文丨八诞纪

编辑丨八诞纪

前言：

当气体变得电离时形成的等离子体是一种高度灵活的工具，已被广泛应用于许多工业领域。气体的电离仅发生在非常高的温度下。

大约在2000 C左右，分子分解为原子，随着温度的升高，这些原子相互之间的碰撞频率增加，在约3000 C时，电子被从其壳层中抛出形成等离子体。电中性等离子体包含电子、正离子和中性物种，等离子体具有不同的特性，取决于其电离程度，这导致了两种不同的等离子体类别，热等离子体和非热等离子体。

非热等离子体的电离程度较低（通常小于1%）。它被用于促进化学反应，因为它能产生高度反应性的自由基，也用于表面涂层应用，例如陶瓷涂层。

热等离子体的电离程度约为99%，因此含有大量被抛出的电子。这些电子具有很高的能量，并经常与等离子体中较重的物种碰撞，使得较重物种的温度接近电子的温度。这导致建立了热平衡和高等离子体温度，可以在2000至20,000 K之间变化，尽管极端温度仅在小范围局部区域内存在。

热等离子体在冶金和其他高温炉的应用中得到广泛使用，等离子电弧是通过电力产生的，这意味着在炉内可以产生高温，而不依赖于燃烧来产生和维持热量。由于等离子电弧在化学上是中性的，可以对等离子炉中的化学反应进行精确控制，以适应特定应用所需的化学反应。

等离子炉也可以在传统的炉子（如杯状炉或高炉）所能达到的最高温度1500 C之上运行。通常，等离子炉的操作温度在1500 C至1800 C之间，但也可以在更高温度下运行。尽管等离子炉与其他电力驱动的炉子（如浸入式电弧炉）之间存在类似之处，但两种过程之间存在显著的差异。

浸入式电弧炉在两个电极之间通电，这两个电极浸入熔融材料中，这个过程的功率输入依赖于电池的导电性，因此功率输入取决于熔池的导电性。另一方面等离子电弧炉超热熔融物质的顶部表面，使得熔融物质中产生对流流动，熔池的翻腾将热量在炉内分布。

Tetronics International是一家热等离子技术供应商，最初于1964年成立，是一家等离子体研究和开发公司，获得了英国钢铁和煤炭研究委员会的拨款。

截至今天他们在全球范围内安装了90多个等离子体设施，并且是等离子技术的世界领先者。截至2017年6月，Tetronics拥有58名员工，年营业额超过900万英镑。最成功的应用包括贵金属和有价值金属的回收、危险废物处理、合成气体生产和钢包加热。该技术还用于纳米材料的生产和钛合金等金属的清洁熔化。

等离子技术回收重要原材料

从废料中回收金属目前是Tetronics等离子技术最成功的应用之一.目前已建造了11个Tetronics工厂，用于回收铂族金属（PGMs），其总装机回收能力为每年处理26,500吨催化剂，每年回收超过120万金衡盎司（约37,000公斤）的PGMs。

催化剂和电子废物，含有比它们的原始矿石更高浓度的贵重金属,催化剂中的PGMs浓度约为高品位矿石的400倍，使它们成为重要的次要资源。铂族金属由于其高价值而广泛从催化剂中回收，但从废物中回收它们是一种更可持续的供应方法，因为它们的供应经常受到限制和脆弱。

关键原材料是指具有重要经济意义，但具有较大供应风险的材料。已经为国家、市场和行业制定了关键原材料清单，以突出对其部门或经济至关重要的材料。

欧洲联盟（EU）的关键原材料清单是基于EU需要许多专业材料来支撑其经济，但在EU内部几乎没有这些材料的自然资源。稀土元素（REE）、铂族金属（PGMs）、钴、天然石墨和磷矿石都是电子、可再生能源、化学和材料生产所需的材料，并对欧盟至关重要。

对于航空业而言铼是一种关键金属，因为它在基于镍的高温合金中的重要性，用于增加喷气发动机涡轮叶片的使用寿命，其中经济重要性沿x轴，供应风险沿y轴。突出显示的方块中包含被认为对欧盟最为关键的材料。

原材料可以来自主要或次要来源，但主要来源是供应风险的根本原因。与初级生产相关的供应风险在很大程度上取决于该材料在全球的开采分布。

尽管关键原材料的矿石可以在世界各地找到，但与其采矿和加工相关的高成本意味着对于一个采矿项目在经济上可行，需要非常特定的条件，而这些条件只存在于少数几个国家。

采矿业主要由经济因素主导，有些矿山注定会失败，因为运营成本过高。有时在矿石中，关键金属与高产量、高需求的材料如铁、铜或镍共生，这使得它们更具经济性可采矿。如果某种材料的产量很低，那么其产量就非常容易受到价格波动的影响，这可能破坏商业模式。

