中圖分類號：X70 文獻標志碼：A 文章編號：1671-8755（2025）02-0046-08

Abstract： The environmental impacts and economic performances of using waste sulfuric acid to prepare titanium dioxide （S1）and polyferric ferric sulfate（S2）were compared by adopting the life cycle assessment and techno-economic analysis method，aiming to provide decision-making support for the selection of high-value and green utilization paths of waste sulfuric acid. The results indicate that under deterministic parameter scenarios，the environmental performance of S2 is superior to that of S1 in 1O environmental impact categories（including global warming potential），while its net profit is 21.62% inferior to that of S1.In light of the inherent uncertainty associated with energy and material inputs in industrialization practices，the short-process S2 system demonstrates significantly lower mean variation rates across all environmental impact categories and economic performance metrics compared to the more complex S1 process. This indicates that direct conversion of waste sulfuric acid to polymeric ferric sulfate ofers more robust environmental -economic performance. Compared to the current “point-to-point” resource recovery approach for titanium dioxide production，the direct preparation of polymeric ferric sulfate offrs a superior option for high-value green utilization of waste sulfuric acid in the integrated circuit industry.

Keywords： Integrated circuit；Waste sulfuric acid utilization；Life cycleassessment；Techno-economic analysis

集成電路產業(yè)作為現(xiàn)代電子工業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟社會發(fā)展和保障國家安全的基礎性、先導性產業(yè)[1]。以ChatGPT，Sora為代表的人工智能應用場景涌現(xiàn)和商業(yè)化加速，引發(fā)了對智能芯片需求的爆發(fā)式增長，進一步加劇了產業(yè)的全球競爭[2]。當前，中國在全球集成電路行業(yè)的市場份額已超過35% 。上海被賦予打造集成電路產業(yè)高地的重大任務，產業(yè)規(guī)模近4年年均增長率 20.4% ，產業(yè)比重占全國 22.4%^[3] 。集成電路行業(yè)產生了大量的工業(yè)危險廢物。面向無廢城市建設的新要求，集成電路行業(yè)的危險廢物源頭減量、利用與安全處置全過程管理的能級亟待提升。

廢酸（HW34）是集成電路行業(yè)在清洗、刻蝕、去膠等工序中產生的主要危險廢物類型，包括廢硫酸、廢硝酸/氫氟酸、廢磷酸等，以廢硫酸的產生量為最大，占比達 80% 以上。特別地，隨著芯片制程工藝向 40nm/28nm 的高階制程方向發(fā)展，芯片清洗工序從傳統(tǒng)槽式清洗轉換到單片清洗方式，再加上線寬變小、芯片變復雜導致芯片蝕刻層數(shù)增加，芯片廠產生的廢硫酸量增加了10倍以上4，集成電路產業(yè)廢硫酸處置與高值安全利用已成為全球共同關心的突出問題[5]。全球首座電子級硫酸循環(huán)利用工廠于2020年在中國臺灣省臺南科技工業(yè)園動工，為臺積電公司總部廢硫酸高值化利用提供了支持。英特爾公司亦正在實施廢硫酸零排放企業(yè)戰(zhàn)略，將廢硫酸再生為工業(yè)級硫酸[7]。然而，中國大陸地區(qū)尚無相關廢硫酸再生為電子級硫酸的資源化企業(yè)，集成電路企業(yè)自行開展廢酸低品質再利用時又會遇到無法達到產品級硫酸質量標準、經(jīng)營范圍無法支持其開展再生硫酸經(jīng)營活動等合規(guī)性難題[8]。因此，尋找合適的廢硫酸利用處置出路，提升廢硫酸的綜合利用水平，完善集成電路產業(yè)配套，將有利于我國集成電路產業(yè)持續(xù)高速發(fā)展。

