《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Toward Sustainable Rare Earth Element Production: Key Challenges in Techno-Economic, Life Cycle, and Social Impact Assessment
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本综述系统梳理了稀土元素（REE）生产系统的可持续性评估方法，重点分析了技术经济分析（TEA）、生命周期评估（LCA）和社会生命周期评估（sLCA）三大支柱在应用中的关键挑战与局限性。文章指出当前评估存在系统范围界定不清、数据可获得性差、技术放大不确定性高以及跨支柱整合不足等问题，并针对产品估值、成本核算、功能单位转换、分配方法、放射性影响量化等具体难点提出了标准化与整合建议，为未来开发经济可行、环境友好且社会公平的稀土生产系统提供了重要方法论指导。
1. 引言
稀土元素（REE）是17种关键矿物，广泛应用于风力发电机、电动汽车等清洁能源技术。传统上，稀土生产集中于少数地理政治受限地区的采矿活动。开发利用新技术和非常规原料的系统，为满足日益增长的需求并提升可持续性提供了机遇。技术经济分析（TEA）、生命周期评估（LCA）和社会生命周期评估（sLCA）是评估这些系统可持续性绩效的常用工具。然而，针对稀土系统的分析面临系统范围、数据可用性、技术放大和不确定性等挑战。现有文献中，系统功能多样，除生产稀土外，还包括循环生产和废物修复，导致范围界定不一致。此外，稀土价格的不稳定性导致基于不同收入、成本和影响分配的高度不确定性。因此，这些分析使决策者对当前稀土生产格局的理解不完整，阻碍了未来研究和政策目标的智能高效识别。本叙述性综述旨在通过交叉分析整合可持续性三大支柱的知识，阐述当前各领域的方法学局限，提供解决这些局限的实用资源，并就评估新兴稀土生产系统相对于传统路线的改进方法提出建议。
2. 当前稀土回收工艺格局
多种工艺流程已被探索用于处理二次原料，包括消费后产品（如催化剂、磁铁）、工业后废物（如粉煤灰、酸性矿山排水）以及其他矿物（如褐煤、磷矿石）。然而，这些原料具有独特的稀土和杂质组成，使得稀土提取和纯化具有挑战性。因此，正在开发新技术（如生物浸出、电化学过程、吸附分离）以降低这些系统的成本和环境负担。尽管如此，低技术成熟度使得难以评估这些技术在全规模下与传统路线比较的性能。尝试使用传统稀土氧化物（REO）生产的技术数据具有挑战性，因为这些数据通常是专有的。然而，文献中可获得某些信息，包括简单的工艺流程图和成本数据。这些简单的流程图和基本原理已被用于替代原料。这些路线通常遵循一个通用流程：固体原料经过选矿，随后将稀土浸出到液相，然后去除杂质并选择性分离单个稀土以进行进一步精炼。
从通用流程图可以看出，稀土生产始于采矿，通过钻孔爆破获取稀土矿石。矿石随后进行选矿，包括将岩石破碎研磨成细颗粒，然后通过浮选、磁选和过滤分离稀土矿物。接下来是浸出，使用酸、碱或热化学“裂解”方法将稀土溶解到溶液中。溶解的稀土随后通过化学沉淀、电化学方法或溶剂萃取等技术进行浓缩。之后，单个稀土必须彼此分离，通常使用顺序溶剂萃取阶段、离子液体或离子交换树脂。纯化的稀土随后从溶液中沉淀出来（通常使用草酸）并煅烧成氧化物。最后，稀土氧化物（REO）可以通过电解或金属热还原进一步精炼成纯稀土金属。
许多非常规原料和技术正在探索中。早期系统分析对于确定这些工艺和技术与传统稀土加工路线相比的经济、环境和社会权衡至关重要。
2.1. 传统稀土生产的经济学和环境影响
