综述:皮杰法镁渣的全球协同利用:环境风险、碳捕获与电转化

《Journal of Environmental Management》:Coordinated global valorization of Pidgeon-process magnesium residues: Environmental risks, carbon capture, and electroconversion

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年08月29日 来源:Journal of Environmental Management 9.2

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   摘要硅热法炼镁过程中产生大量皮杰法镁渣(MS)。根据国际镁业委员会数据,每生产一吨金属镁约产生6至8吨镁渣。这导致主要产镁地区面临持续的堆积和填埋压力,同时引发碱污染、扬尘扩散和长期占地等一系列问题。尽管将镁渣作为建材资源化利用的研究日益增多,但现有研究大多将危害控制与性能利

  

摘要

硅热法炼镁过程中产生大量皮杰法镁渣(MS)。根据国际镁业委员会数据,每生产一吨金属镁约产生6至8吨镁渣。这导致主要产镁地区面临持续的堆积和填埋压力,同时引发碱污染、扬尘扩散和长期占地等一系列问题。尽管将镁渣作为建材资源化利用的研究日益增多,但现有研究大多将危害控制与性能利用视为两个独立问题。这种分离容易导致风险和不确定性在不同利用途径和生命周期阶段之间转移。与聚焦单一利用路线的综述不同,本研究将残留物危害、各途径特性、碳捕集、电转化和全生命周期评价-多准则决策分析(LCA-MCDA)评估纳入统一的决策框架。本文识别了各途径的适用条件、主要局限性和可能的风险转移,为区域途径选择提供了更清晰的依据。

引言

在循环经济发展战略中,工业固体废物日益被视为二次资源,尤其在材料需求量大且面临显著脱碳挑战的行业(Zhang et al., 2025)。建材领域正处于这一转型的前沿,因为水泥、骨料、胶凝材料和回填材料等大宗建筑材料能够有效利用大量工业副产品,同时满足技术性能和环境安全要求。硅热法炼镁过程中产生的镁渣典型地体现了这一发展挑战:其渣产量与镁金属产量之比极高,主要堆存在内陆地区,且无序堆放可能导致土地占用、土壤盐碱化和潜在的地下水污染风险(Yang et al., 2022; Hua et al., 2025; Liang et al., 2022)。
从可持续发展的角度来看,镁渣带来的挑战不仅体现在其庞大的产生量上,还表现在单一利用途径可能将环境负担在大气、土壤和水体等不同环境介质之间转移(Zhang et al., 2022; Alwash et al., 2025),或者将这些负担转移到产品的不同生命周期阶段。虽然某种镁渣利用途径可能提高材料的力学性能(Ji et al., 2021; Xie et al., 2024; Korkmaz et al., 2025),但同时也可能在工程应用中增加浸出污染的风险。反之,某些途径虽然能够有效实现污染物的固化或稳定化,但其大规模推广可能因能耗过高或成本过高而受到限制。
上述矛盾问题促使学术界建立了一种新的规划方法,将危害-暴露机制、材料功能性能要求和全生命周期经济权衡三个方面整合为统一的决策逻辑体系。全球镁工业长期呈现显著的区域集聚特征,其中资源禀赋、能源结构和工艺路线共同决定了主要产区的固体废物空间分布模式。以硅热法为代表的热法炼镁路线通常以白云石为原料。白云石经煅烧后,含有CaO/MgO的煅烧白云石与硅铁和矿化剂混合制成球团,然后在真空和高温条件下通过还原反应生产金属镁,留下残余固相,即"镁渣/还原渣/炉渣"。由于原料配比与还原反应之间的化学计量关系,以及工艺热效率和镁的挥发-冷凝行为带来的约束,硅热法炼镁通常伴随着极高的固体残渣产率。
高渣产量比直接导致主要产镁地区面临持续的结构性矛盾:持续产生、就地堆存和处置能力不足。镁渣堆不仅占用土地资源、增加生态机会成本,还可能通过雨水淋溶和风蚀等机制成为持续扩散的环境压力源(Yan et al., 2025)。更为关键的是,镁渣的高碱性和潜在可溶性盐组分意味着其环境影响不能通过惰性堆存而忽视;储存过程中的碱性渗滤液和盐分迁移可导致土壤盐碱化过程,并可能通过地表径流和入渗途径影响周边水环境。
目前工业界处理镁渣的主要方法包括:辅助水泥材料(Li et al., 2024; Yang et al., 2024; Sun et al., 2023)、复合水泥(Korkmaz et al., 2025; Zhang et al., 2025; Xie et al., 2024)、活化改性、填埋、碳化/矿化及CO2吸附(Wang et al., 2024; Zhang et al., 2024; Lu et al., 2024),以及高效废水吸附剂(Lu et al., 2023; Luo et al., 2025; Zhang et al., 2025)和用于制备钙片的新型电化学转化技术(Zhang et al., 2025)。镁渣利用研究催生了多种技术路线的发展,但一个显著的共性缺陷在于:大多数研究集中于提升单一途径材料的性能或解决单一环境问题。这种方法缺乏将危害识别、风险途径、技术组合和全生命周期经济权衡整合为连贯决策逻辑的系统性框架。1. 跨介质风险转移:某些工艺可能在提高材料强度的同时增加可溶性盐迁移或碱性渗滤液产生的风险。或者在缓解生产过程中的堆存压力时,却在产品使用阶段引入新的暴露途径(Ghori et al., 2025)。2. 由于片面评估导致的最佳方案误判:在缺乏全面的全生命周期评价(LCA)的情况下,仅依据强度、固化率或碳化率等指标选择技术路线可能会忽略能耗、碳排放、成本和法规可行性等关键因素,最终阻碍这些技术的大规模实施。
因此,学术界和工程领域逐步建立了更具操作性的综合评估和多准则决策范式。该范式以全生命周期评价(LCA)作为环境性能的基准,运用多准则决策分析(MCDA)来实现各目标、约束条件和利益相关方之间的可解释权衡和排序。在更高层次上,全生命周期可持续性评价框架可以进一步将环境、经济和社会维度整合到连贯的决策背景中,从而支持区域固体废物资源回收途径的开发和情景规划(Valdivia et al., 2021)。
与现有的路线特定综述相比,本综述做出了三项聚焦性贡献:将源特性与释放-暴露风险联系起来;从性能、应用条件和局限性等方面比较胶凝材料、碳化、回填、吸附剂和电转化路线;将LCA与MCDA结合用于区域途径选择。
现有证据的一个关键局限在于其地理分布不均衡。皮杰法镁渣的直接研究集中在中国,因为采用该路线的商业化生产也高度集中于此。因此,本综述区分了镁渣的直接证据和从成分类似的碱性冶金残渣中获得的可转移证据。国际法规、浸出规程、工业共生实践和全生命周期研究被用作边界条件,而非作为相同性能的直接证据。这种区分避免了表面上的"全球"比较掩盖原料矿物学、电力结构、运输距离、水资源可用性、产品标准和终端市场容量等方面的差异。

