解决从冶金残渣中回收关键原材料过程中所面临的可持续性权衡问题：一个综合的环境-经济-战略框架

《Cleaner Engineering and Technology》：Addressing sustainability trade-offs in critical raw material recovery from metallurgical residues: An integrated environmental–economic–strategic framework

【字体：大中小】 时间：2026年05月11日 来源：Cleaner Engineering and Technology 6.5

编辑推荐：

　　帕特里夏·科尔多瓦 | 劳拉·马约尔 | 何塞·豪尔赫·埃斯皮 | 埃德克森·利肯西班牙国家研究委员会（CSIC）环境评估与水研究所（IDAEA），C/Jordi Girona 18-26，巴塞罗那，08034，西班牙摘要从冶金残渣中回收关键原材料（CRMs）

　　帕特里夏·科尔多瓦 | 劳拉·马约尔 | 何塞·豪尔赫·埃斯皮 | 埃德克森·利肯
西班牙国家研究委员会（CSIC）环境评估与水研究所（IDAEA），C/Jordi Girona 18-26，巴塞罗那，08034，西班牙

摘要
从冶金残渣中回收关键原材料（CRMs）越来越被认为是提高资源效率和安全供应的关键策略。然而，大多数现有研究要么集中在实验室规模的过程开发上，要么仅进行孤立的技术经济或环境评估，很少将实验验证与工业相关条件下的经济、环境和战略维度综合评估相结合，特别是对于像铜冶炼粉尘这样的复杂残渣。本研究介绍了一种用于从冶金残渣中回收铋（Bi）、砷（As）和铅（Pb）的连续流式湿法冶金中间试工艺。该工艺实现了接近100%的铋回收率（99%），生产了纯度为68–77%的BiOCl，以及适合二次冶炼的铅浓缩物。通过对质量、水和试剂流量的分析，可以进行技术经济评估（TEA）和生命周期评估（LCA），以评估工业规模的可行性。这项工作的创新之处在于将中间试验规模的实验验证与综合的TEA-LCA和战略金属价值评估结合在一个统一的框架内，从而直接关联工艺性能、经济可行性和环境影响。评估了三种运营方案（165–1240吨/年），结果显示经济和战略效益的增长速度超过了环境负担。敏感性分析证实了在金属价格和成本参数变化下的稳健性。最终确定的最佳工业规模方案平衡了回收效率、盈利能力和环境表现。本研究为设计和评估从复杂冶金残渣中回收可持续CRMs的过程提供了可移植的框架。

1. 引言
关键原材料（CRMs）对现代技术和全球经济至关重要，是电子、可再生能源、航空航天和汽车等行业的基础（欧盟委员会[EC]，2023）。由于低碳技术（包括电动汽车、风力涡轮机、太阳能电池板和先进数字系统）的大规模应用，对CRMs的需求正在迅速增加。这种能源和工业系统的结构转变加剧了全球供应链的压力，引发了与资源安全、地缘政治依赖性、价格波动和潜在供应中断相关的担忧。在这种情况下，采矿、冶炼和金属加工业产生的工业废料流既是对环境的挑战，也是在循环经济框架内回收二次原材料的战略机遇（Kursunoglu，2025）。这种转变将冶金残渣重新定义为潜在的二次资源库，使得在循环经济策略中实现CRMs供应多样化成为可能。
全球范围内的采矿和冶金活动产生了大量残渣。仅采矿作业每年就产生数十亿吨尾矿，而铜（Cu）冶炼则产生大量炉渣，通常每生产一吨铜会产生约1.5吨炉渣（Ba?kurt等人，2022）。在这些残渣中，铜冶炼粉尘（CSD）是一种特别相关的细颗粒物质，通过挥发过程和高温气流中的原料卷入而形成。粉尘的产生量取决于原料成分和冶炼技术，据报道每吨铜产生的粉尘量在20至480公斤之间（Goonan，2005；Ha等人，2015）。在全球范围内，这相当于每年大约4–6百万吨的CSD（Nakhaei等人，2025）。如果管理不当，这些细颗粒残渣可能导致环境污染，包括土壤和地下水污染、大气中颗粒物的扩散以及砷（As）和铅（Pb）等有毒元素的长期积累。同时，这些残渣含有丰富的有价值金属，如Cu、锌（Zn）和铋（Bi），在某些情况下还含有稀土等微量关键元素。这种双重特性突显了它们作为环境负担和战略资源库的重要性。
在CSD中存在的金属中，铋（Bi）、砷（As）和铅（Pb）因它们的经济重要性、毒性特征和供应链特性而特别值得关注。铋是一种高价值金属，用于低熔点合金、制药和先进电子应用，并由于全球产量有限和供应链集中而被归类为关键原材料（欧盟委员会[EC]，2020）。铅在储能系统、电子和冶金应用中仍被广泛使用，使其在循环金属价值链中的回收具有经济意义和工业吸引力。尽管砷通常不是作为主要产品进行回收，但由于其供应受限、监管压力以及在二次冶金流中的存在，它越来越被认为具有战略重要性，这使废物管理和工艺设计变得复杂（欧盟委员会[EC]，2023）。这些元素共同体现了从冶金残渣中回收CRMs的复杂性，需要同时解决选择性分离、杂质控制和遵守环境法规的问题。
湿法冶金加工是从初级和二次资源中回收金属的最成熟方法之一。传统方法依赖于使用如H2SO4或HCl等试剂的酸浸系统，在受控的物理化学条件下实现目标金属的选择性溶解（Baczek等人，1982；Nú?ez等人，1985；Guo等人，2015）。碱性浸出系统可以通过提高选择性或减少脉石元素的共溶解来补充酸性方法。下游的纯化和分离通常通过离子交换树脂或相关的溶剂基技术实现，这些技术对复杂的多组分浸出液特别有效（Alyüz和Veli，2009；Lin和Juang，2007）。总体工艺性能强烈依赖于原料特性、溶液化学性质和操作参数。特别是颗粒大小分布对浸出动力学起关键作用，因为颗粒尺寸的减小增加了表面积并提高了溶解速率，而成分不均匀性可能导致提取效率不一和杂质迁移（Faraji等人，2022；Bernasconi等人，2022；Bernasconi等人，2022）。
与传统湿法冶金方法并行的是，诸如基于膜的分离、混合工艺配置以及高级氧化或光催化系统等新兴技术正在得到越来越多的探索。这些技术旨在提高选择性、减少试剂消耗并增强工艺的总体可持续性。在某些情况下，它们已经显示出从复杂废料中回收镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）和钼（Mo）等关键金属的潜力，体现了向集成和多功能资源回收系统发展的更广泛趋势（Kumar等人，2023；Kumar等人，2023；Kumar等人，2023；Wang等人，2026）。尽管有这些技术发展，但从冶金残渣中大规模工业回收CRMs仍受到限制，经济可行性仍然是其部署的关键决定因素（Kirchherr等人，2017；Kinnunen和Kaksonen，2019）。技术经济评估（TEA）为评估资本支出、运营成本和收入潜力提供了结构化框架（Lèbre等人，2017；Araya等人，2020）。然而，TEA往往以简化形式应用或被忽略，特别是在从地热卤水（Liu等人，2021；Warren，2021）和采矿尾矿（Falagan等人，2016）等二次来源回收金属的研究中，以及在冶金系统的工艺集成和效率改进研究中，包括水回收和零液体排放（ZLD）配置（Martinez等人，2020；Lassesson等人，2021）。尽管最近的一些研究为特定回收案例引入了结构化的技术经济分析（Vinardell等人，2024），但TEA仍未始终纳入完整的综合评估框架中。
这些限制进一步加剧了生命周期评估（LCA）的频繁省略，而LCA能够量化整个工艺系统的环境影响（ISO 14040，2006），以及对战略维度（如供应风险、监管限制和长期资源可用性）的有限考虑。因此，现有方法在捕捉经济和环境性能之间的权衡方面仍然有限，这凸显了需要用于复杂资源回收系统的综合、多维度评估框架（Dimitriadis等人，2024，2025）。因此，在从冶金残渣（如CSD）中回收CRMs的过程中，仍然存在明显的评估缺口。据作者所知，之前还没有研究将中间试验规模的湿法冶金验证与TEA和LCA框架结合起来，以同时评估工艺性能、经济可行性和环境影响。
本研究通过湿法冶金工艺探索了从CSD中回收铋（Bi）、砷（As）和铅（Pb）的化利用。在工业相关条件下进行的实验室和中间试验规模实验使人们能够评估工艺性能、经济可行性和环境影响。应用综合的TEA-LCA框架来识别关键的权衡、协同效应和操作限制。该方法旨在可移植到其他富含硫酸盐的冶金残渣，支持冶金系统中的可扩展CRMs回收策略。通过结合TEA和LCA，本研究为可持续CRMs回收的战略决策提供了支持。最终，该研究通过减少对初级提取的依赖、减轻环境负担和提高CRMs供应的韧性，为循环和资源高效的金属供应链做出了贡献，展示了一种新的综合回收框架。

