海水炼镁——彰显物质和材料减量化优势，对可持续性的意义重大，贡献巨大！

            1944年，威拉德·道（WillardDow）对美国参议院表示，“从浩瀚的大海中提取出闪闪发光的镁金属，这是人类的一种壮举和成就。即便是从前最有想象力的炼金师，也没能想象出这一景象。”陶氏镁业（Dow Magnesium，原译为道屋化学）曾是有史以来最大的镁金属生产商。在美国德克萨斯州自由港市（Freeport），陶氏镁业曾运营了一个世纪，期间这个镁厂从海水中提取了数百万吨金属镁。陶氏镁业认为，从海水中提镁是人类文明向前迈出的重要一步。

图1。陶氏在德克萨斯州Freeport的前工厂，用于从海水中分离镁的水池（左）和冷却镁牺牲阳极（右）。

            镁有很多优点：普通合金比铝轻1/3，比钢轻3-4倍。镁易于压铸且具经济性，有利于大规模制造。与碳纤维复合材料等其它轻质材料相比，镁的应用更具有可扩展性。但严格来说，陶氏镁业着迷的并不是镁材料的技术特性。他们喜欢镁，因为它也是唯一可以由海水制成的结构材料。

图2:陶氏镁业公司的海报显示了海水中镁的含量

        尽管陶氏镁业的海水炼镁业务取得了成功，但镁并没有发展成为一个大型的全球性产业。大多数轻量化产品都应用铝，而当今世界使用的铝的质量大约是镁的50倍。镁之所以艰难竞争，至少有一个原因：镁业没有真正讲述出自己的故事，或者至少没有把镁的故事讲得很好，没有说服潜在客户放弃对铝和钢的投资。1966年，当时的国际镁协主席Roger Wheeler批评了协会的会员，他说：“镁行业中缺乏成熟和完善的营销技巧。” 2003年，福特前工程师Gerald Cole感叹道，“镁的一个主要问题，是供应端没有足够的专注者。”

        除非有十分明确的技术和市场收益，否则（编者注:指西方）很少有人会投资于镁的产品开发，而且在20世纪，很少有人认真理解陶氏镁业对镁的见解和实践：这是一个不用采矿就能制造金属的机会。但是，时过境迁，在21世纪，认知应该会发生变化了。

一切都在改变

        这是一个彻底变革的10年。新冠疫情和俄乌战争使许多人意识到，在具有共同价值观的国家建立更短、更清洁的供应链至关重要。这些价值观越来越注重减少人类的活动对环境和社会的影响，同时保持高质量的生活。降碳、脱碳以减少气候变化，已成为餐桌上的话题，但脱碳只是可持续性故事的一部分。毕竟，碳中和的技术仍然会对环境产生严重影响。例如，采矿作业中的尾矿库，如果坍塌或者泄漏，仍然会破坏生态系统并造成人员死亡。最终，最好的情况是不需要开采或不存在尾矿库。

另一方面，物质及材料减量化是一种技术创新，注重于“用更少的资源做更多的事”，在消耗大量自然资源的同时实现更高的经济产出。几乎所有新技术，都通过提高产品质量或减少产品生产所需的资源输入为客户创造价值。智能手机、太阳能和电池，就是实现物质及材料减量化的3个产品例子。此外，对减少供应链的环境和社会影响的日益关注，还会促使许多行业加快物质减量化。鉴于这些趋势，陶氏对镁的愿景似乎更具有预见性（图3）。

图3 陶氏公司为推广镁而制作的艺术海报

镁对物质和材料减量化的作用和贡献

        采用智能手机，提供从单一手持来源获取大量知识的途径，并以此实现信息的材料减量化。当下在利用的太阳能、风能和电池技术，正用于能源领域的材料减量化。同样，利用陶氏和海德鲁镁业几十年来商业化使用的电化学技术，不经采矿过程就从海水中提炼出镁金属，是原镁生产实现物质减量化的唯一途径。

        镁金属更佳的轻量化特性，使其能够消除车辆中使用的某些金属部件75%的自重，这将使消费者能够使用相同的能源行驶更远的距离。这一举措，支持了数十年来通过在美国实施CAFE标准而设置的运输脱碳。在电动汽车时代，使用镁而不是铝和钢，将使汽车制造商能够在每辆车上使用更少的电池，为消费者提供相同的行驶里程。

        因此可以认为，从物质减量化、材料减量化角度，海水炼镁对金属领域的支持作用，可相当于太阳能利用对清洁能源的支持，作用和贡献巨大。

        陶氏镁业和挪威海德鲁镁业使用的电化学技术，包括4个主要步骤：湿法冶金、脱水、电解和金属铸造。在第一步中，从海水或从钾盐或海盐作业产生的废盐水中获得盐水浓缩物。这些盐水浓缩物经过提纯和蒸发，得到纯镁盐水合物。之后，使用各种类型的脱水技术处理，以生产不含水的无水镁盐。开发或利用的电化学炼镁技术，会使用不同的脱水技术，因此脱水技术从未整合为单一的一种方法。然后，将无水镁盐熔化并电解以制备金属镁。金属镁是从电化学电解槽中“提取”出来，用于制造各种镁产品，包括用于铝工业的纯镁锭、用于压铸的镁合金锭，或直接将镁液送去铸造。这一过程的副产物，包括水、氯和从盐水中去除的少量杂质，但不会产生大量的残渣。