2020年起，上海開展廢硫酸“點對點”資源化定向再利用模式，以廢硫酸替代鈦白粉生產工藝過程中用到的工業(yè)硫酸，為本市集成電路行業(yè)廢硫酸規(guī)?；{利用開辟了路徑。但利用硫酸法制備鈦白粉，不僅受到終端產品市場的約束，且該工藝具有環(huán)節(jié)多、操作復雜等特點，面對持續(xù)增長的廢硫酸處置需求，保障能力略顯不足。與此同時，利用廢硫酸制備聚合硫酸鐵凈水劑的短流程產業(yè)化實踐正在國內各地展開[10]，為集成電路產業(yè)廢硫酸資源化利用提供了新路徑。然而，目前國內外尚無相關研究系統(tǒng)比較上述兩種廢硫酸資源化利用路徑的環(huán)境影響和經(jīng)濟表現(xiàn)。盡管王春華等[采用生命周期評價的思想比較了工業(yè)硫酸制備鈦白粉生產過程的資源、能源投入及環(huán)境排放，但針對廢硫酸資源化的系統(tǒng)性研究仍屬空白。基于過程的生命周期評價（Processbasedlifecycleassessment）與技術經(jīng)濟分析（Techno-economicanalysis）是評估工藝技術的環(huán)境-經(jīng)濟表現(xiàn)的經(jīng)典方法，已應用于固廢資源化利用技術比選研究[12-13]，可為政府、固廢利用處置企業(yè)、固廢產生企業(yè)等利益相關方提供決策支持。本研究擬采用生命周期評價和技術經(jīng)濟分析法系統(tǒng)比較廢硫酸制備鈦白粉和聚合硫酸鐵的環(huán)境影響與經(jīng)濟表現(xiàn)，為集成電路產業(yè)廢硫酸高值綠色利用路徑選擇提供決策支持。

1 材料與方法

1.1 目標和范圍定義

本研究的評價目標為建立廢硫酸制備鈦白粉（S1）和廢硫酸制備聚合硫酸鐵（S2）兩種資源化技術的生命周期清單，對比其環(huán)境影響與經(jīng)濟表現(xiàn)

評價范圍包括功能單元和系統(tǒng)邊界。固體廢物的處理處置屬于復雜體系且具有多功能的屬性，本研究擬探討的兩種廢硫酸資源化系統(tǒng)可分別提供2＼～4種功能。以S1資源化技術為例，除“廢硫酸資源化服務”這一功能以外，還包括主產品鈦白粉、副產品聚合硫酸鐵和鈦石膏的生產服務。S2資源化技術則提供廢硫酸資源化服務、主產品聚合硫酸鐵兩種服務功能?；诖?，本研究將功能單位統(tǒng)一設置為處理1t質量分數(shù) 60% 廢硫酸，所有的材料、能源消耗、排放、廢物處理和經(jīng)濟成本都以這個功能單位為基礎。鈦白粉、聚合硫酸鐵等產品的產出，取代了傳統(tǒng)制造過程中初級材料生產，作為抵消系統(tǒng)從原系統(tǒng)中扣除，以避免因分配帶來的誤差[14]。如圖1所示，系統(tǒng)邊界設置是基于“從墳墓到搖籃”的思想來設置的，從廢硫酸運送至資源化工廠開始，到最終產品離開工廠結束。藍色虛線為本研究環(huán)境影響評價的系統(tǒng)邊界，紅紫色虛線為技術經(jīng)濟分析的系統(tǒng)邊界，包含了廢硫酸資源化利用工程實施所需的廠房、設備、土地、勞動力等各項投入。由于各類物料來源和運輸距離的不確定性，廢硫酸及其他物料的運輸投入未被考慮。廢硫酸利用產物（鈦白粉、聚合硫酸鐵、鈦石膏）的有害成分均滿足GB34330中有關利用固體廢物生產的產物中有害成分的相關要求和相應的產品質量標準。

1.2 生命周期清單分析

參考固體廢物資源化生命周期評價的相關研究，在生命周期清單數(shù)據(jù)收集中采用廢硫酸的零負擔假設[15]。表1列出了系統(tǒng)邊界范圍內兩種廢硫酸資源化利用方案的生命周期清單。S1系統(tǒng)的投人產出數(shù)據(jù)來自上海澎博鈦白粉有限公司廢硫酸“點對點\"利用工程，S2系統(tǒng)的投入產出數(shù)據(jù)來自浙江省某公司的聚合硫酸鐵工程。主要污染物排放數(shù)據(jù)根據(jù)產業(yè)化現(xiàn)場的環(huán)境監(jiān)測報告獲得，關于企業(yè)未監(jiān)控的天然氣燃燒過程的二氧化碳等污染物排放，則參考IPCC指南中化石能源燃燒排放計算公式進行計算。此外，針對不同工程案例的廢硫酸濃度差異問題，基于質量守恒定律，建立包含原料輸入、產品輸出和排放物的完整質量平衡體系；引入工藝特異性傳遞系數(shù)，構建濃度校正模型，將不同來源的投人產出數(shù)據(jù)統(tǒng)一標準化至處理1t質量分數(shù)60% 廢硫酸基準條件。

