● 王路 王茜茜 汪鵬, 劉穎 陳偉強,3/文

一、引言

稀土是元素周期表中的鑭系元素和鈧、釔共十七種金屬元素的總稱。因發(fā)現(xiàn)之初只能用化學法制得少量不溶于水的氧化物，歷史上習慣地把這種氧化物稱為“土”，故得名稀土。由于稀土具有優(yōu)良的光、電、磁等物理特性，能與其他材料組成性能各異、品種繁多的新型材料，從而大幅度提高其他產品的質量和性能，因此被譽為“新材料之母”。

稀土是支撐實現(xiàn)“碳中和”目標必不可少的戰(zhàn)略性礦產，是風機、電動車、節(jié)能電機、儲氫、環(huán)境催化設備等低碳和清潔技術的關鍵原材料。我國是世界上稀土儲量最豐富的國家之一，長期供應了全世界80%以上的稀土需求，但稀土生產工藝復雜，污染較大，加上早期我國稀土行業(yè)整體環(huán)保意識較弱，導致環(huán)境污染問題嚴重，不但對周圍的生態(tài)環(huán)境造成污染，還對人們的生活安全構成了威脅。

我國很早就開始重視稀土污染問題，對稀土生產的環(huán)境問題開展了長期的綜合治理，對正在生產的稀土企業(yè)制定了嚴格的環(huán)境污染指標，對廢棄稀土礦山制定了詳細的恢復治理方案，同時還對新建稀土企業(yè)規(guī)定了嚴格的環(huán)境評價標準。嚴格的管制以及長期的治理使得我國稀土污染問題逐漸改善，但這些方案都屬于“末端治理”，治標不治本，如何開展稀土產品的綠色設計，做到“源頭減排”，是稀土產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。

20世紀60年代誕生的生命周期評價方法是量化產品資源環(huán)境狀況，進行產品、工藝等綠色設計的主要方法，甚至是唯一方法。國際標準ISO14040《環(huán)境管理-生命周期評價-原則與框架》將生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）定義為一種評價產品從搖籃到墳墓整個生命周期（包括原料的采集、加工、生產、包裝、運輸、消費和回收以及最終處理等）環(huán)境影響的方法?？梢愿鶕?jù)已確定的研究目標和邊界，辨識和量化整個生命周期階段中物質和能量的消耗以及對環(huán)境的排放，然后評價這些消耗和排放對環(huán)境造成的影響，最后對評價結果做出解釋，同時提出改善方案（圖1）。

圖1 生命周期評價技術框架及應用

目前已有對稀土產品進行生命周期評價的研究，但大多都是獨立的案例且未覆蓋稀土產品的整個生命周期，針對稀土產品生命周期評價研究完整的技術框架和體系還未建立，不利于編制稀土產品環(huán)境評價相關的國內及國際標準。因此，本次研究詳細梳理了稀土生產生命周期評價各個階段的研究內容，建立了稀土產品生命周期評價研究技術框架，為編制稀土產品生命周期評價技術規(guī)范（Product Category Rules，PCR），發(fā)布稀土環(huán)境產品聲明（Environment Product Declaration，EPD）提供依據(jù)。

二、稀土生命周期評價研究技術框架

稀土生命周期評價研究起步較晚，由于稀土行業(yè)自身的一些特點，與傳統(tǒng)的生命周期評價研究技術框架相比，稀土生命周期評價研究的技術框架（見下頁圖2）還存在著需要補充和完善的內容。本小節(jié)基于生命周期評價分析的各個步驟，具體分析如下。

1.目標和范圍

目標和范圍是生命周期評價的第一步，也是其他評價階段的基礎。稀土生命周期目標與范圍階段，除傳統(tǒng)的技術框架外，還有著稀土產業(yè)自身的特點及特殊性（圖3）：在應用目標方面，稀土生命周期評價的研究目標除了傳統(tǒng)的評價某產品的環(huán)境影響外，還有稀土在當前“碳中和”背景下，對全社會碳減排的積極貢獻。