与铁矿石共同生产关键金属意味着可以吸收关键金属的价格波动。例如在俄罗斯西伯利亚的诺里尔斯克矿山，铂族金属与镍和铜共同提取，而在中国从巴彦淖尔矿山提取的稀土元素与铁矿石共同提取，这些都是成功的关键原材料采矿操作的例子。

矿山开采失败原因分析

当一个矿山可能需要二十年才能开采时，仅为了开采一种材料而开采矿山存在很高的风险，尤其是当这些材料的价格如此波动，长期市场预测非常困难时。

采矿和矿石加工产生大量废料；稀土元素的提取过程需要大量浓缩酸和溶剂，需要进行处理。巴彦淖尔矿山和包头的稀土加工厂涉及许多环境问题，包括一个被称为“有毒湖”的地方，周围设施的化学废料被倾倒在其中。

西伯利亚的诺尔斯克矿区也严重受到污染，对当地居民和植物的健康产生不利影响。环境污染是初级金属提取过程中固有的问题，严格的环境立法可能导致工艺不经济，因此在环境法规较少的国家，采矿项目更成功。

除了环境法规较少外，世界某些地区的劳动力成本较低，使采矿更加廉价，而这些国家有时政治上不稳定，甚至遭受暴力和腐败问题，导致矿工权益受损.这导致了他们的剥削，工资低微，工作条件不安全。近年来，PGM行业遭受了工人为工资和条件问题发起的多次罢工，导致生产大量损失。

腐败和缺乏治理可能导致矿山和贸易路线失去对帮派、叛乱分子或武装团体的控制，引发重复冲突，造成毁灭性后果，刚果民主共和国（DRC）的钴提取，用于电池和电子产品。该地区在1994年至2003年间爆发过内战，但民兵团伙仍然为了控制刚果的矿山和贸易路线而战斗，通常使用儿童士兵。

这种战斗导致了原材料供应的不确定性，同时也引发了关于这些金属消费如何无意间资助暴力的伦理关切。仅依赖少数几个国家生产某种材料会使最终用户在供应链中容易受到中断的影响。生产商知道这些材料的重要性，可以利用它们获得经济和政治利益。

中国在稀土元素（REE）市场上占主导地位，因此能够通过采矿配额和控制供应来操纵市场，人为地推高价格，拥有替代资源是对原材料供应不稳定和不确定性的最佳应急措施。

减少、重复利用和回收是回收层次结构的基础，可以在考虑关键原材料时应用。回收层次结构是一种涵盖了工业、政府和社会的综合回收方法，而对关键材料供应的综合方法也是必需的。

以PGMs为重点，它们作为催化剂和汽车催化剂的主要应用占铂需求的37%。铂和其他PGMs的催化特性使它们成为非常有效的催化剂，随着环境对汽车排放的规定越来越严格，没有真正的替代品能够与基于PGM的催化剂的高性能相匹配。

在不影响其性能的情况下减少PGMs的使用量空间有限，尽管汽车行业已经减少了对铂的消耗，但由于钯的价格较低，它只是将需求转向了钯。

在材料使用和供应的可持续性方面，循环经济实际上是其核心理念，尽管循环经济可能看起来理想化，但PGMs在汽车和石化行业中的处理方式可能是目前最好的例子。

PGMs的价值和它们在废弃材料中的高浓度使得它们的回收可行，并且因此这些金属具有很高的回收率，PGMs被浸渍在陶瓷支撑体上，在催化剂寿命结束时，催化剂被收集起来，PGMs被回收并再次用于新催化剂的制造。

一次性PGMs仅用于弥补供应链中的损失和满足金属的供求差异。通过这种方式，该行业在一个半封闭循环供应链中运作，从催化剂的回收收集（超过98％的汽车催化剂被回收）到用于回收它们的技术，PGMs的回收利用效率非常高。

总结：

在大多数铂消费的市场评估中，石化行业只占铂需求的约1％，但这些评估没有考虑该行业内的金属回收利用。典型的重整催化剂在化学反应器中运行，每个反应器含有约25吨催化剂，在经过1到2年后被取出并送至金属回收。

金属的回收率通常约为96％，因此石油行业拥有大量的PGMs库存，据估计约为5百万金衡盎司（155,000公斤），相当于基于2017年铂金价格约为48亿美元。在这个市场中，催化剂将被从反应器中取出并送至提炼商，提炼商将以盐的形式回收PGM，然后将其送至催化剂生产商。

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