章节摘录

硅热法炼镁

金属镁的工业生产主要分为两大类方法:电解法和热法。在中国,皮杰法(硅热法炼镁)长期以来一直是行业主流技术。全生命周期研究和工艺综述表明,皮杰法的核心反应原理如图1a所示:在高温和真空条件下,利用硅铁还原煅烧白云石,

镁渣资源化利用相关的理化特性

镁渣通常被归类为富含钙、硅和镁的碱性废渣。基于对多家生产企业的综合分析以及镁渣的理化特性,图2a–f大致反映了其矿物相组成、硅氧骨架结构以及酸浸蚀后的演化规律。镁渣的XRD分析(图2a)表明,衍射峰显示原始镁渣

结论与展望

本综述表明,途径选择应遵循残留物品质、本地需求、CO2可得性、能源供应和环境约束。胶凝材料和回填用途适用于大规模区域消纳;碳化在源-汇条件有利时具有碳效益;MS-LDH和吸附剂路线面向较小的高附加值市场;电转化最适合在清洁电力、净化能力和产品需求均可得的情况下应用。在

CRediT作者贡献声明

Zhang Ren-yun:写作–审阅与编辑、写作–初稿撰写、数据整理、概念构思。Liu Yan:资金获取、形式化分析。Fan Zhi-yu:调查研究、概念构思。Xing Hong-xuan:数据整理、概念构思。Zhang Ting-an:形式化分析、数据整理。

利益冲突声明

作者声明,他们没有已知的与本文所报道工作有关的财务利益或个人关系可能影响研究成果。

致谢

资金:本研究得到以下项目的资助:利用硅热法矿化镁渣并捕集CO2制备食品级碳酸钙技术(BH20230209001)、国家自然科学基金(52374352和U23A20610)、以及辽宁省教育厅高等学校基本研究项目(JYTZD2023091)。
Ren-yun Zhang|Yan Liu|Zhi-yu Fan|Hong-xuan Xing|Ting-an Zhang
东北大学 冶金学院,沈阳,110819,中国
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