圖3 稀土生命周期評價階段一：目標和范圍

在服務對象方面，稀土生命周期評價的使用對象主要有科研工作者、政府部門、稀土相關產品生產企業(yè)、稀土綠色標準制定單位、稀土產品綠色標識認證單位等。

圖2 稀土生產周期評價研究框架（根據(jù)ISO 14040和GB/T 24040修改）

在功能單位確定方面，由于稀土材料大部分為功能材料，因此其功能單位的選取除了以傳統(tǒng)的單位質量等作為標準外，還會根據(jù)研究目的的不同，以材料性能的某一指標作為研究的功能單位，例如：釹鐵硼永磁材料的生命周期評價研究可以把單位質量釹鐵硼永磁材料作為功能單位，還可以把單位磁能積作為功能單位。

在系統(tǒng)邊界確定方面，稀土生命周期評價系統(tǒng)邊界通常有三種：“從搖籃到墳墓”“從搖籃到大門”“從大門到大門”。由于生產企業(yè)和回收企業(yè)往往是獨立的兩類，因此系統(tǒng)邊界通常采用第二種，同時研究范圍也可以從某產品擴展到整個產業(yè)。值得注意的是，因稀土生產中排放“三廢”成分復雜并含有放射性物質，需要單獨處理，故其處理過程也應包含在系統(tǒng)邊界內。

在環(huán)境危害評估方面，國務院稀土辦公室組織的“稀土毒理衛(wèi)生學”研究表明，稀土本身屬于低毒物質，其毒性相當于鐵，稀土在動物體內幾乎全部水解，形成氫氧化物的膠體和沉淀，不易被汲取，暫時未發(fā)現(xiàn)稀土對動物生長有抑制和病害作用。但是稀土礦物通常伴生有鈾、釷等天然放射性元素，在稀土生產過程中，這些核元素往往富集在中間產品和廢物中，放射性貫穿了稀土生產的大部分工序，而長時間小劑量的慢性損傷和遠期效應以及過量放射性物質進入體內引起的內照射損傷會對生態(tài)及人體產生較大危害[24]，因此稀土生命周期清單除需要收集傳統(tǒng)的原輔材料、能源、資源以及“三廢”排放數(shù)據(jù)外，還要盡可能地收集稀土生產過程中的放射性指標數(shù)據(jù)。此外，由于部分化學藥劑揮發(fā)性較強，如有可能較重要的無組織排放數(shù)據(jù)也要應收盡收。

在數(shù)據(jù)收集質量方面，通常數(shù)據(jù)質量有三方面要求，包括時間跨度、地域廣度和技術覆蓋面。稀土由于數(shù)據(jù)獲取難度較大，所以往往獲取的都是某一時間點的數(shù)據(jù)，很難獲取到一個時間段內的數(shù)據(jù)，也無法從多個地區(qū)，多種工藝，多個作業(yè)單元獲得多組數(shù)據(jù)。此外，部分缺失數(shù)據(jù)是根據(jù)工藝參數(shù)進行計算或估算。以上數(shù)據(jù)收集的問題就導致了稀土生命周期評價數(shù)據(jù)的準確性、覆蓋率、代表性、一致性和可再現(xiàn)性較差。因此，稀土生命周期評價需要做數(shù)據(jù)敏感度分析和不確定性分析，以提高計算結果的可信度。

2.生命周期清單分析

生命周期清單分析是對產品、工藝或活動等被研究對象在全生命周期內資源、能源的使用以及向環(huán)境排放廢物的定量分析過程，是整個生命周期評價過程中最費時費力的階段。稀土生命周期清單數(shù)據(jù)的收集和分析，也有其自身的特點（圖4）。