2. 材料与方法
2.1. 回收方法概述
本研究提出了一个综合的环境和技术经济框架，用于从冶金残渣中可持续地回收CRMs。选择了富含铋（Bi）、铅（Pb）和砷（As）的铜冶炼转换器粉尘（CSD）作为代表性的富含硫酸盐的残渣。其颗粒大小分布、矿物学和金属成分在表S1中进行了总结。工作流程和评估框架设计为可移植到具有相似特性的残渣，允许在多个尺度上评估技术可行性、经济性能和环境影响。
2.1.1. 材料
从Atlantic Copper获得了500公斤的代表性CSD样品，该样品是在连续三天内从两个电滤系统中收集的。材料被分成若干部分，用于物理化学分析和中间试验规模的处理。关键特征包括细颗粒（d50=14.8微米，66%<25微米）、富含金属的成分（约42%的SO4），其中含有显著的Cu、Zn、Pb、Bi、Sn、As和Fe含量（表S1），主要结晶相为锌矾（ZnSO4·H2O，39%）和角闪石（PbSO4，16%）。铋主要存在于非晶态部分（约39%的质量）。
2.1.2. 规模化和操作工作流程
回收方案最初在实验室规模上开发（Córdoba，2025），用于从ESP转换器粉尘中回收多种金属，包括Cu、Zn、Fe、Cd、Bi、As和Pb。实验室工作流程结合了基于尺寸的分级和顺序湿法冶金单元操作，包括选择性浸出、离子交换和选择性沉淀。虽然针对特定粉尘基质进行了优化，但该流程适用于多种富含金属的工业残渣。实验室试验显示Cu、Zn、Fe、Cd、Bi和Pb的回收效率为84–99%，同时有效分离和稳定了As和Sn。对于中间试验规模的实施，方案进行了修改，优先考虑Bi、As和Pb（图1），其中Bi作为高价值CRM，As是在供应受限情况下出现的CRM，而Pb作为具有经济意义的副产品。这种战略重点使处理工作集中在分离和纯化最具挑战性的金属上。

