Mangan, ein vielseitiges Metall, findet Anwendung in verschiedenen Branchen wie der Metallurgie (Sun et al., 2022), der Batterieherstellung (Song et al., 2023) und biomedizinischen Bereichen (Sisakhtnezhad et al., 2023). Derzeit treibt die weltweit steigende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen die Nachfrage nach Energiebatterien voran und steigert dadurch die Nachfrage nach Manganmetall (Maisel et al., 2023). Die Daten zum Manganerzverbrauch Chinas aus dem Jahr 2022 deuten auf einen deutlichen Anstieg der Nutzung von Mangan in Lithium-Ionen-Batterien hin, der die 1-%-Marke überschreitet (IMNI, 2023). China ist nicht nur nach Südafrika, Gabun (USGS, 2023) und Australien der viertgrößte Manganerzproduzent der Welt, sondern nimmt auch die Spitzenposition als größter Produzent von elektrolytischem Manganmetall (EMM) ein (DJ He et al., 2021; Li et al., 2023). Die aktuelle Situation ist, dass große EMM-Produktionsunternehmen nur in China und Südafrika existieren. Seit 2008 hat China durchweg zu über 98 % der weltweiten EMM-Produktion beigetragen und sich als weltweit führender Produzent etabliert (Han und Wu, 2019).
Die Elektrolyseproduktion von Manganmetall stellt eine verarbeitende Industrie dar, die durch einen erhöhten Ressourcen- und Energieverbrauch, eine erhebliche Umweltverschmutzung, hohe Kosten und relativ niedrige Gewinne gekennzeichnet ist (Ning et al., 2010). Die meisten EMM-Produktionsunternehmen in China sind im berühmten Mangandreieck konzentriert, das durch Hunan, Guizhou und Chongqing begrenzt wird. Allerdings mangelte es den Unternehmen in der Region an Umweltbewusstsein, was zu erheblichen Umweltschäden und Umweltverschmutzung durch diese Unternehmen führte (SC He et al., 2021). Die durch die industrielle Produktion von EMM verursachte Verschmutzung, einschließlich elektrolytischer Manganrückstände, führt zur Freisetzung von Mn2+und Ammoniakstickstoff stellen eine ernsthafte Bedrohung für Ökosysteme und die menschliche Gesundheit dar (Chen et al., 2022). Daher ist es notwendig, die Umweltauswirkungen der EMM-Produktion in der Mangandreieck-Region umfassend zu bewerten, um Empfehlungen für eine sauberere Produktion abzugeben.
Die Ökobilanz (LCA) ist ein wirksames Instrument zur Umweltanalyse und quantifiziert systematisch die Umweltauswirkungen von Produkten, Prozessen oder Aktivitäten (ISO 14040, 2006). LCA wird in verschiedenen Sektoren eingesetzt, darunter in der Landwirtschaft (van der Werf et al., 2020), im Baugewerbe (Rodrigues et al., 2023) und im Bergbau (Tao et al., 2022) und bietet ein umfassendes Verständnis der Auswirkungen auf die Umwelt. Für die Manganmetallindustrie haben Westfall et al. (2016) sammelten Primärdaten von 16 Herstellern von Manganlegierungen weltweit und führten eine Ökobilanz durch. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass das gesamte GWP, AP und POCP für 1 kg einer durchschnittlichen Manganlegierung 6 kg CO betrug2Äq., 45 g SO2Äq. und 3 g C2H4Gl. bzw. Ning et al. (2010) führten eine umfassende Materialbilanz- und Schadstoffanalyse der EMM-Industrie in China durch und deckten die Quellen und Bestimmungsorte der wichtigsten Schadstoffe auf. Ihre Studie befasste sich jedoch nicht mit dem Aspekt des Klimawandels. Peng et al. (2011) verwendeten LCA, um die Umweltauswirkungen der EMM-Produktion in China und Südafrika zu vergleichen, wobei sie sich ausschließlich auf das globale Erwärmungspotenzial