        相比之下，中国企业在20世纪90年代和21世纪初采用的皮江法工艺，其工艺与陶氏和海德鲁开发的工艺完全不同。皮江法工艺不利于未来发展，它使用大量的能源作为高温热能，并在煅烧镁矿、生产硅铁等还原剂以及工艺过程的高温加热时直接排放二氧化碳。尽管皮江法有其缺点，但这种工艺得益于成本结构，该成本结构依赖于燃煤和廉价人力资源。这使得西方生产商几乎不可能与中国生产商竞争，在中国政府推出出口退税之后，更刺激了廉价和非清洁生产的镁产品的出口。

        然而，镁市场开始出现转变。随着中国努力实现工业脱碳，中国的生产商现在也越来越难获得低廉的煤炭电力和廉价劳动力，并且大多数人开始进入中产阶级。此外，电化学镁将从太阳能和电池的发展中受益匪浅，从而在新的生产地区释放出低成本生产的潜力。

太阳能、风能和地热等可再生能源，降低了电力成本和碳排放，而世界各国政府的碳税和其他措施使二氧化碳排放成本更高，这使镁生产商开始意识到直接排放二氧化碳没有技术或经济激励。相比之下，使用海水的电化学生产工艺（其本身就可脱碳）将开始变得更有吸引力。事实上，电化学镁生产对未来非常有吸引力，甚至中国也在努力减少劳动密集型皮江法工艺的运营，以支持使用电化学技术从盐水中生产镁的新投产工厂。很快，利用电化学技术生产镁，可能成为世界上最具经济竞争力的轻质金属生产途径之一。

        同样，与原铝或钢生产相比，镁更容易脱碳。使用传统技术，还原铝和铁都需要使用碳去除氧。这些生产过程导致了全球10%的二氧化碳排放。尽管创业公司花费数亿美元和数十年时间试图找出如何在不排放二氧化碳的情况下制造钢铁和铝，但在一个世纪内，镁已经没有直接排放二氧化碳。镁盐本身不含氧，镁电解的温度比铝电解和钢铁生产低得多，这意味着镁消耗的能量要少得多。

        原镁的生产有可能成为世界上最清洁的提炼冶金工艺。在镁产品的寿命结束时，还有更多的益处。镁在腐蚀时变成氢氧化镁，最终以可溶性碳酸氢盐的形式返回海洋。此过程能够自动封存二氧化碳。然后，它可以从海水中产生，而不会向大气中排放二氧化碳。这使得镁成为唯一固有的循环型结构金属。

        铝和钢注定具有线性价值链。它们将始终需要固体矿物自然资源的投入，并将始终输出不会封存二氧化碳的废物。所有金属都可以回收，但绝不是无限循环的：每次回收金属时，金属都会以残渣（譬如铝灰）或矿渣的形式而出现损耗，因此铝等金属只能平均回收10-15次，之后会成为废料。

        海水中的镁，不需要通过开采固体矿产资源而获取，也避免建造尾矿库，这两者都会造成严重的危害。例如，铁矿石开采可能会造成严重影响，比如澳大利亚的Juukan峡谷遭到破坏，导致力拓首席执行官（CEO）辞职。用海水中的镁替代采矿，是消除这些有害环境和社会影响的唯一途径。

重回未来

        世界将永远会需要采矿来生产一些金属。除了在合金开发方面取得突破外，镁将无法实现钢和铝的某些功能，至少在很长一段时间内是如此。即使如此，通过在车辆和其它车辆上使用更多的镁金属，也有可能最大限度地减少维持社会高质量生活所需的采矿量，并继续人类经济发展。

正如大众汽车和主要汽车制造商几十年来所证明的那样，镁是一种非凡的材料，可作为运输脱碳和材料减量化的重要手段，但是目前镁的利用极不充分，用量还并不大。

        在您的下一次聚会上，您可以跟您的朋友讲，我们可以用海水制造电动汽车、自行车、直升机、飞机和卫星。事实上，所有这些产品中都已经采用了镁。显然，未经矿业开发而制造的镁金属，为未来的美好前景带来了希望，这一举措对地球资源和环境的负面影响甚微。可以说，海水中的镁，是21世纪的金属。

        100年前，陶氏镁业的从业者就有了这样的愿景和实践。到今天，随着气候变化危机和社会影响的攀升，这一远景的时代才真正来临。无需采矿且低碳排放的镁金属的复兴，将是最终的“重回未来”的技术突破，也将是这种金属和这个行业对世界重要的贡献。

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