下载：下载高分辨率图像（477KB）
下载：下载全尺寸图像

图1. 从冶金残渣（ESP转换器粉尘）中回收选定的关键原材料（CRMs），即铋（Bi）、砷（As）和铅（Pb）的块状流程图。
中间试验规模的工艺设计为连续操作，以模拟现实的工业条件。实际上，单批次运行是在四天内完成的。随后通过将日产量与相应的每小时处理能力进行质量平衡计算，将其转换为连续流速。在中间试验规模确定的停留时间被保持，以维持不同尺度上的流体动态和动力学相似性：洗涤（RT=1小时）、铋浸出（RT=1小时）、选择性沉淀（RT=4小时）和沉淀/澄清（RT=1小时）。连续反应器和罐体的体积是基于这些停留时间计算的，考虑了操作停留时间和目标周转频率。当计算出的体积低于市面上可用的最小设备尺寸时，采用了标准化的前工业规模容量，以确保操作可行性、机械稳健性和与设备供应商规格的兼容性。对所有相关液相进行了密度测量，以优化水力计算，验证泵的尺寸，并确保工艺模拟准确反映工业条件下的流体行为。
中间试验规模的过程在西班牙北部的一个技术中心进行，该中心配备了专门用于湿法冶金过程验证的模块化中间试验反应器。工作流程（图S1）从在烧结氟衬里的耐腐蚀搅拌反应器中用水洗涤ESP粉尘开始，反应器在室温下操作，固液比为1:3。每个洗涤循环包括搅拌、重力沉降和使用分离离心机进行固液分离。进行了四次连续洗涤，以逐步去除可溶性金属硫酸盐，主要是铜（Cu）、锌（Zn）和镉（Cd），同时尽量减少后续浸出阶段的夹带现象并提高选择性。洗涤后的固体随后使用16%重量百分比的盐酸（HCl）和5%重量百分比的硫酸（H2SO4）的混合溶液进行酸浸出。选择这种试剂组合是基于热力学和动力学标准，以便通过氯化物络合作用优先溶解铋（Bi），而在选定的条件下铅（Pb）大部分保持不溶解状态。富含铋的浸出液经过控制性的中和和沉淀处理。在电位滴定控制下加入氢氧化钠（NaOH）以精确调整pH值，这防止了过度饱和并促进了BiOCl的选择性结晶。沉淀物在受控条件下沉淀、分离并干燥，以防止水解或相变。最后一步热化学纯化步骤包括用稀释的HNO3–HCl溶液（1:1 v/v）处理干燥后的BiOCl，这通过氯化物-硝酸盐络合作用促进了剩余砷（As）的选择性溶解，从而提高了铋的纯度，并完成了多金属回收过程。在试点规模上，铋、砷和铅的产量与实验室规模的预测一致，证明了该工作流程在选择性分离目标金属的同时稳定污染物的有效性。这种试点规模的工作流程（图S1）验证了该回收方案在半工业条件下的技术可行性、选择性和稳健性。

2.1.3. 分析方法和数据生成
在试点规模试验中收集的所有固体和水样都在IDAEA-CSIC进行了分析，使用了协调一致的协议以确保一致性和可追溯性。固体样本经过了两步酸消化程序（Querol等人，1993年），以防止挥发性元素的损失。主要和次要元素的浓度是通过电感耦合等离子体质谱法（ICP-AES）测定的，而痕量元素则是通过配备碰撞室和内部标准品的电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定的（In，10 μg L?1）。在水样分析前，通过酸化（1–5% v/v HNO3）对其进行稳定处理，并通过ICP-AES进行表征。矿物学表征是通过X射线衍射（XRD）结合Rietveld精修来量化的，以确定晶体相并估计非晶含量。样品准备包括精细研磨，并加入氟石（CaF2）作为内部标准品。对富含砷的沉淀物进行了场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）与能量色散X射线光谱（EDX）的联合分析，以提供关于颗粒形态、元素关联和相组合的见解。生成的分析数据集包括金属浓度、固液分配、相组成和副产品特征，这些数据是TEA和LCA中使用的前景数据。在两个框架中使用共享的原始数据集，确保了方法学的一致性、内部一致性以及环境绩效和经济可行性之间的稳健比较。

2.2. 经济评估
为了评估扩大CRM回收过程的更广泛影响，定义了三种运营情景。这些情景旨在考察过程规模（试点规模基线操作）、原料选择（工业规模处理<20 μm粒径部分）和运营强度对经济绩效的影响（全工业规模处理ESP转换器粉尘）。这些情景基于所研究的冶金设施的特点制定，但作为常见的资源回收决策路径的典型配置。通过分析多种情景，该研究为设计经济可行的CRM增值系统、确定最佳扩展策略以及评估颗粒选择和过程强化的潜在益处提供了普遍相关的见解。

2.2.1. 资本支出（CAPEX）
资本支出（CAPEX）是使用Towler和Sinnott（2021年）提出的购买设备的成本相关性来估算的：
(1) Ce = ai + biSini
对于每个单元，成本（Ce）是根据相关尺寸参数（体积（m3）、面积（m2）或功率（kw）确定的，而ai、bi和ni是特定于每种设备类型的关联系数（Towler和Sinnott，2021年）。所有成本都根据最新的年度平均数据使用化学工程工厂成本指数（CEPCI，2024年）调整为2024年的值。材料因素考虑了过程流体的腐蚀性质（例如，与HCl + H2SO4或NaOH接触的容器），并应用了标准安装因子来获得安装设备成本。总固定资本还包括应急费用、工程和建设成本、场外费用以及许可证。详细的相关系数和安装因子见表S2（支持信息）。

2.2.2. 运营支出（OPEX）
运营支出（OPEX）包括变动成本和固定成本。变动成本包括化学品消耗（例如，稀释的HCl和H2SO4、NaOH、稀释的HNO3: HCl）、水（例如，工艺用水）、能源需求和残余废物流的处理。固定成本包括劳动力、维护、辅助服务和间接费用。所有成本都是根据试点规模的消耗率得出的，并扩展到三种运营情景：1) 试点规模基线操作（165吨/年）；2) 工业规模20 μm部分（755吨/年）；3) 全工业规模进料（1240吨/年）。

2.2.3. 净现值、收入和敏感性分析
项目盈利能力是使用净现值（NPV，€）来评估的：
(2) NPV = ∑t=1 TRt ? OPEX(1+i)t ? CAPEX
其中Rt表示第t年的铋（Bi）、砷（As）和铅（Pb）最终产品的收入（€），CAPEX对应于资本支出（€），OPEX表示第t年的运营支出（€），T是工厂寿命（10年），i是折现率（5%）。如前所述，所有成本都根据CEPCI调整为2024年的值。
收入是使用长期平均金属价格（2015–2025年）估算的，以最小化短期市场波动，数据来自USGS、伦敦金属交易所、Fastmarkets、英国地质调查局和欧盟委员会原材料信息系统。这种方法确保了经济结论的稳健性，并与标准的技术经济评估实践保持一致。
通过对关键参数（金属价格、试剂消耗、能源需求和回收效率）应用±20%的变化进行单变量敏感性分析，以识别盈利能力的主要驱动因素，并评估扩大关键原材料回收过程的经济稳健性。