圖4 稀土生命周期評價階段二：生命周期清單分析

（1）工藝多樣：稀土礦的類型不同，因此生產工藝也不同。以我國為例，內蒙古自治區(qū)包頭市白云鄂博礦是我國北方混合型稀土礦的典型代表，其生產工藝采用的是先選鐵、再選稀土的方法，即先采用弱磁-強磁-反浮選將鐵分離出來，再將強磁中尾礦作為選稀土的原料，使用浮選法選出稀土，最后通過酸法提取稀土元素；四川冕寧牦牛坪礦是我國氟碳鈰礦的典型代表，其生產工藝是先通過重選-浮選聯(lián)合流程選出氟碳鈰精礦，然后再采用氧化焙燒工藝提取稀土元素；江西贛南稀土礦是我國南方離子型稀土礦的典型代表，通過“堆浸”“池浸”“原地浸礦”等方式收集稀土浸出母液，再除雜、沉淀、灼燒提取稀土元素。因此，不同的生產工藝，數(shù)據(jù)收集的清單也不同。收集的數(shù)據(jù)要核實是否適用于研究對象。此外，同一稀土礦還包括不同的礦石類型，比如氧化礦、原生礦等；相同的礦石類型還會有不同的生產工藝，比如酸法工藝、堿法工藝等。

（2）數(shù)據(jù)特殊，除前文提到的放射性指標的收集外，由于稀土生產工藝復雜，使用的化學藥劑較多，除傳統(tǒng)的鹽酸、硫酸、煤油等藥劑外，還有許多特殊的選礦藥劑，如P204、P507等。由于生產這些藥劑的企業(yè)較少，工藝數(shù)據(jù)獲取相對困難，以往的研究常用相同性質的藥劑替代，雖然結果也能解答一些科學問題，但與真實值有差別。因此，在清單數(shù)據(jù)收集的過程中應注意特殊藥劑清單數(shù)據(jù)的收集。

（3）單位多樣，稀土冶煉分離產品常用的計量單位為REO（噸），即純稀土氧化物的重量，但在數(shù)據(jù)收集的過程中稀土企業(yè)在不同的生產階段會有不同的稀土中間產品，需要將這些中間產品轉化為統(tǒng)一的計量單位。例如：氯化稀土溶液和碳酸稀土溶液在數(shù)據(jù)收集的過程中，可以直接獲取溶液的質量、濃度等信息，但在生命周期清單中要根據(jù)溶液中含有的稀土氧化物（REO）的量來記錄。

（4）分配靈活，在稀土生命周期清單數(shù)據(jù)的計算過程中，需要注意主產品和副產品的環(huán)境影響分配問題。稀土生命周期評價常用的分配方式主要有三種：①按質量分配；②按價格分配；③按“?”分配。通常評價稀土下游產品的環(huán)境影響時，由于沒有副產品，所以一般不需要分配，比如評價稀土永磁電機，直接計算每臺永磁電機生產所產生的環(huán)境影響即可。只有評價稀土上游冶煉分離產品以及中游稀土功能材料時才會用到分配。通常主產品和副產品的價格相差較大時，選用按價格分配的方法，若主產品和副產品價格相差不大，可以選擇按質量分配的方式，例如，混合稀土氯化物分離為輕稀土溶液和中重稀土溶液的分配按照產品的質量進行，輕稀土溶液冶煉分離為鑭和鈰、鐠和釹的氧化物按照相應的價格進行分配；為了更客觀的表征產品生命周期過程的環(huán)境影響，可以將熱力學指標“?”作為分配的依據(jù)，例如，評價全部稀土氧化物產品的生命周期環(huán)境影響，可以按照不同稀土氧化物生產過程中消耗的“?”來分配環(huán)境影響。

3.影響評價

稀土生命周期環(huán)境影響評價與傳統(tǒng)生命周期評價類似，也是選取不同的評價方法，計算相應的環(huán)境影響類型，通過分析總體以及各生產階段的關鍵流程和投入，不同情景間的影響對比，對稀土產品的環(huán)境影響進行評價。然而受稀土行業(yè)所限，影響評價過程中也存在這一些需要注意和完善的地方（見下頁圖5）。

