然科学基金青年基金（项目编号：52504386）以及国家科技重大专项（项目编号：2025ZD0612202）的财政支持。