2.3. 生命周期评估（LCA）：目标和范围定义
LCA用于量化与湿法冶金回收冶金残渣相关的潜在环境影响，考虑了材料和能源输入、试剂消耗以及整个定义系统边界内的副产品生成。在这个背景下，LCA提供了一个系统框架，用于评估CRM回收过程的环境绩效，并确定相对于初级金属生产的关键影响因素和潜在权衡。

2.3.1. 功能单元和系统边界
系统功能被定义为预工业处理ESP转换器粉尘以回收铋（Bi）、砷（As）和铅（Pb）。因此，功能单元（FU）被设定为处理1公斤ESP转换器粉尘。生命周期清单中的所有材料和能源流动以及所有后续的环境影响结果都以此FU为标准进行归一化，从而允许对所提出过程的环境绩效进行一致和可比较的评估，并为CRM回收策略提供更广泛的见解。系统边界（图S2）包括所有消耗能源或试剂的子过程，以及产生废水、固体残渣或大气排放的过程。假设来自各个单元操作的废水在市政设施中进行处理，并包括了相关的环境影响。采用从摇篮到大门的方法，排除了回收产品的下游使用阶段，因为这超出了本研究的范围。这种边界定义确保了评估专注于回收过程本身的环境影响，同时与一般的可持续性讨论保持相关性。

2.3.2. 清单数据和方法学考虑
生命周期清单（表S2）主要基于实验室实验和试点规模试验期间收集的原始运营数据构建。这包括每个单元操作的试剂和材料消耗、电力使用以及废水生成。来自试点试验的前景数据与实验室规模的数据集进行了协调，以确保环境建模和过程设计之间的一致性。
背景过程，如化学品生产、电力供应和废水处理，使用Ecoinvent v3.9.1数据库进行建模，该数据库因其透明度、全面覆盖范围和适合工业过程评估而受到选择（Weidema等人，2013年）。没有应用任何截止标准；所有具有可靠信息的流动都被包括在内。在数据缺失的情况下，应用了保守的估计或最佳可用替代值，并明确记录了假设，以保持透明度和可复制性（Huber等人，2022年）。
特定的方法学考虑考虑了早期技术评估的局限性。由于Bi化合物的清单数据有限，需要采用一种结合了化学计量估算和次要文献的定制建模策略。虽然这引入了一些由于理想化反应和缺乏工业规模基准而产生的不确定性，但它确保了对过程流动的一致和实际表示。废水流是根据具有最高体积流量和砷浓度的代表性流出物进行建模的，采用了保守的观点。WWLCI工具（Mu?oz，2015年）帮助创建了一个与模拟流出的物理化学特性相匹配的定制清单。
与标准LCA实践（Nuss和Eckelman，2014年；Alexander等人，2021年；Gordon等人，2022年）一致，排除了与资本货物相关的影响，因为它们的贡献通常在操作寿命期间是微不足道的，并且不会对比较结论产生实质性影响。这种关注确保了对所提出的CRM回收过程的环境绩效有意义的见解，同时与更广泛的可持续资源管理讨论保持一致。
鉴于目前ESP粉尘管理的工业实践的多样性，包括处理、内部回收和下游处理的差异，定义单一参考情景可能会引入不必要的假设。因此，评估强调了所提出的湿法冶金路线的绝对环境绩效及其通过从否则低价值的残渣中回收铋（Bi）、砷（As）和铅（Pb）来提高资源效率的潜力。

2.3.3. LCA软件
评估使用SimaPro v9.5进行，它将特定于过程的前景数据与来自Ecoinvent v3.9.1的背景数据集整合在一起，后者是最全面和广泛验证的LCI数据库之一。环境影响是使用ReCiPe 2016 Midpoint (H)方法量化的，该方法因其广泛的方法学接受度和适用于评估冶金和湿法冶金系统的特点而被选中。ReCiPe提供了跨多个中间点类别的一致表征框架，并能够详细检查与试剂消耗、能源使用和金属回收操作相关的环境权衡。
本研究考虑的影响类别包括全球变暖潜力（GWP）、酸化潜力（AP）、非生物耗竭潜力（ADP）、平流层臭氧耗竭（ODP）、淡水富营养化（Epaf）、海洋富营养化潜力（Epam）、光化学臭氧形成（POCP）、非生物耗竭-元素（ADPe）、非生物耗竭-化石资源（ADPff）和水使用（WDP），这些选择基于它们与金属提取和CRM回收途径的相关性（Nuss和Eckelman，2014年；Alexander等人，2021年）。这种选择允许评估捕捉与化学密集型过程、化石能源需求和有限矿产资源使用相关的关键负担。
模型构建、影响计算和报告遵循ISO 14040和ISO 14044规定的原则和要求。这包括对系统边界、功能单元一致性、清单数据完整性和方法学透明度的迭代验证，确保结果稳健、可复制，并符合国际LCA标准。

