מנגן, מתכת רב-תכליתית, מוצא יישומים בתעשיות שונות כגון מתכות (Sun et al., 2022), ייצור סוללות (Song et al., 2023) ותחומים ביו-רפואיים (Sisakhtnezhad et al., 2023). נכון לעכשיו, הביקוש הגלובלי הגובר לרכבים חשמליים מניע את הביקוש לסוללות חשמל, ובכך מגביר את הביקוש למתכת מנגן (Maisel et al., 2023). נתוני 2022 על צריכת עפרות מנגן בסין מצביעים על עלייה בולטת בניצול של מנגן בסוללות ליתיום-יון, מעבר לרף 1% (IMNI, 2023). סין לא רק מדורגת כיצרנית -הרביעית בגודלה בעולם של עפרות מנגן, אחרי דרום אפריקה, גבון (USGS, 2023), ואוסטרליה, אלא גם מחזיקה במיקום העליון כיצרנית הגדולה ביותר של מתכת מנגן אלקטרוליטית (EMM) (DJ He et al., 2021; Li et al., 2023). המצב הנוכחי הוא שמפעלי ייצור EMM גדולים-קיימים רק בסין ובדרום אפריקה. מאז 2008, סין תרמה באופן עקבי ליותר מ-98% מהייצור העולמי של EMM, וביססה את עצמה כיצרנית המובילה בעולם (Han and Wu, 2019).
ייצור האלקטרוליזה של מתכת מנגן מייצג תעשיית עיבוד המאופיינת בצריכת משאבים ואנרגיה גבוהה, ייצור זיהום ניכר, עלויות גבוהות ורווחים נמוכים יחסית (Ning et al., 2010). רוב מפעלי ייצור EMM בסין מרוכזים במשולש המנגן הנודע, המתוחם על ידי הונאן, גוויג'ואו וצ'ונגצ'ינג. עם זאת, למפעלים באזור חסרה מודעות סביבתית, מה שגרם לנזקים סביבתיים וזיהום משמעותיים שנגרמו על ידי מפעלים אלה (SC He et al., 2021). הזיהום שנוצר מייצור תעשייתי של EMM, כולל שאריות מנגן אלקטרוליטי, שחרור Mn2+, וחנקן אמוניה, מהווים איום רציני על מערכות אקולוגיות ובריאות האדם (Chen et al., 2022). לפיכך, יש צורך להעריך באופן מקיף את ההשפעה הסביבתית של ייצור EMM באזור משולש המנגן על מנת להמליץ לייצור נקי יותר.
הערכת מחזור חיים (LCA) עומדת ככלי רב עוצמה לניתוח סביבתי, המכמת באופן שיטתי את ההשפעה הסביבתית של מוצרים, תהליכים או פעילויות (ISO 14040, 2006). מיושם נרחב במגזרים מגוונים, כולל חקלאות (van der Werf et al., 2020), בנייה (Rodrigues et al., 2023) וכרייה (Tao et al., 2022), LCA מספק הבנה מקיפה של השלכות סביבתיות. עבור תעשיית מתכת המנגן, Westfall et al. (2016) אספו נתונים ראשוניים מ-16 יצרני סגסוגת מנגן ברחבי העולם וערכו LCA. תוצאות המחקר מראות שסה"כ GWP, AP ו-POCP עבור 1 ק"ג של סגסוגת מנגן ממוצעת היה 6 ק"ג CO2eq, 45 גרם SO2eq, ו-3 גרם C2H4eq, בהתאמה. נינג וחב'. (2010) ביצע איזון חומרים מקיף וניתוח מזהמים של תעשיית ה-EMM בסין, וחשף את המקורות והיעדים של מזהמים עיקריים. עם זאת, המחקר שלהם לא התייחס להיבט של שינויי האקלים. פנג וחב'. (2011) השתמש ב-LCA כדי להשוות את ההשפעות הסביבתיות של ייצור EMM בסין ובדרום אפריקה, תוך התמקדות אך ורק בפוטנציאל ההתחממות הגלובלית ובפוטנציאל ההחמצה. דאבורי וחב'. (2017) ערך LCA להערכת פליטת חלקיקים בייצור סגסוגת מנגן. התוצאות גילו ש-66% מפליטות החלקיקים הקשורות לייצור-מתרחשות מחוץ למתקני מנגן, כאשר פליטות ישירות או- באתר מהוות 34% מסך פליטת ה-PM. עם זאת, הוא חקר רק חומר חלקיקי ולא חקר מזהמים אחרים. פרג'אנה וחב'. (2019) ביצעה ניתוח LCA על ייצור עפרות מנגן בהתבסס על מסד הנתונים של Ecoinvent, אך לא כיסה את חלק האלקטרוליזה הבא של תרכיז מנגן. ג'אנג ואחרים. (2020) ביצעה ניתוח LCA מפורט על ייצור EMM בסין, אך נתוני הכרייה והאלקטרוליזה שנבחרו לא הגיעו מאותו ארגון, מה שגרם לאי התאמה מרחבית. יתר על כן, רוב המחקרים הקיימים הנוגעים ל-EMM התמקדו בעיקר בניתוח המזהמים שלו. לדוגמה, Zhang et al. (2023) חקר את מצב זיהום המתכות הכבדות של Mn, Zn, Pb ואחרים באזור תעשייה EMM בצפון סין וסביבתו. Sun et al. (2020) השתמשו בהשבת משאבי גופרית מקליית שאריות מנגן אלקטרוליטי והסרת עפרות מנגן לייצור נקי של מנגן אלקטרוליטי. שו et al. (2014) הציע שיטת טיפול מקיפה בשפכים לייצור EMM באמצעות מחקר על מאזן המים של מפעלי EMM. לסיכום, לסין אין כיום מחקר LCA באיכות גבוהה-על ההשפעות הסביבתיות של ייצור EMM. כדי לתת מענה לכך, מחקר זה בחר את חברת ייצור המנגן האלקטרוליטי המייצגת ביותר במשולש המנגן, האזור עם מרבצי המנגן העשירים ביותר בסין. נערך LCA על ייצור מנגן אלקטרוליטי משלב הכרייה ועד לשלב האלקטרוליזה.
מחקר זה נועד (1) לנתח את הנטל הסביבתי של ייצור EMM באזור משולש המנגן בסין באמצעות שיטת LCA; (2) להשיג תוצאות כמותיות של הערכת השפעה על מחזור החיים (LCIA) יחד עם מידע אי ודאות ולזהות את קטגוריות ההשפעה העיקריות על הסביבה; (3) לזהות תהליכים וחומרים מרכזיים, לבצע ניתוח רגישות על תהליכי מפתח ולבחון את מידת השונות בתוצאות LCIA; (4) לדמות תרחישי אנרגיה שונים, להשוות את ההשפעות הסביבתיות המתאימות שלהם, ולהציע אסטרטגיות אופטימיזציה לתעשיית ייצור מתכת מנגן אלקטרוליטית בסין. לאחר ביצוע LCA כמותי, נתח מנקודות מבט מרובות, כולל תרומה, אי ודאות ורגישות, כדי להעריך באופן מקיף את המצב הנוכחי וההשפעות הסביבתיות של טכנולוגיית ייצור EMM בסין. ניתוח זה נועד לייעל את צריכת המשאבים והאנרגיה ולהפחית את עוצמת פליטת המזהמים. להציע אמצעים טכניים להשגת ייצור EMM נקי ויעיל ולבניית מערכת אנרגיה ירוקה ובת קיימא.
