《Journal of Cleaner Production》：An integrated approach towards utilizing bittern for chemicals recovery: Technoeconomic and sustainability analysis
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关键矿物（critical minerals），如镁、钾、锂和钠等，对清洁能源技术和电子设备至关重要，并在先进制造中发挥关键作用。近年来，由于矿物需求上升、供应链风险增大以及政策对资源可持续性的日益重视，从二次资源中回收这些矿物越来越受到优先关注。本研究提出一
关键矿物（critical minerals），如镁、钾、锂和钠等，对清洁能源技术和电子设备至关重要，并在先进制造中发挥关键作用。近年来，由于矿物需求上升、供应链风险增大以及政策对资源可持续性的日益重视，从二次资源中回收这些矿物越来越受到优先关注。本研究提出一种结合数学建模与基于超结构（superstructure）的优化框架，用于从盐卤（bittern）——海盐生产过程中产生的浓缩盐水废液——中分离和回收海洋来源的关键矿物。研究人员开发了一个混合整数非线性规划（mixed-integer nonlinear programming, MINLP）模型，以识别可行的工艺构型和回收路径，并评估其经济与环境权衡。初始以成本为驱动的最优化表明，能源消耗是主导经济因素，最优路径比传统路径的生产成本降低17%。为实现全面的可持续性评估，该框架被扩展为多目标公式，整合技术经济分析（techno-economic analysis, TEA）与生命周期指标（life cycle indicators），并使用ε约束法（epsilon constraint method）求解为双目标问题。该方法生成了一系列候选方案，涵盖成本最优、环境友好以及折衷构型。在代表性成本-气候变化案例中，成本降低8.4%的同时，气候变化影响在整个解空间中最高改善55%。这些发现强调了在工艺设计中整合经济与可持续性优化的重要性，并展示了将盐卤资源化作为可持续关键矿物回收和循环资源利用途径的潜力。
**论文解读**
**研究背景与问题**
资源回收是可持续发展和循环经济的核心环节，涉及从废物流中提取有价值的材料或能量，并用于工业或商业过程。随着全球对镁、钾、锂、钠等关键矿物需求的增长，以及供应链风险和政策对资源可持续性的推动，从二次来源回收矿物日益受到重视。盐卤（bittern）是海盐生产过程中产生的高浓度盐水废液，富含多种有价值的矿物盐，如氯化镁、氯化钾、氯化钠和硫酸镁等。然而，目前大多数盐场将盐卤作为废物处置，直接排放到海洋或陆地环境中，导致土壤盐碱化、水生生态系统破坏及有毒重金属引入，造成严重的环境危害和显著的经济负担（平均处置成本约18美元/立方米）。因此，亟需开发经济有效且可持续的策略，实现盐卤中关键矿物的回收和循环资源管理。
**研究内容与结论**
《Journal of Cleaner Production》上发表的这项研究，开发了一种集成数学建模与超结构（superstructure）优化框架的方法，用于评估和优化从盐卤中回收多种增值矿物的工艺路径。研究人员首先建立混合整数非线性规划（MINLP）模型，进行单目标成本驱动优化，发现能源消耗是主导经济因素，最优路径相比传统专利路径实现17%的生产成本降低。随后，将框架扩展为双目标优化，整合技术经济分析（TEA）与生命周期评估（LCA）指标，利用ε约束法生成一系列候选方案，揭示经济与环境之间的权衡关系。代表性成本-气候变化案例中，在解空间内成本降低8.4%的同时，气候变化影响改善高达55%。研究结论强调，仅考虑成本的最优化会掩盖环境更优的替代方案，而综合经济与可持续性优化能够识别出既保持经济竞争力又显著降低生命周期影响的平衡解决方案。该框架展示了盐卤资源化作为可持续关键矿物回收和循环资源利用路径的潜力，并可适用于其他工业盐水系统。