2.4. 经济和环境评估的整合
为了对所提出的CRM回收过程进行全面的评估，经济和环境结果被整合到一个统一的决策支持框架中。环境影响是使用ReCiPe 2016在中点水平上进行量化的，重点关注与湿法冶金CRM回收相关的三个关键类别：全球变暖潜力（GWP，kg CO2-eq）、水消耗（WDP，m3）和化石能源使用（ADPff，kg oil-eq）。
最初是按每个功能单元（处理1公斤ESP转换器粉尘）计算影响的。为了考虑不同运营规模之间的差异，影响被缩放到每个情景中处理的残渣总质量。这种缩放允许直接比较不同情景的绝对环境负担，反映了工厂容量和运营强度如何影响总影响。
为了考察经济盈利能力和环境绩效之间的权衡，分析了每种情景的总环境影响及其NPV。为了说明目的，可以定义一个环境调整后的净现值NPVEA：
(3) NPVEA = NPV ? ∑iki·Itotal,i
其中Itotal,i表示类别i的总环境影响（GWP，WDP，ADPff），ki是表示每种环境影响相对重要性或社会成本的权重因素（€/单位）。环境影响是使用ReCiPe（2016）得出的基于中间点的估值因子进行货币化的。对于GWP，应用了0.13 €/kg CO2-eq的中心货币化因子，敏感度范围为0.05–0.16 €/kg CO2-eq，这与环境定价和碳成本研究中的估计值一致（de Bruyn等人，2023年；de Vries等人，2024年）。WDP通过使用0.407欧元/立方米水当量的中心值和0-0.811欧元/立方米的敏感度范围进行货币化，这反映了水资源稀缺评估研究中报告的显著变异性（Pfister等人，2009年）。ADPff以千克油当量表示，使用0.028欧元/千克油当量的中心值和0-0.163欧元/千克油当量的敏感度范围进行货币化，这与资源稀缺货币化比较研究中报告的值一致（de Bruyn等人，2023年）。这种方法能够透明地评估经济盈利能力和环境可持续性之间的权衡，为关于CRM回收过程的规模扩大和设计的决策提供战略洞察。NPVEA是为每种情景计算的。虽然这种经过环境调整的净现值（NPV）允许直接聚合经济效应和选定的环境效应，但它可能会掩盖当环境和经济贡献相互抵消时情景之间的相关差异。特别是在涉及具有不同市场角色、监管状况和供应特征的多金属回收过程中，这种情况可能会发生。为了解决这一限制，定义了一个扩展指标——环境和战略调整后的净现值（NPVEAS），其中包含了特定于金属的战略价值项：(4)NPVEAS = NPVEA + ∑t=0T ∑j(Qj,t.Sj)^(1+r)^2，其中Qj,t是第t年回收的金属j的数量，Sj是特定于金属的战略因素（欧元/千克）。与环境加权因素不同，Sj并不是对所有金属都统一定义的，而是反映了与每种元素相关的主导非市场驱动因素。对于Bi，战略因素代表了由于其主要是副产品为基础的生产方式而产生的供应刚性：(5)SBi = PBi + αSRBi，其中SRBi是供应风险或副产品依赖性的代理指标，α是一个调整因子。这种方法的概念基础在于对关键原材料的分析，这些分析指出主要作为副产品生产的金属容易受到结构性供应僵化和市场干扰的影响（Mancini等人，2018年；欧盟 – EUR-；Lex，2024年；国际能源署，2025年）。α的值可以根据行业对多样化或供应安全的支付意愿进行调整。对于As，由于其经济价值的增加主要与环境和社会约束相关，战略因素反映了避免的环境责任：(6)SAs = PA + (Cdisp,As - Cstab,As)，其中Cdisp,As是将As作为危险废物管理的成本，Cstab,As是与回收和稳定路径相关的成本。这种方法与可持续性评估中货币化环境污染外部性和危险废物管理成本的方法一致（Mancini等人，2018年）。对于Pb，战略贡献与避免未来与初级生产相关的监管和社会成本有关：(7)SPb = PPb + β·Preg，其中Preg代表预期的未来监管处罚或合规成本，β是一个反映监管可能性或严重性的因素。将监管风险纳入战略评估得到了关键原材料政策报告和框架的支持，这些报告和框架将监管和社会外部性确定为长期经济影响的关键驱动因素（经合组织，2024年；国际能源署，2025年）。这些因素对每个情景的总贡献每年计算如下：(8)Vstrat,annual = QBi·SBi + QAs·SAs + QPb·SPb。项目生命周期内的现值使用标准折现率计算：(9)Vstrat,PV = Vstrat,annual · (1-(1+r)^(-Tr)。通过改变Pj、α、β、Cdisp、Cstab和r来进行敏感性分析，以评估参数不确定性对环境和战略调整后的净现值NPVEAS的影响。敏感性分析是通过系统地改变影响环境和战略NPVEAS的关键参数来进行的。金属价格Pj围绕当前市场价值变化了±20-30%，以捕捉历史和潜在的未来波动。Bi的供应风险因素（α）和Pb的监管风险因素（β）在0.5到2.0的范围内进行了探索，以反映不同水平的感知供应约束和监管暴露。与As管理相关的成本，包括处置和稳定，变化了±50%，以考虑废物处理和回收效率的不确定性。折现率（r）在5%到12%之间变化，以评估不同财务假设对未来现金流现值的影响。这个综合框架能够在评估多金属CRM回收过程时同时考虑经济绩效、环境影响和特定于金属的战略因素。通过结合传统的净现值与货币化的环境负担和战略贡献，它为评估盈利能力、可持续性和供应或监管风险之间的权衡提供了透明的基础。这种方法允许在不确定性条件下对不同的操作情景进行定量比较，支持有关过程规模、设计和关键材料优先级的明智决策。