先前的研究汇编了传统稀土生产过程的广泛经济数据。该综述报告了不同稀土生产设施的运营成本存在巨大差异。资本支出（CAPEX）范围从每公斤稀土产出0.016美元到608美元（按2022年美元计），运营支出（OPEX）范围从每公斤稀土产出0.91美元到11,000美元。平均而言，稀土生产成本约为每公斤27.83美元。这些成本按工艺环节进一步细分，稀土选择性分离和精炼占工艺成本的大部分（从采矿到精炼总成本的67%）。这些稀土生产设施的收入是原料中稀土组成以及稀土纯度的函数。所生产稀土总和的每公斤价格称为篮子价格，该价格在过去20年中波动很大。据报道，典型的篮子价格范围约为每公斤15至55美元，但在2011年左右因中国政策变化观察到更高的篮子价格。
关于稀土生产的环境影响，已有许多研究使用了各种不同的假设和不确定性。此处总结了报告的全球变暖（GW）影响，以量化多个传统稀土氧化物（REO）生产研究的集体不确定性。结果显示，不同研究对白云鄂博（BO）和南方省份（SP）路线的全球变暖影响评估差异近一个数量级。这种高度不确定性使得新型系统是否具有比传统系统更低的全球变暖影响变得不那么明确。此外，不同传统生产路线各工艺环节对全球变暖的贡献比例也不同。传统稀土生产既经济波动大，环境足迹也存在显著不确定性，成本和排放量级差异巨大。这些不一致性凸显了为评估替代系统制定标准化指标和基准的紧迫性。
3. 当前可持续性评估实践的局限与差距
3.1. 技术经济分析（TEA）
在所综述的文献中，技术经济分析（TEA）研究调查了工业后废物（如煤废料）、消费后废物（如钕铁硼磁铁）的回收以及矿石。不同原料的稀土含量差异很大，从酸性矿山排水中的小于0.001 wt% 到独居石矿石中的50 wt%。此外，不同原料中最丰富的稀土元素也不同：铈（Ce）在矿石和工业后废物中最普遍（约占稀土的20-35 wt%），钕（Nd）在钕铁硼磁铁（63-89 wt% 稀土）和手机（70 wt% 稀土）中最普遍，而镧（La）在流化催化裂化（FCC）催化剂和镍氢电池（97-100 wt% 稀土）中最普遍。在17项研究中，有16项研究的稀土年产能至少为1公吨，原料越丰富，产能越大。然而，一项关于钕铁硼磁铁的研究考虑了低于1公吨/年的产能，导致其经济性与其他钕铁硼研究相比非常不利。在这17项研究中，总稀土回收率各不相同（从20到100 wt%），取决于原料组成和所选加工技术。根据原料不同，不同的污染物和稀土浓度影响了浸出效率和溶剂萃取性能。总体而言，每种原料的组成和可用性存在巨大差异，导致技术挑战和独特的设计决策。此外，在成本估算中，是否将废物处理和储存单元纳入技术经济分析（TEA）存在不一致之处。
这些技术经济分析（TEA）研究在五个方面存在局限性和不一致性：产品识别、产品估值、运营成本（OPEX）、资本成本（CAPEX）和盈利分析。研究表明，产品估值、成本和盈利能力存在高度可变性，主要由原料组成和联产品策略驱动。一致的方法论和透明度对于实现有意义的跨研究比较至关重要。
3.1.1. 产品和联产品识别的复杂性
潜在稀土产品包括混合稀土浓缩物（mREE）、单个稀土（iREE）、还原稀土金属（REM）和高度加工的稀土产品（REEp）。通常，纯度更高的产品价值显著提高。然而，进一步的纯化会产生额外成本。因此，潜在的下游加工整合必须平衡收入增加与成本。在17项研究中，有12项研究的大部分收入仅来自一种稀土，表明纯化其他稀土可能不值得花费成本。一些研究考虑了混合产品是否具有足够的纯度和组成，可以直接使用而无需承担进一步分离的费用。其他研究发现，联产品是主要的收入来源。这些联产品包括避免的废物处理费、其他金属产品和其他化学品。这些联产品的收入也有助于使系统盈利能力免受稀土市场价值高度波动的影响。然而，联产品的识别和估值在研究之间不一致，并且关于联产品带来的附加值报告不足，无法确定最优策略。