（1）行業(yè)背景數(shù)據(jù)庫：目前生命周期評價的主流商業(yè)數(shù)據(jù)庫中缺少稀土領域的相關背景數(shù)據(jù)，比如之前提到的許多特殊選礦藥劑（如P204、P507等）的背景數(shù)據(jù)缺失，以往的研究常用相同性質的藥劑替代，但結果差別很大，因此需要不斷收集和完善相關的背景數(shù)據(jù)，建立行業(yè)背景數(shù)據(jù)庫。

（2）行業(yè)影響評價方法：目前主流的生命周期環(huán)境影響評價方法都沒有特殊的針對性，然而不同行業(yè)有不同行業(yè)的特點，需要在已有評價方法的基礎上增加適用于稀土行業(yè)的一些評價指標和評價方法。例如：稀土礦尤其是獨居石礦中含有較多的放射性元素釷（Th），因此評價指標中需包含放射性指標，相應的評價方法也要包含放射性指標對環(huán)境影響的核算。

（3）本土標準化基準值：對參數(shù)結果進行標準化計算是為了更直觀的識別研究對象的每個環(huán)境影響類型的相對大小，其計算需要選定一個基準值進行轉化。但目前已有的基準值有全球的和部分地區(qū)的，缺少與稀土主要產地時空范圍一致的本土標準化基準值，使得計算結果存在一定的偏差。

（4）數(shù)據(jù)質量分析：由于稀土數(shù)據(jù)獲取難度較大，數(shù)據(jù)不完整，數(shù)據(jù)質量參差不齊，因此稀土生命周期評價的數(shù)據(jù)質量分析就顯得尤為重要。數(shù)據(jù)質量分析是影響評價的重要一環(huán)，也是對生命周期評價結果有效性和準確性進行解釋的基礎。目前數(shù)據(jù)質量分析主要有帕累托分析、蒙特卡洛分析、敏感性分析等方法，但仍然存在分析體系不完整的問題，需要不斷調整和完善。

4.結果解釋

圖5 稀土生命周期評價階段三：影響評價

生命周期解釋是生命周期評價的最后階段，作為連接所有階段和生命周期評估研究結論和建議的橋梁，它的作用非常重要。目前仍缺乏完整而詳細的實施步驟來有效地指導如何開展生命周期解釋，但本文可以從稀土研究的特點出發(fā)，給出一些必要的研究步驟（圖6）。

（1）關鍵工藝流程：稀土相關產品生產流程長，工藝復雜，需識別各工序對最終產品環(huán)境影響的貢獻，找出其中影響最為關鍵的工藝流程，可以為現(xiàn)有的生產工藝的提出改進建議以及為稀土產品的生產開展綠色設計。

（2）關鍵投入清單：稀土生產投入的原輔材料、資源和能源種類較多，需識別每種投入對最終產品環(huán)境影響的貢獻，找出其中最為關鍵的投入，尋找替代方案或綠色供應商。這樣可以有效減少稀土生產所帶入的環(huán)境影響，為建立綠色供應鏈提供科學依據(jù)。

（3）碳減排貢獻識別：稀土生命周期評價的目的是評價稀土相關產品的環(huán)境影響，但稀土是實現(xiàn)“碳中和”的關鍵金屬，單純評價產品的環(huán)境影響不能解釋稀土對全社會碳減排的重要貢獻。因此，在對稀土產品的生命周期評價結果解釋內容中，應補充稀土產品對其他行業(yè)或全社會碳減排的貢獻，為制定“碳中和”實施的技術路線圖提供方法和數(shù)據(jù)支撐。

（4）國際標準和國際認證：生命周期評價研究相關的國際標準主要為產品種類規(guī)則（也稱為產品生命周期評價技術規(guī)范）（Product Category Rules，PCR）等，相關的國際認證主要為環(huán)境產品聲明（Environment Product Declaration，EPD）等。PCR是產品生命周期評價結果互認的參照，也是建立EPD認證體系的基礎。目前稀土相關產品PCR建立的較少，相應EPD發(fā)布的也較少，需建立統(tǒng)一的、公認的PCR標準，基于此發(fā)布產品EPD報告，倒逼企業(yè)實現(xiàn)綠色制造，幫助稀土產品采購企業(yè)建立綠色供應鏈。