3. 结果
3.1. 不同操作情景下的规模扩大分析
试点规模的基线操作代表了在连续流动条件下从ESP衍生的冶金残渣中选择性回收Bi、As和Pb的多阶段湿法冶金工作流程的第一个综合演示。除了验证技术可行性外，试点还明确设计用于生成后续TEA和LCA建模所需的质量、水和试剂平衡，从而弥合了实验室规模实验与工业实施之间的差距。该过程每天处理500公斤ESP转化剂粉尘（表S4），使得能够在所有单元操作中建立代表性的元素分配。支持信息（表S3-S4）提供了试点规模系统的详细质量、水和试剂平衡，从而能够全面跟踪Bi并在所有单元操作中验证回收效率。总体质量平衡在±5%的范围内闭合，确认了结果的一致性和可靠性。尽管定量结果特定于所研究的残渣，但包括控制洗矿、选择性酸浸和目标沉淀在内的整体操作顺序，展示了一种可推广的策略，适用于其他具有类似矿物学特性的富金属工业残渣。初始洗矿顺序在调节下游处理的进料方面发挥了关键作用。在受控的液固比和流量调节条件下操作，这一步骤将进入的固体质量减少了大约30%，产生了298公斤适合浸出的洗涤固体。0.61至1.5立方米/小时的流速允许在液压相关条件下系统地量化水需求、固体产量和杂质去除。这些数据为参数化水消耗、辅助公用设施和固液分离要求提供了坚实的基础。选择性酸浸构成了核心的金属分离步骤。洗涤后的固体以12.3公斤/小时的速度加入，同时加入39.5公斤/小时的稀释酸混合物，有效地溶解了Bi，同时将Pb保留在固体相中。这产生了265公斤（11公斤/小时）的富Pb浓缩物，为量化避免的环境负担提供了详细的特征，并构成了环境评估的基础。同时，产生了39.9公斤/小时的富Bi浸出液流，随后使用NaOH（3.75公斤/小时）进行中和，达到了99%的Bi沉淀效率。这一步产生了27公斤的BiOCl（1.1公斤/小时，湿基）和大约34公斤/小时的废水，为下游处理要求提供了代表性的废水数据。随后的杂质去除和产品精炼进一步证明了该过程的选择性和稳健性。一个控制酸溶解步骤（0.05公斤/小时）， followed by selective precipitation，提高了BiOCl产品的纯度，并生成了3.65公斤的含As部分。最终的BiOCl浓缩物的纯度达到了68-77%（干基）（表S5），与早期工业级Bi化合物一致，适用于LCA中的前景建模。XRD和Rietveld精炼的结构表征证实了BiOCl相的逐步纯化（图S2a-S2b）。富As部分（表S6）主要由定义明确的Sn–As相（Sn(OH)AsO4和SnH2(AsO4)2·H2O；图S3a）组成，证明了在试点规模连续操作下As的有效稳定。Pb浓缩物由97%的PbSO4和3%的PbCl2组成（图S3b），证实了多金属分离序列的选择性。除了固体产品外，整个试点活动中还系统地表征了二次水流出物，以确保质量平衡的闭合和环境建模的透明度。主要废水流来自于富Bi浸出液的中和，其特征是Na和SO4浓度升高，含有微量的Cu、Fe和Zn（表S7），反映了沉淀阶段的酸碱化学特性。这种详细的流出物表征在水法冶金研究中经常被忽略，但对于更高技术准备度的可信LCA和TEA至关重要。试点规模的操作证实了能够将复杂的冶金残渣转化为多种有价值且可管理的输出的多金属回收路径的技术可行性。接近完全的Bi回收（99%）、生产出工业相关的BiOCl浓缩物以及Bi的受控稳定和回收表明，在连续流动条件下可以实现高选择性。重要的是，产生的操作数据和工作流程为其他富金属残渣的水法冶金升级回收过程提供了可转移的见解，支持了超出特定ESP粉尘案例的综合性经济和环境评估。

3.2. 经济绩效和可扩展性
提出了回收过程的经济绩效，针对三种操作情景进行了评估：(i) 试点规模基线操作，(ii) <20微米颗粒部分的工业规模处理，以及(iii) ESP转化剂粉尘的全面工业规模处理。这些情景分别对应于每年的吞吐量165吨、755吨和1240吨，这些数据来自于技术准备度水平（TRL）为6-7的试点规模操作数据。总收入包括从回收的CRMs中获得的收入以及从减少废物管理中潜在的节省，包括涵盖专利技术使用前五年的许可年金（表1）。
表1. 四种工艺配置的估计技术经济绩效：(i) 试点规模基线操作（165吨/年），(ii) 处理<20微米部分的工业规模情景（755吨/年），以及(iii) 全面工业规模进料（1240吨/年），包括回收成本效率和金属生产成本。
技术经济评估
情景1 情景2 情景3
ESP转化剂粉尘（吨/年） 165 755
收入（欧元/年） 269.4 75 1.24
收入金属（欧元/年） 269.4 75 1.23
最终资本支出（欧元/年） 387.0 28 1.77 0.94
运营支出（欧元/年） 187.5 16 64 3.48 2.02
试剂 82.6 6 37 7.98 6 20.79
能源 33.7 76 154.5 1 25 3.83
水 6.3 40 29.0 10 47.6 46
废物管理 268 1.2 26 2.0 14
维护 4.5 26 20.7 9 34.0 12
劳动力（欧元/年） 60.0 00 60.0 00 60.0
设备寿命 10 10 10
许可年金（欧元/年） 150.0 00 150.0 00 150.0
BiOCl（公斤/年） 442 120 229 332 24
Pb（公斤/年） 87 28 63 99 40
As2O3（公斤/年） 120 65 51 89 63
生产成本
BiOCl（欧元/公斤） 23.7 6 23.7 6 23.7
Pb（欧元/公斤） 0.6 1 0.6 0.6
As2O3（欧元/公斤） 76.3 4 76.3 4 76.3
在试点规模下，估计的资本支出（CAPEX）为387,028欧元，年度运营支出（OPEX）为187,516欧元。运营成本主要由劳动力（60,000欧元/年）和试剂消耗（82,606欧元/年）构成，占总OPEX的76%以上，其次是能源（33,776欧元/年）。维护、水和废物管理成本贡献较小。尽管Pb的回收量最大（529公斤/年），但其单位价值低，导致生产成本仅为0.61欧元/公斤，对总收入的贡献有限。相比之下，Bi（26.8公斤/年，23.76欧元/公斤）和As（7.3公斤/年，76.34欧元/公斤）虽然数量较少，但对经济绩效的影响不成比例。这种质量回收与经济价值之间的脱钩突显了从工业残渣中回收CRM的一个关键见解：盈利能力不是由总材料吞吐量决定的，而是由高价值金属的选择性回收决定的。类似的趋势也在进行工业残渣和电子废物中的水法冶金回收CRM的研究中报告过（Jadhav和Hocheng，2015年；Sethurajan等人，2019年），强调了即使是在低浓度下，针对价值关键元素的战略重要性。将规模扩大到每年755吨（<20微米部分）（表1）显著改善了经济绩效。CAPEX增加到177万欧元，而OPEX增加到64万欧元，每年收入达到138万欧元。在这种条件下，NPV（图2）变得非常有利，回收期缩短到大约3-4年，反映了规模经济在固定成本分摊到更大生产量时的影响。值得注意的是，颗粒分级可以占总CAPEX的25%，强调了在早期过程设计中整合预备分离步骤的重要性，而不是将它们视为附属操作（见图3）。
下载：下载高分辨率图像（245KB）
下载：下载全尺寸图像
图2. 考虑关键参数并包括CAPEX、OPEX、收入和净现值（NPV）的四种工艺配置的技术经济评估
在全面工业规模（1240吨/年）下，经济绩效进一步提高，CAPEX为291万欧元，OPEX为102万欧元，年收入为227万欧元。这些结果证实了该过程在不同规模下的稳健性，并强调了高价值CRM在推动整体盈利能力中的核心作用。基于关键参数±20%变化的敏感性分析表明，特别是与Bi和As相关的收入流在所有情景中主导了NPV的变异性（图S6）。CAPEX和OPEX的变化具有次要影响。较小规模的操作对产品价格波动更敏感，反映了有限的财务缓冲能力，而工业规模情景得益于更高的吞吐量，但面临更大的市场驱动风险。这项分析强调了在设计具有经济韧性的回收系统时，战略产品选择、运营效率和成本控制的重要性。在所有情景中，结果表明，经济可行性不仅仅取决于回收量，还受到金属单位价值、回收效率和规模的大力影响。监管因素，如填埋费和废物管理政策，进一步影响净现值（NPV），特别是在工业规模上，避免处置的成本对总收入有显著贡献。因此，所提出的评估不仅反映了回收过程本身的经济效益，还考虑了政策框架和市场条件在塑造大规模可行性方面的作用。