3.1.2. 稀土氧化物/稀土产品估值的局限性与不一致性
除了识别稀土产品外，估算每个稀土产品的价值也具有挑战性。许多研究使用“篮子价格”，该价格使用原料中每个单个稀土的价值来评估分离稀土氧化物（sREO）的价值。篮子价格在包含多种稀土的原料（如独居石、粉煤灰、酸性矿山排水）的文献中常被报道。篮子价格差异很大，从低至每公斤2美元到某些情况下超过400美元。然而，大多数篮子价格在50-150美元/公斤之间变化。使用篮子价格存在局限性，因为篮子价格基于市场数据，而这些数据有限且波动性高（自2010年以来稀土氧化物价值波动高达400%）。市场价格主要针对纯度大于99.9%的单个氧化物（iREO）或金属（REM），使得评估未纯化的混合稀土（mREE）产品的价值变得困难。为了克服这一限制，研究使用了多种方法来测定不同纯度稀土产品的价值，其准确性各不相同。总之，不同纯度稀土产品价值的高度不确定性使得量化收入和跨系统比较变得困难。
3.1.3. 运营支出（OPEX）的不确定性与可变性
从综述的文献来看，运营支出（OPEX）可分为五个不同类别：材料、公用事业、人工、维护和其他固定成本。材料成本是运营支出（OPEX）的最大贡献者（平均51%），且方差最大（4-88%）。这种巨大差异是由于不同原料和技术具有不同的化学需求（例如，是否需要酸浸）。其次是其他固定成本（平均21%），其方差也很大（0-72%）。这种差异是由于计算固定成本的方法不同所致。公用事业、人工成本和维护成本对运营支出（OPEX）的影响最小（分别为9%、15%和4%），且变异较小，仅在高值端有一两个异常值。总体而言，材料成本在水冶采矿系统中占主导地位，强调需要更高的回收率和更高效的技术，以减少提取和浓缩稀土金属所需的材料，无论是通过新型浸出技术还是更具选择性的分离方法。
3.1.4. 稀土系统资本支出估算方法不一致且不充分
资本支出（CAPEX）是主要工艺区成本（例如，界区内成本，如设备采购成本（EPC）以及安装设备所需的基础、管道、仪表、电气和安装人工等安装成本）、场外和辅助基础设施成本、工程和施工成本、营运资金和应急费用的总和。对于文献中的稀土生产系统，资本支出（CAPEX）估算采用两种方法：数量级估算和研究估算方法（即朗因子法）。使用这些方法，技术经济分析（TEA）对于数量级和研究估算方法的预期准确度分别为±50%和±35%。然而，随着技术成熟度（TRL）提高并获得详细的采购和安装成本估算（例如，供应商报价），不确定性可低至5-10%。
除了这种固有的不确定性，所综述研究中资本支出（CAPEX）的估算方式也存在差异。这些研究使用了多种方法来收集设备采购成本（EPC），包括文献来源、网站和工艺设计教科书中的规模因子计算。如果采购成本是从较小设备获得的，则使用6/10规则按规模放大成本，这是一种常用的工程经验法则，用于估算因规模经济导致的设备成本变化。其他研究使用规模因子和工艺工程教科书成本关联式来估算全规模设备成本。目前尚不清楚设备采购成本（EPC）是否包含了交付成本。在计算采购成本后，大多数研究使用假定的通货膨胀率或成本指数（例如，化学工程厂成本指数，CEPCI）将过去年份获得的价格转换为现值。然而，17项研究中有8项没有说明其研究的成本基础。在计算放大设备的现值后，大多数研究如何计算设备的安装成本尚不清楚。许多研究提到使用朗因子法，但没有提供足够的细节来理解他们使用了什么因子。朗因子法通过将总采购设备成本乘以文献得出的因子来估算总工厂资本成本，该因子可能因来源而异。其他研究根本没有提及如何计算安装成本（如果计算了的话）。除了工艺区成本之外，“其他投资成本”的估算范围变化很大。在17项研究中，有10项提供了用于最终资本支出（CAPEX）估算的“其他成本”（例如，应急费用或营运资金）。然而，每项研究都有其自己的“其他成本”列表，这些成本在研究之间的差异可达一个数量级。