**关键技术方法**
研究中采用的主要关键技术方法包括：① 超结构（superstructure）建模，将盐卤中矿物回收过程分为四个阶段（石膏回收、卤水浓缩与粗盐及低钠盐回收、氯化镁回收、氢氧化镁回收），为每个阶段提供多种替代技术选项（如混合、过滤、结晶、干燥等），构建包含所有可行路径的网络；② 混合整数非线性规划（MINLP）模型，包含质量平衡、能量平衡、技术特定约束及成本方程，通过二进制变量进行技术选择；③ 技术经济分析（TEA），基于SuperPro Designer数据库和市场调研（2024-2025年）估算资本成本、原材料成本、公用工程成本等；④ 生命周期评估（LCA），纳入终点指标（气候变化CC、资源利用RU）和中间点指标（水生生态毒性AE、陆地生态毒性TE），排放因子来自SimaPro数据库；⑤ ε约束法（epsilon constraint method），将双目标优化（总生产成本与单个LCA指标）转换为一系列单目标子问题，生成21个候选解。数据来源包括文献、市场研究和工艺数据库，未涉及具体实验样本队列。
**研究结果**
**4.2 产品回收路径**
通过单目标成本最小化优化，从超结构中识别出最优产品回收路径：第一阶段采用混合罐（MS1）混合盐卤与氯化钙溶液，以及带式过滤（BF1）回收石膏；第二阶段采用连续蒸发结晶（CE1）浓缩卤水至32°Bé、超滤（UF2）回收粗盐、连续蒸发结晶（CE2）浓缩至36°Bé、带式过滤（BF3）分离光卤石型混合盐，最后通过压滤机（FP1）获得低钠盐；第三阶段采用连续蒸发结晶（CE3）回收氯化镁；第四阶段采用混合罐（MS2）混合氢氧化钙与氯化镁溶液、水力旋流器（HC1）回收氢氧化镁、固定床干燥器（FBD）干燥，氯化钙溶液循环回第一阶段。相比传统路径，最优路径在设备选型上更高效。
**4.3 技术经济分析（TEA）**
基于材料与能量流、设备成本、公用工程及人工成本等，计算各路径的总生产成本和最低销售价格（MSP）。传统路径年总生产成本为280万美元，最优路径为230万美元，降幅17%，主要差异源于公用工程成本（能源消耗）在各阶段的贡献。第二和第三优路径的年成本分别为250万和270万美元。最优路径中粗盐、氯化镁和氢氧化镁的最低销售价格与市场均价相比具有竞争力，但石膏和低钠盐成本高于市场价。
**5.3 成本（CTPC）与气候变化（CC）权衡分析**
采用ε约束法进行双目标优化，生成21个候选解（P1-P21），显示成本与气候变化影响之间存在明显反向关系。P1为环境最优解（气候变化影响最低），但成本最高；随候选解推进，成本下降而气候变化影响上升。研究中发现成本平台现象：在早期候选解后，经济性能趋于稳定，而环境指标持续变化，说明存在技术上不同但经济等价的过程路径。例如，在代表性成本-气候变化案例中，解空间内成本降低8.4%的同时气候变化影响改善55%。其他双目标组合（成本与资源利用、水生生态毒性、陆地生态毒性）分别带来46%、79%和96%的环境指标改善。中间候选解（如P3、P4、P19-P21）提供了成本与环境性能的平衡选择，表明在不严重影响经济可行性的前提下可实现有意义的生命周期影响降低。
**讨论与结论**
研究指出，仅依赖成本优化会掩盖环境更优的替代方案，而综合经济与可持续性评估可识别出既经济竞争又显著降低生命周期影响的平衡解决方案。多目标框架生成的候选路径谱系（包括成本最优、环境友好及中间折衷方案）增强了工艺选择的透明度，支持更明智的可持续性工业决策。盐卤的资源化而非作为废物排放，通过缓解其处置相关的生态和物理化学风险，带来了切实的环境效益。该框架可适用于其他含盐废水和工业盐水系统，展示了在可持续工艺设计、循环资源利用和废物资源化中的广泛相关性。
**研究结论翻译**
在这项工作中，研究人员开发了一个基于超结构（superstructure）的优化框架，以识别从盐卤（bittern）流中回收多种增值产品的可行工艺路线。该方法将工艺合成与技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）相结合，首先采用单目标成本优化建立经济可行的回收路径，随后将框架重构为包含成本和生命周期指标的双目标优化问题，并使用ε约束法（epsilon constraint method）系统求解。这一递进过程实现了对经济-环境权衡空间的结构化探索，并揭示了超越传统成本驱动设计所识别的候选工艺构型。结果清楚表明，仅进行成本优化会掩盖环境更优的替代方案，而同时进行经济与环境评估可识别出既保持经济竞争力又显著降低生命周期影响的平衡解决方案。多目标框架生成了候选路径谱系，包括经济最优构型、环境友好选项以及提供实际决策权衡的中间折衷方案。盐卤的资源化而非作为废物流处置，通过缓解其处置相关的生态和物理化学风险，带来了切实的环境效益。因此，超结构优化与生命周期评估的整合为可持续含盐废物管理提供了稳健路径。该框架可适用于其他含盐废水和工业盐水系统，突显了其在可持续工艺设计、循环资源利用和可持续废物资源化中的广泛相关性。