3.3. 环境性能
通过使用ReCiPe 2016 Midpoint (H)方法进行的从摇篮到坟墓（cradle-to-gate）生命周期评估（LCA），评估了所提出的价值化路径的环境性能。该评估既涵盖了湿法冶金处理的直接负担，也考虑了用回收的铋（Bi）、砷（As）和铅（Pb）替代原生金属所带来的系统效益。关键的影响类别包括全球变暖潜力（GWP）、酸化潜力（AP）、非生物耗竭潜力（ADP）和水耗竭潜力（WDP），这些因素反映了能源和材料密集型湿法冶金系统的主要驱动因素。结果揭示了二次金属回收的一个特征性权衡：尽管在单次操作层面化学过程较为密集，但如果能够实现高回收效率，并将回收材料重新整合到现有的金属价值链中，就可以产生净环境效益。通过避免原生金属生产所带来的影响可以抵消直接负担，特别是在ADP和GWP方面，这突显了闭合材料循环的系统优势。

3.3.1. 水消耗和废水处理
水消耗是环境影响的显著因素，尤其是在与富营养化相关的类别中，这既包括直接的过程用水，也包括上游供水的影响。虽然在试点规模上废水处理的贡献较小，但在工业规模扩大时，其重要性可能会增加，具体取决于出水成分、流量和监管要求。这表明水管理不仅仅是运营上的考虑，而是一个关键的设计参数。在过程设计早期就纳入循环利用、闭环系统或选择性回收措施对于减轻潜在的水相关环境风险至关重要，特别是在水资源稀缺的地区。

3.3.2. 能源消耗
能源是整体环境影响的次要但相关的因素，其中上游电力生产尤其影响ODP（氧化还原过程直接耗能）和淡水富营养化。能源需求主要来自泵送、搅拌、加热和离心等过程。尽管能源不是最主要的关注点，但它仍然是提高环境效益的有效手段：通过过程整合、从放热反应中回收热量以及采用低碳电力可以显著减少间接负担。这表明，即使是次要的贡献因素也应得到战略性的处理，以最大化整体可持续性。

3.3.3. 化学试剂消耗
试剂是主要的环境影响源，占了大多数影响类别的40%以上，以及近80%的ADP。盐酸（HCl）和氢氧化钠（NaOH）是主要贡献者，这反映了这些化学品的上游生产和资源密集型特点（图3）。HCl对AP和WDP的显著影响表明，选择性及回收效率的提高是以大量的化学投入为代价的。在其他二次金属回收系统中也观察到了类似的模式，例如锂离子电池回收，尽管镍（Ni）、钴（Co）和锂（Li）的回收效率很高，但酸的消耗仍然占主导地位（Stegemann和Gutsch, 2025；Maritz等人, 2024）。

下载：下载高分辨率图像（527KB）
下载：下载全尺寸图像

图3. ESP转换器粉尘回收技术中（a）选定类别的影响分布以及（b）试剂消耗所导致的影响分布。

针对试剂使用的缓解策略、浓度优化、化学回收以及用低影响替代品替换，提供了同时减少多种环境负担的机会，而不会影响回收效果。这进一步强调了湿法冶金过程的环境性能在很大程度上取决于上游化学选择。

3.3.4. 避免的环境影响
最大的环境效益来自于通过替代原生金属而避免的影响。对于铋（Bi）而言，ADP的减少尤为显著，这突显了高效二次回收的巨大资源节约潜力。回收高纯度的BiOCl可以减少能源密集型的原生提取，而将砷（As）稳定并回收为As2O3则降低了环境风险，并减少了原生锡的需求。铅（Pb）浓缩物可以重新进入二次冶炼环节，从而增强材料的循环利用。避免的环境影响程度随着回收效率和下游整合程度的提高而增加，表明环境可持续性与技术性能和价值链的对齐紧密相关。实际上，这些发现表明，优先考虑高纯度回收和高效整合到现有金属市场的策略能够带来最大的环境回报。

3.4. 敏感性分析和综合评估的稳健性
为了评估综合框架的一致性和稳健性，分析了三种运营情景下环境性能、经济利润率和战略价值之间的关系。结果分别显示在图4、图5和图6中。

下载：下载高分辨率图像（315KB）
下载：下载全尺寸图像

图4. 对于不同ki值（较低a）、中等b和较高c）的情景1、2和3，整体环境影响及其经环境调整的净现值（NPVEA）。

下载：下载高分辨率图像（566KB）
下载：下载全尺寸图像

图5. 评估中的金属特定战略因素（α、β、Cdisp和Cstab），导致经环境和战略调整的净现值（NPVEAS）。

下载：下载高分辨率图像（300KB）
下载：下载全尺寸图像

图6. NPVEAS对金属价格（Bi、As和Pb）±30%变化的敏感性。

3.4.1. 环境性能与经环境调整的盈利能力
图4同时展示了标准化的总环境影响（GWP、WDP、ADPff）以及NPVEA。环境结果显示，随着产量的增加，环境影响几乎成比例上升。所有三个中间类别都遵循相同的缩放模式，表明情景之间的差异主要由生产量而非技术变化或效率提升引起。相比之下，NPVEA的增长速度快于环境负担。虽然绝对影响在中间和最大情景之间大约翻倍（以标准化术语计算），但相关的NPVEA增长更为强劲，表明边际经济回报超过了边际货币化的环境成本。没有哪种情景在NPVEA方面超过环境负担较高的情景。这表明，在选定的中间点估值框架下，内部化环境影响并不会改变财务排名，说明在当前框架内，将环境影响内部化并不会导致盈利能力和环境性能之间的结构性权衡。从系统角度来看，这意味着尽管环境负担随规模增加，但在当前的估值假设下，它并不构成首选配置的限制因素。