为了更好地理解这些研究中资本支出（CAPEX）的估算方式并促进这一新兴领域的方法标准化，我们计算了总资本支出（CAPEX）与设备采购成本（EPC）的比率。这些研究明显地分为两组，比率分别围绕2和6。比率较高的系统与其它研究具有相似的稀土氧化物（REO）生产能力和资本支出（CAPEX）。这些高比率的研究引用了工艺工程教科书作为其资本支出（CAPEX）估算的依据，表明这些参考文献中推荐的因子可能导致更高的资本支出/设备采购成本（CAPEX/EPC）比率。然而，这些朗因子基于几十年前的数据（可获得的最新朗因子数据来自2003年），可能不再准确，影响了资本支出（CAPEX）估算的准确性。需要资本支出（CAPEX）估算方法的新发展，以更好地反映此类新兴和新型加工的特点。
3.1.5. 盈利评估的透明度问题与折现现金流分析的缺乏
为了评估系统的经济可行性，需在现有系统和拟议系统之间比较经济指标。一些指标不考虑资金的时间价值（例如，投资回报率、投资回收期）。其他指标，如净现值（NPV）和内部收益率（IRR），通过折现现金流（DCF）分析考虑资金的时间价值。在综述的17项研究中，有12项完成了某种形式的折现现金流（DCF）分析，而其他研究仅报告了收入和成本。在计算净现值（NPV）时，研究使用的折现率在3%到10%之间（这11项研究中有8项使用的利率在8%到10%之间）。内部收益率（IRR）在文献中很少报道。除了折现率，折现现金流（DCF）分析中还有其他几个重要参数。研究考虑的工厂寿命从10年到40年不等，平均在20到30年之间。17项研究中有10项包含了建设期，5项研究包含了资本支出（CAPEX）的贷款偿还计划。大多数研究使用各种折旧方法（例如，直线法）在7-20年内进行折旧。
在综述的17篇论文中，有5篇使用了不完整的盈利评估方法，没有包含折现现金流（DCF）分析，限制了其评估的准确性和跨研究的可比性。对于综述的研究，我们直接报告了完成折现现金流（DCF）分析的研究的净现值（NPV）。为了在所有研究之间进行比较，我们计算了两个不包含折现现金流（DCF）分析的指标：投资回报率（ROI）和现金流（该领域常用的指标）。现金流计算为年化收入与年化资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）之间的差额。此外，为了考虑一系列情景，我们汇编了报告的给定收入和运营支出（OPEX）范围的最佳和最差值。对于资本支出（CAPEX），我们使用所有情景的平均值来简化分析，因为资本支出（CAPEX）值的范围和幅度较小。因此，一项给出收入和运营支出（OPEX）范围的研究在这些结果中会有4种排列。结果表明，大约72%的系统在不同原料和情景范围内都是盈利的，无论是否完成了折现现金流（DCF）分析。然而，投资回报率（ROI）和现金流指标没有考虑资金的时间价值。因此，这些指标对于比较不同项目寿命的投资用处较小。
为了理解这些研究中盈利能力的主要驱动因素，我们将这些系统的现金流分解为收入、年化资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）。我们汇总了不同收入和运营支出（OPEX）情景下的数据，以理解不同因素（例如，价格、原料组成、技术效率等）如何影响盈利能力。总体而言，资本支出（CAPEX）对这些系统的盈利能力影响有限。运营支出（OPEX）对现金流的贡献几乎与收入一样多（分别为36%和59%）。这一结果表明，运营支出（OPEX）低的系统对波动的稀土价值更具韧性，最有可能成功，这与其他研究结果一致。不幸的是，对于稀土含量低的非常规原料，实现较低的运营支出（OPEX）具有挑战性，因为提取和浓缩这些稀土会产生额外费用。因此，技术创新对于获取低稀土含量原料以与高品位原料竞争至关重要。