圖6 稀土生命周期評價階段四：結果解釋

三、研究不足與挑戰(zhàn)

我國經濟正在由高速增長階段轉向高質量發(fā)展階段，外部環(huán)境也發(fā)生著深刻變化。我國稀土產業(yè)發(fā)展正面臨著新的挑戰(zhàn)和新的時代機遇。近年來，在國家有關部門、各級政府、行業(yè)企業(yè)的共同努力下，我國稀土產業(yè)在綠色可持續(xù)發(fā)展方面取得了長足進展，行業(yè)發(fā)展環(huán)境得到進一步改善，但同時，我國稀土生命周期評價領域仍然存在一些不足和挑戰(zhàn)。

1.現(xiàn)存不足

（1）研究方法和數(shù)據(jù)的不足

目前常用的稀土生命周期評價清單計算方法主要有CML、TRACI、ReCiPe等，但由于不同方法計算的環(huán)境影響類型稍有不同，每種方法計算時選取的計算標準也不同，方法間不能進行對比，稀土生產產生的放射性等問題也難以評價，缺少一個可以廣泛適用于稀土行業(yè)的計算方法。目前主流的商業(yè)背景數(shù)據(jù)庫Ecoinvent、GaBi Databases等雖然中國本土數(shù)據(jù)越來越豐富，包括電力、蒸汽、水以及各類原輔材料，但稀土生產相關的主要化學試劑還處于空白。

（2）技術框架和范圍的不足

目前稀土生命周期評價主要還是圍繞產品的生命周期環(huán)境影響進行研究，越來越多的政府和企業(yè)開始關注產品的全生命周期成本以及產品對社會產生的影響，而針對經濟（Life Cycle Cost，LCC）和社會（Social Life Cycle Assessment，SLCA）層面的研究較少，技術框架還不健全。目前稀土生命周期評價的研究范圍主要還局限于產品本身所產生的環(huán)境影響，而稀土是清潔能源產品的關鍵原材料，明確稀土產業(yè)對全社會節(jié)能減排能力支撐作用，為稀土產業(yè)增加更大的發(fā)展空間，實現(xiàn)稀土-能源協(xié)同減排方面的內容研究較少。

（3）研究主體和對象的不足

目前稀土生命周期評價研究主要是學術層面的研究和討論，而面向稀土企業(yè)開展的生命周期評價研究較少。一方面稀土企業(yè)對生命周期評價方法和作用的了解較少，另一方面企業(yè)自身缺乏相關的技術人員，由于數(shù)據(jù)保密等問題與相關研究機構合作的意愿也較弱，這些都制約了稀土生命周期評價的應用和發(fā)展，也制約了稀土背景數(shù)據(jù)庫的建立和完善。

2.未來挑戰(zhàn)

（1）發(fā)達國家利用全球價值鏈分工，通過貿易和投資等形式將稀土污染產業(yè)搭建到全球稀土產業(yè)鏈當中，中國承擔了全球稀土產業(yè)鏈中環(huán)境問題最嚴重的冶煉加工環(huán)節(jié)。在全球“碳中和”目標下，稀土需求旺盛，我國是世界上最大的稀土供應國，也是承擔稀土污染最嚴重的國家，但稀土生產的環(huán)境影響一直不被國際社會認可，急需使用國際通用的評價方法對稀土產品的環(huán)境影響進行評價。

（2）稀土戰(zhàn)略地位凸顯，為爭奪國際稀土產業(yè)話語權，各國加快制定稀土產業(yè)綠色國際標準的步伐，我國極有可能面臨稀土產品出口“卡脖子”的風險。目前稀土綠色標準主要為PCR，因此開發(fā)具體產品的PCR非常重要。國外相關領域起步較早，PCR標準數(shù)量多、體系較完善、通過PCR發(fā)布的EOD認證體系豐富、業(yè)務體系較為成熟，但國內由于稀土生命周期評價起步晚，面臨PCR數(shù)量少、不完善，EPD認證機構無法與國際互認的嚴峻挑戰(zhàn)。

