协同作用：6种减排技术与海水淡化废盐资源化利用以实现宝贵资源回收——技术经济与环境评估

《Journal of Cleaner Production》：Synergistic SF 6 abatement and desalination brine valorization for valuable resource recovery: Techno-economic and environmental assessment

　　•SF6销毁与海水淡化废液资源化整合工艺。•通过TEA和LCA方法对单级、多级以及结合废液的SF6净化系统性能进行评估。•与直接排放的SF6相比，所有方案均实现了99.8%的全球变暖潜力降低。•在从单级净化转向多级净化且不结合废液处理时，LCOD从13.95美元/千克SF6降至3.25美元/千克SF6。•经过HEN优化的SF6-废液多级处理工艺在35%可再生能源利用率下，可实现LCOD为-4.01美元/千克SF6，并实现净负排放。

引言
近几十年来，由于工业发展、大规模数字化以及交通领域的电气化，全球电力需求呈指数级增长，这促使高压电力传输与分配系统的应用不断增多（能源署，2050年；Gallegos等人，2024年；Oh等人，2025年）。在此背景下，气体绝缘开关设备在各类电网层级和电压等级中变得不可或缺，它们能够以紧凑、可靠且安全的方式输送电能。这类设备的性能主要依赖于SF6的独特特性，如高介电强度、快速灭弧能力以及优异的散热性能，这些特性使得设备体积更小，同时仍能保持系统的完整性（Jiang等人，2026年；Zhuang等人，2020年）。随着全球电力基础设施的扩展，SF6的生产与处理量也在不断增加。然而，这种日益增长的依赖性也引发了人们对废弃物产生、泄漏排放以及设备报废处理问题的担忧。

尽管SF6在工业领域具有诸多优势，但它却是各类常用工业气体中温室效应最强的物质，因此被《京都议定书》明确纳入管制范围。其在100年时间尺度上的全球变暖潜力高达24,300，而在大气中的存在时间约为3200年，即便微量排放也会带来严重的环境后果（Fenhann，2000年；Gupta，2016年）。区域数据进一步凸显了问题的严重性：仅中国在2018年的SF6排放量就约为5190吨，此外，半导体制造和镁生产等非电力行业还产生了110吨的排放量（Zhou等人，2018年）。相比之下，美国环境保护局记录的年度排放量为236.8吨，而欧洲在2017年的排放量为286.4吨，这些数据都表明SF6排放具有广泛的地理分布特征，因此亟需国际间协同推进减排工作（Cui等人，2024年；Widger和Haddad，2018年）。

为应对这些日益严峻的问题，多个国家出台了相关政策和管理措施，以减少SF6的排放，其中包括对SF6绝缘设备的生产、使用及处置全生命周期实施严格管控（Feng等人，2019年；Schwarz等人，2011年）。在一些地区，政府还通过征收基于排放量的税收来激励企业限制SF6的释放（Hanoteau和Talbot，2019年）。与此同时，诸如SF6回收与提纯以便再利用，以及用更环保的绝缘气体替代SF6等技术解决方案也受到了越来越多的研究关注（Seo等人，2020年；Sosa等人，2025年）。虽然目前大多数SF6减排措施都集中在防止泄漏和回收方面，但最近的研究则开始转向降解与转化技术，这类技术旨在永久破坏SF6中稳定的S-F键，将其转化为无害或具有价值的副产品（Shi等人，2023年；Zhang等人，2017年）。光还原降解技术可以通过还原剂或光激发催化剂产生的活性物质，在紫外线或可见光作用下分解SF6。此外，人们还研究了利用还原金属络合物的电化学方法，以及微波和射频等离子体等等离子体技术。不过，这些方法通常会产生包括SO2以及氟化硫化合物（如SOF2、SO2F2、SOF4）在内的气态副产品，这些物质不仅有毒，而且难以回收，从而限制了其实际应用价值（Koe等人，2020年；Zhang等人，2018年）。