und das Versauerungspotenzial konzentrierten. Davourie et al. (2017) führten eine Ökobilanz durch, um die Partikelemissionen bei der Herstellung von Manganlegierungen zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten, dass 66 % der produktionsbedingten Feinstaubemissionen außerhalb von Mangananlagen auftreten, wobei direkte oder standortbezogene Emissionen 34 % der gesamten Feinstaubemissionen ausmachen. Es wurden jedoch nur Feinstaubpartikel untersucht und andere Schadstoffe nicht untersucht. Farjana et al. (2019) führten eine LCA-Analyse zur Manganerzproduktion auf der Grundlage der Ecoinvent-Datenbank durch, deckten jedoch nicht den anschließenden Elektrolyseteil des Mangankonzentrats ab. Zhang et al. (2020) führten eine detaillierte LCA-Analyse zur EMM-Produktion in China durch, die ausgewählten Bergbau- und Elektrolysedaten stammten jedoch nicht von demselben Unternehmen, was zu räumlichen Diskrepanzen führte. Darüber hinaus konzentrierten sich die meisten vorhandenen Studien zu EMM überwiegend auf die Analyse seiner Schadstoffe. Beispielsweise haben Zhang et al. (2023) untersuchten die Schwermetallverschmutzungssituation von Mn, Zn, Pb und anderen in einem nordchinesischen EMM-Industriegebiet und seiner Umgebung. Sun et al. (2020) nutzten die Rückgewinnung von Schwefelressourcen aus dem Rösten von elektrolytischen Manganrückständen und der Entschwefelung von Manganerzen für die saubere Produktion von elektrolytischem Mangan. Xu et al. (2014) schlugen anhand einer Studie zum Wasserhaushalt von EMM-Unternehmen eine umfassende Abwasserbehandlungsmethode für die EMM-Produktion vor. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es in China derzeit an einer qualitativ hochwertigen, umfassenden Ökobilanzstudie zu den Umweltauswirkungen der EMM-Produktion mangelt. Um dieses Problem anzugehen, wählte diese Studie das repräsentativste Unternehmen für die elektrolytische Manganproduktion im Mangandreieck aus, der Region mit den reichsten Manganvorkommen in China. Es wurde eine Ökobilanz zur elektrolytischen Manganproduktion von der Bergbaustufe bis zur Elektrolysestufe durchgeführt.
Diese Studie zielt darauf ab, (1) die Umweltbelastung der EMM-Produktion in der Mangan-Dreieck-Region Chinas mithilfe der LCA-Methode zu analysieren; (2) quantitative Ergebnisse der Lebenszyklus-Folgenabschätzung (LCIA) zusammen mit Unsicherheitsinformationen zu erhalten und die wichtigsten Auswirkungskategorien auf die Umwelt zu identifizieren; (3) Schlüsselprozesse und Substanzen identifizieren, Sensitivitätsanalysen für Schlüsselprozesse durchführen und den Grad der Variation in den LCIA-Ergebnissen untersuchen; (4) Simulieren Sie verschiedene Energieszenarien, vergleichen Sie ihre entsprechenden Umweltauswirkungen und schlagen Sie Optimierungsstrategien für die elektrolytische Manganmetallproduktionsindustrie in China vor. Nach der Durchführung einer quantitativen Ökobilanz analysieren Sie aus mehreren Perspektiven, einschließlich Beitrag, Unsicherheit und Sensitivität, um den aktuellen Status und die Umweltauswirkungen der EMM-Produktionstechnologie in China umfassend zu bewerten. Ziel dieser Analyse ist es, den Ressourcen- und Energieverbrauch zu optimieren und die Schadstoffemissionsintensität zu reduzieren. Schlagen Sie technische Maßnahmen vor, um eine saubere und effiziente EMM-Produktion zu erreichen und ein grünes und nachhaltiges Energiesystem aufzubauen.