（3）當前，世界百年未有之大變局加速演進，科技創(chuàng)新發(fā)展面臨更加復雜的形勢和諸多挑戰(zhàn)。生命周期評價得到了快速發(fā)展，培養(yǎng)的相關人員也在增加，但由于稀土生命周期評價存在特殊性，需要既懂稀土生產工藝還能熟練運用生命周期評價工具進行計算的人員來應對未來稀土綠色設計、國際標準制定、環(huán)境產品聲明發(fā)布等的需求，因此對從業(yè)人員的要求進一步提高，缺口較大，如何培養(yǎng)人才是一個亟需解決的問題。

四、結論與建議

隨著稀土元素應用領域的不斷拓展，稀土需求量持續(xù)上升，稀土產品的環(huán)境評價、綠色設計和清潔生產受到了國內外政府和企業(yè)的高度重視。目前生命周期評價研究理論與方法已經較為成熟，和稀土結合的研究也呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，但還存在著研究方法和數(shù)據(jù)不足、技術框架和范圍不足、研究主體和對象不足等問題。我國是稀土產品生產和出口大國，但在稀土生命周期評價研究領域起步較晚，相關稀土產品的生命周期評價研究較少，沒有建立完善的稀土生命周期評價技術框架，PCR標準及相應的EPD發(fā)布的也較少，急需培養(yǎng)一批具有稀土生產相關背景的生命周期評價研究領域的人才來應對目前我國稀土產業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。本次研究通過梳理稀土生命周期評價各個階段的特點，建立了稀土生命周期評價研究框架，為稀土產業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究提供科學指導。隨著各國“碳中和”目標的制定、國際社會對出口產品“碳標簽”的要求以及呼之欲出的“碳稅”，使得產品的生產過程如何節(jié)能減碳成為企業(yè)需要解決的主要問題之一。因此，稀土產品的生命周期評價就顯得尤為重要，為防止國外在該領域長期壟斷，我們需要做出以下努力：

（1）我國應重視核心產品以及重點稀土綠色標準的制訂，發(fā)揮企業(yè)、研究機構的作用，重視稀土知識產權保護，積極開發(fā)產品PCR、建立中國EPD認證體系，提升中國稀土標準的影響力，推進稀土標準國際化，與國外認證體系互認，增加我國稀土產業(yè)的國際話語權，搶占國際低碳技術市場，防止綠色貿易壁壘。

（2）我國需要打破國外對生命周期評價數(shù)據(jù)、方法和技術的長期壟斷，建立我國高分辨率稀土企業(yè)資源環(huán)境數(shù)據(jù)集，編制適合我國稀土產業(yè)的資源環(huán)境綜合評價方法，開發(fā)具有自主知識產權的生命周期評價技術和工具，建立適合我國的稀土資源-環(huán)境-技術-經濟綜合評價指標。通過自主研發(fā)的方法、技術和工具，對稀土全產業(yè)鏈工藝進行生命周期評價和綠色設計，優(yōu)化、革新甚至顛覆現(xiàn)有的稀土采、選、冶及產品加工制備技術，支撐企業(yè)、地方和國家稀土產業(yè)布局“雙碳”目標實施和稀土戰(zhàn)略制定。

（3）重視稀土生命周期評價領域基礎理論型人才與創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。目前我國稀土生命周期評價在方法和技術上存在劣勢，需要具有扎實理論基礎的人才，在關鍵技術原理和方法上有所發(fā)展，從底層架構上突破傳統(tǒng)領域的局限和國外技術的限制，實現(xiàn)“彎道超車”。同時，對現(xiàn)有從業(yè)人員要進行創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新知識、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新人格的培養(yǎng)，使其能夠通過自身創(chuàng)造性勞動取得創(chuàng)新成果，為我國稀土生命周期評價領域的研究和應用做出創(chuàng)新貢獻。