因此，热分解依然是目前最有效且最适用于工业领域的SF6减排方法。在高温且存在水蒸气的条件下，SF6会分解为HF、SO2和SO3等含氟酸性副产品，这些副产品需要通过装有NaOH、KOH或Ca(OH)2的碱性洗涤装置进行处理。焚烧法和热催化分解法都能实现接近99%的销毁效率，只不过它们适用的浓度范围有所不同：焚烧法适用于高浓度的气体流，而催化分解法则仅适用于浓度在0.5%-2%之间的稀溶液（《六氟化硫与电力行业》，无日期；Zhang等人，2022年）。在这方面，Lee等人研究了一种采用氧化铝基催化剂与CaO吸附床相结合的热催化减排方案。他们的研究取得了多项重要成果，包括能够生成CaF2和CaSO4等有价值的副产品，与传统的高温焚烧法相比能耗更低，而且随着吸附床数量的增加，二氧化碳排放量也会降低，这说明多床结构能够进一步提升处理效率（Lee等人，2018年）。此外，人们还通过高温焚烧法研究了SF6的分解过程，同时也利用实验室规模的电热管炉和基于燃烧的试验系统研究了其热分解行为，后者实现的SF6分解效率超过了99%（Cho等人，2022年；Cho等人，2022年；Lee等人，2022年）。基于这些研究成果，Kim等人开发了一种商用规模的SF6分解与污染控制系统，其处理能力约为60吨/年。该系统在980–1040℃的温度下运行，其销毁与去除效率可超过97%，在某些情况下甚至能达到100%，而且在稳定状态下，有害污染物的排放量也保持在规定的限制范围内（Kim等人，2024a年）。尽管这种方法效果显著，但由于需要消耗大量的碱性试剂，存在腐蚀风险，还会产生二次废弃物，因此下游的洗涤处理会大幅增加运营成本。正因如此，尽管从技术层面来看焚烧法用于SF6销毁是可行的，但其经济可行性仍受到高能耗以及高昂的中和处理成本的限制。

与此同时，海水淡化厂排放的大量废液在水资源短缺的地区构成了日益严重的环境问题，这些废液会提高水体盐度，进而破坏水生生态系统，影响海洋生物的生存（Panagopoulos等人，2019年）。因此，必须采取适当的处理措施和废液排放策略。海水淡化废液中富含多种溶解盐类和矿物质，这使得它并非单纯的废弃物，而是一种潜在的资源。这一事实促使人们更加关注最小液体排放和零液体排放技术，这类技术旨在从废液中回收有价值的盐类，同时减少或彻底消除废液的排放（Tong和Elimelech，2016年）。此外，废液还可以作为烟气捕集的实用吸附剂，这样既能减轻废液排放带来的危害，又能有效去除污染物。多项研究已经证明，通过对废液进行适当的预处理，利用其中天然存在的钙和镁元素，就可以捕获并转化NOx、SOx和CO2，同时还能回收有价值的碳酸盐类副产品（S. Cho等人，2022年；Im等人，2026年；Lim和Kim，2022年）。

将基于碱性的烟气捕集技术与含盐流体相结合的方法已经得到了广泛的研究，众多研究都证明了这类方法在去除酸性气体以及回收资源方面的有效性（Amiri等人，2017年；Chianese等人，2026年；Zygarlicke等人，2006年）。然而，目前的这些研究大多还比较零散，缺乏一个能够全面分析工艺配置、试剂供应、经济效益以及环境影响之间相互关系的统一框架。此外，日益严格的法规和减排政策也使得电力行业在SF6管理方面的重点从资源利用转向了永久性销毁。因此，目前大多数研究仍然侧重于污染控制，而将SF6废物处理转变为资源回收平台的理念则尚未得到足够的重视。