3.4.2. 战略价值整合
图5展示了将金属特定战略因素纳入评估后的效果，得到了经环境和战略调整的净现值（NPVEAS）。与环境货币化的温和影响相比，战略调整使得总价值显著增加。在所有情景中，NPVEAS均显著高于NPVEA，反映了以下方面的综合贡献：(i) 对铋（Bi）的供应刚性考虑，(ii) 通过回收砷（As）避免的环境责任，以及(iii) 对铅（Pb）预期的监管风险。战略提升的幅度随着回收金属数量的增加而增加，这突显了产量和成分组合的重要性。然而，最优配置并不仅仅是规模最大的配置；而是产量、回收效率和战略权重的综合效应。差异化Sj值的整合在方法学上具有重要意义，因为它捕捉到了传统LCA-LCC方法中未考虑的异质性非市场驱动因素。

3.4.3. 金属价格敏感性
图6评估了NPVEAS对金属价格±30%变化的敏感性，同时保持其他因素的中间值不变。正如预期的那样，绝对NPVEA值会对价格波动作出反应，反映了战略估值的市场依赖性。在价格上涨30%的情景下，价值放大效应明显；而在价格下跌30%的情景下，总价值虽然减少，但仍保持正值。在整个测试的价格范围内，情景排名保持不变；没有任何配置变得经济上不可行，且首选方案的相对优势得以维持。这表明决策结果在结构上是稳健的，不受短期市场条件的影响。此外，在高价条件下的放大收益表明，回收系统在供给受限的市场环境中能够提供更高的价值，这与其作为CRM回收策略的预期角色一致。

3.4.4. 权衡分析
虽然综合评估显示经济价值与战略价值之间存在强一致性，但也需要考虑潜在的环境性能权衡。结果表明，扩大运营规模可以同时增加经济回报（NPVEA）和战略价值（NPVEAS），其增长速度超过了环境负担的增加。这意味着，在当前的货币化和权重框架下，盈利能力和环境性能之间不存在结构性冲突。例如，优先考虑更严格环境性能的情景（如降低排放或提高有害元素的回收率）可能会带来显著的生态效益，但也会导致更高的运营成本或降低产量，这清楚地展示了环境经济之间的权衡。相反，高产量配置虽然能最大化经济和战略回报，但如果未完全实施缓解措施，则可能导致较高的环境负担。然而，需要注意的是，这一结果取决于具体的中间点估值、回收效率和所应用的策略因素。在环境影响被赋予更高货币权重或受到更严格监管或社会压力的情景中，高产量配置的相对优势可能会减弱。在这种情况下，环境可持续性与经济或战略目标之间的权衡可能会更加明显。此外，分析还指出，通过纳入非市场驱动因素（如供应风险和监管风险），战略价值可以减轻感知的环境成本。这种整合强调了多维度评估的重要性：仅关注财务或环境指标可能会忽略影响回收策略长期可行性的关键因素。

最终，该框架表明，权衡取决于具体情境，并可以通过明智的系统设计、过程优化和战略优先级来管理。明确考虑这些相互作用可以提高决策的稳健性，特别是在材料重要性、市场波动性和环境责任相互交织的领域。

4. 结论
试点规模的研究表明，从ESP衍生残渣中选择性地回收铋（Bi）、砷（As）和铅（Pb）在技术上是可行的，实现了接近完全的铋回收（99%），生产了纯度为68–77%的BiOCl，以及适合二次冶炼的铅浓缩物。量化了物质、水和试剂的流动量，从而可以进行综合技术经济评估（TEA）和生命周期评估（LCA），为规模扩大评估和决策提供了坚实的基础。在三种运营情景（165–1240吨/年）下的综合评估显示，经济回报（NPVEA）和战略价值（NPVEAS）的增长速度超过了环境负担，特别是在受益于规模经济和金属价值提升的高容量配置下。敏感性分析证实了在金属价格和成本参数变化的情况下，情景排名仍然稳健，支持了所提评估框架的可靠性。与以往通常关注孤立过程评估、简化经济指标或仅进行实验验证的TEA/LCA分析的研究相比，本研究将试点规模的湿法冶金测试与耦合的TEA-LCA-战略评估框架相结合。这种综合方法能够直接关联过程性能、经济可行性、环境影响和关键金属价值，从而填补了现有文献中关于金属残渣CRM回收方面的关键空白。从系统角度来看，全工业规模情景（1240吨/年）是最优配置，它在最大化回收效率、经济性能和战略价值的同时，保持了可接受的环境影响。中间配置为分阶段实施和扩大规模期间的风险缓解提供了路径。研究表明，多维度整合揭示了传统单一关注评估所无法捕捉到的权衡、协同效应和瓶颈。所提出的框架可应用于其他富含硫酸盐的冶金残渣，并为支持可持续CRM回收策略提供了实际基础。未来的工作应侧重于全工业规模的验证、扩展到其他残渣类型、完善环境和战略因素的经济评估，以及纳入动态市场和政策条件，以提高决策的稳健性。这些发现为工业利益相关者和政策制定者提供了可操作的指导，支持投资决策、过程优化以及开发具有韧性和资源效率的关键原材料供应链。

CREdiT作者贡献声明：
Patricia Córdoba：概念化、数据管理、正式分析、资金获取、调查、方法论、项目管理、资源协调、监督、验证、可视化、初稿撰写。
Laura Mayor：调查、方法论、审稿与编辑。
Jose Jorge Espí：方法论、审稿与编辑。
Edxon Licon：审稿与编辑。

热点排行