Mangaan, een veelzijdig metaal, vindt toepassingen in verschillende industrieën, zoals de metallurgie (Sun et al., 2022), de productie van batterijen (Song et al., 2023) en biomedische velden (Sisakhtnezhad et al., 2023). Momenteel stimuleert de toenemende mondiale vraag naar elektrische voertuigen de vraag naar stroombatterijen, waardoor de vraag naar mangaanmetaal toeneemt (Maisel et al., 2023). De gegevens uit 2022 over de Chinese mangaanertsconsumptie duiden op een opmerkelijke toename van het gebruik van mangaan in lithium{11}}ionbatterijen, tot boven de grens van 1% (IMNI, 2023). China is niet alleen de vierde-grootste producent van mangaanerts ter wereld, na Zuid-Afrika, Gabon (USGS, 2023) en Australië, maar bekleedt ook de toppositie als de grootste producent van elektrolytisch mangaanmetaal (EMM) (DJ He et al., 2021; Li et al., 2023). De huidige situatie is dat grootschalige EMM-productiebedrijven-alleen bestaan in China en Zuid-Afrika. Sinds 2008 heeft China consequent bijgedragen aan ruim 98% van de mondiale productie van EMM, waarmee het zichzelf heeft gevestigd als de grootste producent ter wereld (Han en Wu, 2019).
De elektrolyseproductie van mangaanmetaal vertegenwoordigt een verwerkende industrie die wordt gekenmerkt door een verhoogd verbruik van hulpbronnen en energie, aanzienlijke vervuiling, hoge kosten en relatief lage winsten (Ning et al., 2010). Het merendeel van de EMM-productiebedrijven in China is geconcentreerd in de beroemde mangaandriehoek, afgebakend door Hunan, Guizhou en Chongqing. Bij bedrijven in de regio ontbrak het echter aan milieubewustzijn, wat resulteerde in aanzienlijke milieuschade en vervuiling veroorzaakt door deze bedrijven (SC He et al., 2021). De vervuiling veroorzaakt door de industriële productie van EMM, inclusief elektrolytisch mangaanresidu, de uitstoot van Mn2+en ammoniakstikstof vormen een ernstige bedreiging voor ecosystemen en de menselijke gezondheid (Chen et al., 2022). Het is dus noodzakelijk om de milieueffecten van EMM-productie in de mangaandriehoek uitgebreid te beoordelen om aanbevelingen te kunnen doen voor een schonere productie.
Levenscyclusanalyse (LCA) is een krachtig hulpmiddel voor milieuanalyse, waarbij de milieu-impact van producten, processen of activiteiten systematisch wordt gekwantificeerd (ISO 14040, 2006). LCA wordt op grote schaal toegepast in diverse sectoren, waaronder de landbouw (van der Werf et al., 2020), de bouw (Rodrigues et al., 2023) en de mijnbouw (Tao et al., 2022), en biedt een uitgebreid inzicht in de gevolgen voor het milieu. Voor de mangaanmetaalindustrie hebben Westfall et al. (2016) verzamelden primaire gegevens van 16 producenten van mangaanlegeringen wereldwijd en voerden een LCA uit. De resultaten van het onderzoek laten zien dat de totale GWP, AP en POCP voor 1 kg gemiddelde mangaanlegering 6 kg CO bedroeg2eq., 45 g SO2eq, en 3 g C2H4eq, respectievelijk. Ning et al. (2010) voerden een uitgebreide analyse van de materiaalbalans en verontreinigende stoffen uit van de EMM-industrie in China, waarbij de bronnen en bestemmingen van de belangrijkste verontreinigende stoffen aan het licht kwamen. Hun onderzoek ging echter niet in op het aspect van de klimaatverandering. Peng et al. (2011) gebruikten LCA om de milieueffecten van EMM-productie in China en Zuid-Afrika te vergelijken, waarbij ze zich uitsluitend richtten op het broeikaseffect en het verzuringspotentieel. Davourie et al. (2017) voerden een LCA uit om de uitstoot van fijnstof bij de productie van mangaanlegeringen te evalueren. Uit de resultaten bleek dat 66% van de productie-gerelateerde fijnstofemissies plaatsvindt buiten de mangaanfabrieken, waarbij de directe emissies-op locatie verantwoordelijk zijn voor 34% van de totale PM-emissies. Het heeft echter alleen fijnstof onderzocht en geen andere verontreinigende stoffen. Farjana et al. (2019) voerden een LCA-analyse uit van de productie van mangaanerts op basis van de Ecoinvent-database, maar hadden geen betrekking op het daaropvolgende elektrolysegedeelte van mangaanconcentraat. Zhang et al. (2020) voerden een gedetailleerde LCA-analyse uit van de EMM-productie in China, maar de geselecteerde mijnbouw- en elektrolysegegevens waren niet afkomstig van dezelfde onderneming, wat resulteerde in ruimtelijke discrepanties. Bovendien heeft het merendeel van de bestaande onderzoeken met betrekking tot EMM zich voornamelijk gericht op de analyse van de verontreinigende stoffen ervan. Zhang et al. (2023) onderzochten de vervuilingssituatie door zware metalen van Mn, Zn, Pb en andere in een Noord-Chinees EMM-industriegebied en de omliggende omgeving. Zon et al. (2020) maakten gebruik van de terugwinning van zwavelbronnen door het roosteren van elektrolytisch mangaanresidu en het ontzwavelen van mangaanerts voor de schone productie van elektrolytisch mangaan. Xu et al. (2014) stelden een alomvattende methode voor de behandeling van afvalwater voor de productie van EMM voor door middel van een onderzoek naar de waterbalans van EMM-bedrijven. Concluderend: het ontbreekt China momenteel aan een hoogwaardige, alomvattende LCA-studie over de milieueffecten van EMM-productie. Om dit aan te pakken is in dit onderzoek het meest representatieve productiebedrijf voor elektrolytisch mangaan in de mangaandriehoek geselecteerd, de regio met de rijkste mangaanvoorraden in China. Er werd een LCA uitgevoerd naar de elektrolytische mangaanproductie vanaf de mijnbouwfase tot de elektrolysefase.
Deze studie heeft tot doel (1) de milieubelasting van EMM-productie in de mangaandriehoek in China te analyseren met behulp van de LCA-methode; (2) het verkrijgen van kwantitatieve resultaten van de levenscycluseffectbeoordeling (LCIA) samen met onzekerheidsinformatie en het identificeren van de belangrijkste impactcategorieën op het milieu; (3) belangrijke processen en stoffen identificeren, gevoeligheidsanalyses uitvoeren op belangrijke processen, en de mate van variatie in LCIA-resultaten onderzoeken; (4) verschillende energiescenario's simuleren, de overeenkomstige milieueffecten ervan vergelijken en optimalisatiestrategieën voorstellen voor de elektrolytische mangaanmetaalproductie-industrie in China. Na het uitvoeren van een kwantitatieve LCA analyseert u vanuit meerdere perspectieven, inclusief bijdrage, onzekerheid en gevoeligheid, om de huidige status en milieueffecten van EMM-productietechnologie in China uitgebreid te beoordelen. Deze analyse heeft tot doel het hulpbronnen- en energieverbruik te optimaliseren en de intensiteit van de uitstoot van verontreinigende stoffen te verminderen. Technische maatregelen voorstellen om een schone en efficiënte EMM-productie te bereiken en een groen en duurzaam energiesysteem op te bouwen.