鉴于此，将海水淡化废液的利用与SF6销毁相结合，可以构建一种协同的循环体系，在该体系中，废液可以被转化为碱性洗涤介质，从而降低运营成本，进一步提升SF6减排系统的整体可持续性。因此，本研究提出了一种统一的框架，它不仅仅是将现有的各种工艺简单组合在一起，而是建立了SF6销毁与海水淡化废液资源化之间的协同关联。与传统的主要专注于污染物销毁和中和处理、且将沉淀出的盐类直接排放而不加以回收的SF6焚烧系统不同，所提出的方法利用烟气转化技术以及从废液中提取的中和剂，将废液转化为具有市场价值的产品，从而同时实现环境效益和经济效益的双重目标。在该框架下，海水淡化废液不仅可以作为低成本碱性试剂的来源，还可以作为资源回收的平台，用于生产有价值的化学品，从而减少对外部中和剂的依赖。

为了评估不同集成程度和试剂供应策略所带来的影响，本研究设计了四种工艺方案，并通过TEA和LCA方法对其进行了系统评估：(i) 基准方案，即传统的SF6焚烧系统与单级烟气中和处理相结合；(ii) 多级烟气捕集系统，该系统能够实现选择性盐类回收；(iii) 整合方案，该方案利用海水淡化废液来生产中和剂并回收副产品；(iv) 经过能量优化的方案，该方案通过HEN技术实现了热量整合。通过这些对比，本研究旨在阐明利用废液生产中和剂以及回收副产品对于SF6减排的益处，同时识别出关键的经济驱动因素、环境负担以及工艺瓶颈。虽然之前的研究已经分别探讨了SF6的销毁和废液的利用问题，但将二者整合在一个能够同时实现污染物控制、资源回收以及可持续性评估的综合性框架之中，目前还鲜有研究涉及。因此，本研究提出了一种全新的SF6-废液综合管理策略，同时也为构建更可持续且更具经济可行性的SF6减排系统提供了工程方面的参考依据。

流程描述
本研究旨在设计一种集成了SF6焚烧与海水淡化废液处理功能的系统，该系统既能满足各项环境监管要求，又能通过提升资源回收率来减轻经济负担。研究中设计了多种工艺方案并对它们进行了评估。尽管这些方案在加工流程上存在共性，但它们在集成方式和选择性特征方面有所不同，这有助于清晰地分析废液利用以及工艺设计所带来的影响。表1汇总了每种方案中所使用的工艺单元。

技术经济分析
对这四种方案都进行了经济层面的评估，以此量化工艺集成和能量优化所带来的好处。经济评估所依据的关键假设总结在表S11中。为了确保各方案之间能够进行公平比较，本研究采用了统一的经济指标。本研究的主要目标是实现高效的SF6销毁，而衡量这一目标的核心指标就是SF6销毁的平准化成本（LCOD）。LCOD的值是根据每年的总消耗量来确定的。

各工艺方案的质量与能量平衡情况
表S12汇总了这四种方案的质量与能量平衡结果。在所有方案中，均为250千克/小时的恒定SF6进料，在相同的焚烧条件下都被完全分解，其液化石油气输入量相同，均为75.48千克/小时，空气供应量也大致相当。在方案1中，由于采用了直接接触式冷却系统，需要更多的空气量，因为该系统是通过空气与循环的中和溶液共同作用来实现冷却的。

结论
本研究提出并评估了一种统一的框架，该框架通过整合多级烟气捕集与矿物化处理、从废液中提取中和剂、回收副产品以及实现热量整合，将SF6的销毁与海水淡化废液的资源化处理有机结合起来。与以往大多单独研究这些概念的研究不同，所提出的方法构建了一个完整的工艺链，能够同时实现温室气体减排以及盐分处理的目标。

作者贡献说明
Konan Alain Cedric Nzisso：概念构建、数据整理、正式分析、研究实施、方法设计、验证、可视化处理、初稿撰写。
Minseok Im：方法设计、验证、可视化处理、初稿撰写。
Inhye Kim：研究实施、方法设计、可视化处理。
Jeongjae Oh：研究实施、方法设计。
Sunghyun Cho：资金筹集、项目管理、资源协调、监督工作以及论文审阅与编辑。

利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

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