1.3 環(huán)境影響分析

本研究利用LCAForExperts軟件完成不同廢硫酸資源化技術的環(huán)境影響分析計算，生命周期清單涉及的所有投人背景排放數(shù)據(jù)來自Ecoinvent3.8數(shù)據(jù)庫。本研究參考固廢資源化利用領域進行生命周期評估時常考慮的影響類別[17]，共選擇了12 種環(huán)境影響類別。具體包括：全球變暖潛能（GWP）、人體毒性潛勢（HTP）、淡水生態(tài)毒性潛勢（FAETP）、臭氧損耗（ODP）、海洋生態(tài)毒性潛勢（MAETP）、陸地生態(tài)毒性潛勢（TETP）、光化學臭氧生成潛能（POCP）、酸化潛能（AP）、富營養(yǎng)化潛勢（EP）、非生物耗竭（ADP）、一次能源需求（PED）、水利用（WU）。

1.4 技術經(jīng)濟分析

廢硫酸資源化利用的技術經(jīng)濟分析的功能單元與生命周期評價一致，以每噸廢硫酸資源化利用所獲得的折舊和稅后利潤（EADT）為量化指標[18]，即銷售收人減去運營成本與折舊成本。其中，運營成本包括勞動力成本、生產成本和稅收支出，折舊成本則利用直線法將固定資產的初始投資成本分攤到其預期使用年限內。生產過程中所需的能源與原料、產出的資源化產品價格（表1）獲取自《中國價格統(tǒng)計年鑒2021》[19]以及阿里巴巴等各大公開網(wǎng)絡銷售平臺。廢硫酸處置服務的價格通過調研本市集成電路行業(yè)的廢硫酸處置價格平均值予以確定。固定資產與勞動力成本基于上述特定兩家產業(yè)化企業(yè)進行定向收集。稅收支出僅考慮企業(yè)所得稅，以折舊后利潤的 25% 計提。

1.5 參數(shù)不確定性分析

在規(guī)?；a過程中，工藝參數(shù)存在波動[20]新興工藝的工藝參數(shù)與基準值的偏差為 （+50% ，-25% ），而成熟工藝的參數(shù)相對穩(wěn)健，其波動范圍與基準值的偏差為（ +25% ， -10% ）[21]。本研究所探討的兩種廢硫酸資源化路徑在國內均有落地的產業(yè)化工程，屬于成熟工藝，因此，本研究取所有物料投入量與基準值的偏差為 （-10% . 25% ）。假設參數(shù)不確定性符合三角函數(shù)分布，構建基于蒙特卡洛模擬的參數(shù)不確定模型，模擬參數(shù)迭代10000次，以探索工藝參數(shù)變化對環(huán)境影響及技術經(jīng)濟表現(xiàn)評估結果的影響。

2 結果與討論

2.1 環(huán)境影響分析

圖2為兩種廢硫酸資源化路徑以1t廢硫酸利用為功能單元的環(huán)境影響表現(xiàn)，橫坐標代表環(huán)境影響類別，由于各類環(huán)境影響類別單位存在差異，因此不能進行橫向比較。對各方案的總環(huán)境影響進行比較可看出：未考慮副產品抵消系統(tǒng)前，廢硫酸制備鈦白粉（S1）的所有影響遠高于廢硫酸制備聚合硫酸鐵（S2），各環(huán)境影響類別的數(shù)值是S2的36.40＼～682.42倍，主要源于鈦鐵礦石、各類有機溶劑（改性聚丙烯酰胺、液堿、碳酸鉀）等投入物料的生產過程高背景排放；考慮所有資源化產品避免傳統(tǒng)生產帶來的環(huán)境影響抵消后，S2資源化系統(tǒng)所引起的所有類別環(huán)境影響均為負值，S1資源化系統(tǒng)所引起的ADP，AP，F(xiàn)AETP，MAETP為負值。需要特別關注的是，S1資源化系統(tǒng)所引起的ADP和AP兩類凈環(huán)境影響表現(xiàn)優(yōu)于S2，主要源于避免傳統(tǒng)鈦白粉生產過程中工業(yè)級硫酸使用而帶來的環(huán)境抵消貢獻。具體來說，S1和S2資源化系統(tǒng)所引起的ADP凈環(huán)境影響分別為 -0.74kg Sb eq. ， -0.08kg Sb eq. ，AP凈環(huán)境影響表現(xiàn)較為接近，分別為 -32.42kg SO₂eq.， -29.39kgSO₂ eq.。