3.2. 生命周期评估（LCA）
为了评估环境影响，最常用的方法是生命周期评估（LCA）。国际标准（ISO 14040和14044）提供了生命周期评估（LCA）指南，使得生命周期评估（LCA）更具声誉、应用更广泛，并且研究之间更具可比性。然而，有几个问题限制了生命周期评估（LCA）在稀土氧化物（REO）生产技术中的可靠性和实用性。此处，我们总结了传统稀土氧化物（REO）生产的环境影响，以评估新型稀土氧化物（REO）生产系统的生命周期环境影响。
此外，我们将稀土生产系统生命周期评估（LCA）的局限性分为几类：1）功能单位和范围，2）多功能性和分配，3）生命周期清单（LCI）不确定性，以及4）生命周期影响评估（LCIA）不确定性。理想情况下，这项工作将揭示稀土氧化物（REO）生产生命周期评估（LCA）研究的一些缺陷，并导致更稳健的生命周期评估（LCA），为决策者提供更清晰（或至少更知情）的结论。
3.2.1. 功能单位与系统边界
功能单位是环境评估的基础组成部分，为量化不同系统或产品的性能（进行苹果对苹果的比较）提供了基础。然而，在综述的32项研究中，对于所生产的特定产品缺乏清晰度，导致在解释功能单位时产生混淆。一项研究甚至将所有稀土化合物描述为稀土氧化物（REO）。随着我们继续推进稀土回收的可持续解决方案，必须仔细选择功能单位，以实现不同方法之间有意义的比较。所综述的研究中选择的功能单位种类很少，所有研究都报告了某种稀土产品每公斤（或公吨）的功能单位。在生产流程图中，展示了从初级和次级来源生产稀土氧化物（REO）的通用系统图，说明了由于稀土的可提取性不同，不同的稀土原料如何在各个工艺环节进入系统。根据所选的研究范围，可以选择五种不同的产品作为每公斤稀土产品产出的功能单位。第一个产品在浓缩环节后离开系统，作为基本纯净的混合稀土产品（mREE）。该产品可以是多种稀土氧化物（REO）的组合（例如，混合稀土金属，或其他非产品组成）或与其他离子结合的稀土（例如，稀土碳酸盐或氯化物）。通过进一步加工（例如，溶剂萃取），混合稀土（mREE）可以分离成单个稀土。此时，可以定义两个不同的功能单位：每公斤产出的单个纯化稀土氧化物（iREO，如Nd2O3）和每公斤产出的分离稀土氧化物（sREO，分离后单个稀土氧化物（iREO）的总和）。这个选择对第3.2.2节讨论的分配有影响。通过熔盐电解或金属热还原进一步精炼分离稀土氧化物（sREO）产生纯稀土金属（REM）。如上所述，可以为每公斤产出的单个稀土金属（iREM）或每公斤产出的分离稀土金属（sREM，产出的单个稀土金属（iREM）的总和）选择两个功能单位。表格突出了传统路线和非常规原料在范围和功能单位上的鲜明对比。具体来说，查看分离栏，只有一项关于非常规原料的研究考虑了选择性稀土内分离在研究范围内，这说明与传统系统进行苹果对苹果的比较具有挑战性。
为了弥合这一差距，我们开发了一种方法来实现不同功能单位之间的比较。我们提供了一个使用混合稀土（mREE）生产系统的全球变暖（GW）影响来估算将该混合稀土（mREE）分离和精炼成分离稀土氧化物（sREO）和分离稀土金属（sREM）产品后的总影响的示例，从而在这些功能单位之间进行转换。从混合稀土（mREE）到分离稀土金属（sREM）的转换需要四个数字：（1）100%纯混合
