可持续关键矿物：采矿、生产与遗留问题

《Environmental Science & Technology》：Sustainable Critical Minerals: Mining, Production, and Legacy

　　

关键矿物（CMs）在可再生能源系统、电动汽车、电子产品和国防中不可或缺。由于能源和数字转型，全球需求迅速增长，美国日益依赖脆弱的供应链。地质稀缺、贸易壁垒、环境障碍和加工挑战阻碍了国内CM生产的增长。新兴策略，包括循环经济实践和先进的可持续采矿与加工技术，可以缓解供应链和经济风险。为推进这些方法，需要一致的研究优先事项、政策修订和技术投资，以发展有弹性的CM供应。以可持续发展目标为重点这样做，可以同时推进国内经济和技术目标，同时限制环境影响并支持全球环境目标。

论文解读文章

**研究背景与问题**

关键矿物（Critical Minerals, CMs）是支撑可再生能源系统、电动汽车、电子产品和国防工业的核心原料。随着全球能源转型和数字化进程加速，对CMs的需求急剧攀升，然而美国等国家高度依赖脆弱且不稳定的海外供应链，面临地质稀缺、贸易壁垒、环境法规和加工技术落后等多重瓶颈。现有传统采矿和加工方法能耗高、水耗大、废弃物多，严重制约了国内CMs生产的可持续性。因此，迫切需要发展创新技术，以降低供应链风险、减少环境影响，并同时实现经济与生态目标。研究人员在《Environmental Science & Technology》上系统综述了可持续CMs采矿、生产及遗留问题，提出整合绿色加工、生物采矿、植物采矿和生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）等多学科策略，旨在构建弹性、低碳的CM供应体系。

**主要技术方法**

研究人员采用以下关键技术方法：绿色加工技术，包括低温湿法冶金（优化pH、氧化还原电位Eh和温度，使用有机酸、离子液体等良性浸出剂）和电化学技术（原位酸碱生成、可控氧化还原）；浮选分离创新，基于ζ电位（Zeta potential）和表面化学调控研发绿色捕收剂，并采用可控电位浮选和可生物降解起泡剂；过程强化，通过集成粉碎、浮选、磁选、选择性浸出和纯化流程，结合机器学习进行实时监控（pH、Eh、粒径分布）；生物采矿，利用微生物（如Acidithiobacillus ferrooxidans）的代谢特性，通过合成生物学工具控制电子流、优化铁硫氧化途径，并利用蛋白质（如lanmodulin）选择性结合稀土元素；植物采矿，利用超积累植物（如Alyssum属）吸收CMs，结合育种和基因工程增强吸收能力，并辅以土壤改良和农艺实践；生命周期评估（LCA），系统评估采矿和加工过程的环境影响，但需解决数据质量和标准化问题。

**研究结果**

**Future and Green Approaches for Sustainable Mining（可持续采矿的未来与绿色方法）**
研究指出，传统工艺通过优化参数和使用良性试剂（如有机酸、离子液体、生物浸出系统）可显著提高CMs的溶解效率，减少酸用量。电化学技术能在可调电位下实现选择性溶解。浮选分离通过控制表面化学和靶向试剂（基于ζ电位和表面氧化态）提高选择性，而可生物降解起泡剂和天然聚合物基抑制剂则降低环境风险。过程强化通过集成流程和数字化监控（机器学习实时监测pH、Eh、粒径分布）减少材料损失和能耗。水循环、干法加工和碳意识操作（如减少温室气体排放）也是关键组成部分。这些绿色技术易于集成到现有工艺中，降低资本支出，推动从试验到商业化的过渡。

**Biomining for the Future（未来生物采矿）**
生物采矿已广泛应用于铜和金的生产，新兴技术利用微生物对金属的精确选择性来扩展回收范围。研究人员通过合成生物学工具改造Acidithiobacillus ferrooxidans，控制电子流、优化铁硫氧化途径，增强铜的生物浸出效率。这些化能自养微生物固定CO₂的途径也被用于生产碳产品。此外，发现并利用蛋白质lanmodulin选择性结合稀土元素，可替代溶剂萃取。未来可设计选择性CM结合基序，并通过与浮选单元集成等途径降低技术风险，实现工业应用。

**Phytomining: Growing for Minerals（植物采矿：为矿物而种植）**
植物采矿利用超积累植物（如Alyssum属）从土壤中富集CMs，镍（Ni）的商业化已实现专利化。当前研究聚焦两条路径：一是识别野生型植物品种，通过育种增强CM吸收和生长速度；二是通过工程手段优化植物根系和转运效率，将CMs转移到可收获生物质中。结合生物采矿和土壤改良，可提高CM可用性和生物质产量。该技术正向钴（Co）和钼（Mo）的应用拓展，同时应用于采矿遗留废物时，还能实现生态修复和废物资源化。

**Increasing Demand for Transparent and Reliable LCA（对透明可靠生命周期评估的需求增长）**
生命周期评估（LCA）是评估采矿和加工环境影响的标准工具，但受限于数据质量、方法标准化不足和系统边界定义差异。由于采矿公司担心竞争损害而拒绝披露数据，导致可靠的过程级数据缺乏。不同LCA实践者在功能单位定义、系统边界划分和多产品系统处理上存在差异，尤其在评估新兴技术时，资源与能源输入的假设引入显著不确定性。因此，需要更好的数据协调和标准化实践，以充分发挥LCA支持未来CMs采矿决策的潜力。

**总结讨论与结论**

研究人员指出，发展可持续关键矿物供应链需综合绿色加工、生物采矿、植物采矿和透明LCA等多维策略。这些技术可降低能耗、水耗和废弃物，同时提高回收效率和选择性，并具备与现有工艺集成的潜力。政策修订、研究投资和行业合作是推动技术商业化的关键。通过聚焦可持续性目标，可同时促进国内经济和技术进步，限制环境影响，并支持全球环境目标。论文结论强调，为实现CMs的弹性供应，必须优先发展低成本、低环境负荷的回收与加工技术，并加强数据透明度和LCA标准化，以引导研发和投资决策。