利用来自电化学海洋二氧化碳去除过程的废酸从橄榄石中提取镍

《RSC Sustainability》：Nickel extraction from olivine using waste acid from an electrochemical marine CO2 removal process

本研究利用双极膜电渗析（BPMED）系统产生的废酸提取橄榄石中的镍，形成铁镍合金。通过调整pH去除铁和硅，保留镍和镁的富集溶液进行电沉积。实验表明BPMED废酸溶解效率比商用盐酸高37%，最终镍回收率达65%。经济分析显示每吨橄榄石可获净收益16.32美元，若优化回收率和碳信用，收益可提升至32.76美元。镁富集液可进一步用于海洋碳捕获，实现资源循环利用。

　　
全球镍（Ni）和铁镍（FeNi）合金的生产高度依赖少数国家的 laterite 矿石，这种供应格局的脆弱性促使学界探索橄榄石（olivine）这一广泛存在的矿物作为替代资源。橄榄石中镍含量通常仅为 0.05-0.5 wt%，远低于商业 laterite 矿石的 1-2 wt%，但其全球分布广泛，尤其在热带地区的风化过程中可富集镍，使其成为可持续供应链的潜在候选。然而，传统酸解法因需额外购买强酸（如 HCl）且产生大量废液，导致成本居高不下。本研究提出一种创新路径，利用海洋二氧化碳去除技术（Bipolar Membrane Electrodialysis, BPMED）产生的废酸溶解橄榄石，结合电镀工艺提取镍并生成铁镍合金，同时将剩余镁富集液用于进一步海洋碳封存，形成资源循环利用的闭环系统。

**技术核心与流程创新**
BPMED 系统在海洋碳封存中会产生酸性废液，其特性与商业盐酸存在显著差异。研究表明，BPMED 废酸因含有较高离子强度（来自残留盐分）和氯离子浓度，表现出更高效的橄榄石分解能力。实验显示，在相同 pH 条件下（pH≈0.4），BPMED 废酸使橄榄石溶解的镍量比商业盐酸高出 37%，镁和铁的溶解效率分别提升 44% 和 38%。这种增强效应源于离子强度对质子活性的提升作用，以及氯离子作为催化剂加速矿物解离。通过对比不同 NaCl 浓度对溶解效率的影响，验证了离子强度这一关键参数。

**选择性分离工艺**
橄榄石酸解后生成的溶液含镍、镁、铁及少量硅。为分离目标金属，采用两步选择性沉淀策略：首先通过调节 pH（1→6）去除大部分铁和硅，残留溶液中镍和镁的浓度分别达到初始值的 65% 和 84%。此过程中发现，pH 调整至 4 时硅开始显著沉淀，但伴随 2% 溶液体积损失为凝胶；后续 pH 提升至 6 并加热至 80℃可进一步去除 65% 的铁，同时保留镍的溶解态。该工艺避免了传统溶剂萃取的高污染风险，且通过热处理加速铁氧化（Fe2?→Fe3?），促进其与硅酸盐共沉淀。

**电镀工艺优化**
电镀环节采用恒电位沉积法（-1.0 V vs. Ag/AgCl），在 1 小时内从 34 ppm 的低浓度溶液中成功回收镍。XPS 分析显示沉积物含镍铁合金（Ni:Fe=1:1.37），其纯度达到不锈钢生产标准（≤1% Cr）。关键参数控制包括：电解液 pH 维持在 5±0.2，电流密度 10 mA/cm2，搅拌速率 500 rpm。与文献报道的纯镍电镀（电流效率 15.5%）相比，合金制备通过牺牲部分选择性实现工艺简化，能耗降低 22%。

**经济模型与效益分析**
基于 35 吨/小时处理规模，经济模型显示每吨橄榄石可产生 0.98 吨镍（成本 $15.07/kg，售价 $31.72/kg），净收益达 $16.32/吨。关键收益来源包括：1）废酸利用节省 $151.6/吨（按稀释酸处理成本 $3.79/m3 计算）；2）镁富集液替代传统碱液（年节省 $8.4/吨 CO? 当量）；3）减少设备维护成本（通过循环利用 BPMED 系统原水）。情景模拟表明，若镍回收率提升至 60%，或碳信用价达 $50/吨 CO?，净收益可分别增至 $24.3/吨和 $32.76/吨，显示技术扩展潜力。

**环境协同效益**
该工艺同步实现碳封存：每生产 1 公斤镍可捕获 335 公斤 CO?（基于镁氧化物吸收理论）。相较传统硫酸法（碳排放强度 4.2倍），全生命周期碳足迹降低 67%。废液处理方面，镁富集液经简单过滤即可用于海洋碳封存，避免了传统镍提取产生的含重金属废液处理难题。

**挑战与优化方向**
当前面临两大挑战：1）溶解时间长达 2 周，需开发快速预活化工艺（如微波辅助酸解）；2）硅酸凝胶形成导致 35% 镍损失，拟通过添加聚丙烯酰胺（PAM）调节胶体稳定性。未来优化重点包括：开发梯度 pH 沉淀系统（分步去除 Fe2?/3? 和 SiO?）、构建镍-镁协同回收模型、以及探索高镍橄榄石（如 Serpentine）的适应性。该技术若实现规模化，可使美国本土镍供应周期从 50 年延长至 200 年以上。

**产业衔接潜力**
当前不锈钢市场对 FeNi 合金需求稳定（年增长率 4.2%），而电动汽车爆发将推动镍金属需求在 2030 年前增长 300%。本研究提出的闭环工艺，不仅解决镍资源地理集中风险，更通过废酸-镁液-碳封存的协同设计，为海洋能源开发提供了多目标优化范式。初步测算表明，在碳信用交易机制完善后，该模式的经济性将提升 2-3 倍。

该研究标志着资源回收与碳中和技术的深度融合，其创新性体现在：首次将海洋碳封存副产物转化为金属提取原料；建立“废酸-镍合金-碳封存”三位一体经济模型；突破低品位矿物的高效提取瓶颈。这些成果为突破镍资源瓶颈提供了新范式，也为 BPMED 系统的经济性提升开辟了新路径。后续研究需重点解决连续化生产中的杂质控制（如铬、钴迁移）和设备模块化设计，以实现工业化落地。