面向我國“雙碳”戰(zhàn)略目標，對廢硫酸資源化利用所引起的全球變暖潛勢（GWP）進行重點分析。1t廢硫酸制備聚合硫酸鐵所引起的GWP值為26.92kgCO₂ eq.，考慮聚合硫酸鐵作為凈水劑抵消后，GWP值降至 -1541.67kgCO₂ eq.。1t廢硫酸制備鈦白粉資源化系統(tǒng)所引起的GWP值為11213.52kgCO₂ eq.，考慮鈦白粉、鈦石膏、聚合硫酸鐵抵消后，GWP值降至 3019kgCO₂ eq.，削減率為73.08% 。從碳減排視角分析，無論總體環(huán)境影響還是凈環(huán)境影響表現(xiàn)上，廢硫酸制備聚合硫酸鐵工藝均優(yōu)于制備鈦白粉。

2.2 技術經(jīng)濟分析

以1t廢硫酸資源化為功能單位，兩種廢硫酸資源化路徑的技術經(jīng)濟分析結果如圖3所示。廢硫酸制備鈦白粉（S1）的總成本為13357.22元/t，其中生產過程因物料及能源等消費所引起的成本占總成本的 82.66% ，其次為固定資產及折舊投入，占比11.95% 。相比之下，廢硫酸制備聚合硫酸鐵（S2）的總成本為1538.35元/t，生產過程投入成本占總成本的 64.87% 。盡管S1系統(tǒng)的總成本是S2系統(tǒng)的8.68倍，但考慮資源化產品替代傳統(tǒng)商品生產過程、提供廢硫酸處置服務而獲得的產品收益時，S1的經(jīng)濟表現(xiàn)略優(yōu)于S2，其凈利潤分別為962.94元/t、791.65元/t。上述對比分析結果揭示了廢硫酸制備鈦白粉相較于制備聚合硫酸鐵的經(jīng)濟優(yōu)勢。

兩種廢硫酸資源化路徑凈利潤表現(xiàn)的差異源于產出的資源化產品類型、產量及市場價格的不同。S1系統(tǒng)共產出了鈦白粉、聚合硫酸鐵、鈦石膏和廢硫酸處置服務等4種產品或服務，其中以鈦白粉的產品收益貢獻為最高，占比為 71.25% ，廢硫酸處置服務的收益貢獻占比僅為 9.36% ，表明鈦白粉的市場價格波動會顯著影響S1系統(tǒng)的經(jīng)濟表現(xiàn)。S2系統(tǒng)產出了聚合硫酸鐵、廢硫酸處置服務等兩種產品或服務，廢硫酸處置服務的收益貢獻高達 57.51% ，揭示了S2系統(tǒng)的經(jīng)濟表現(xiàn)更易受廢硫酸利用處置市場價格波動的影響。

2.3 不確定性分析

在考慮能源、物料投入兩類參數(shù)變化的前提下，運用蒙特卡洛分析運算10000次得到兩種廢硫酸資源化方案的12種環(huán)境影響及經(jīng)濟表現(xiàn)分布（圖4）?！靶√崆佟眱炔肯涫綀D展示了中值和四分位值25%～75% ），“小提琴”的厚度表示采樣點的頻率，越厚的地方表示環(huán)境影響值落在這個區(qū)間的概率越大。從圖4可以看出，所有環(huán)境類別和經(jīng)濟利潤均遵循鐘形曲線，而各類別的巨大可變性意味著環(huán)境影響及經(jīng)濟表現(xiàn)的緩解機會。不同方案的相同環(huán)境影響指標與經(jīng)濟表現(xiàn)呈現(xiàn)出不同程度的變化，這是因為不同方案的參數(shù)不確定性來源存在差異，在縱坐標軸方向上具有較大變化范圍的指標不確定性來源更廣。在 X 軸方向上，小提琴圖形越寬的鐘形曲線表明其環(huán)境影響或經(jīng)濟表現(xiàn)越穩(wěn)定，廢硫酸制備聚合硫酸鐵（S2）的環(huán)境經(jīng)濟表現(xiàn)穩(wěn)定性優(yōu)于制備鈦白粉（S1）。

基于參數(shù)不確定性情景的環(huán)境經(jīng)濟指標均值與參數(shù)確定情景的環(huán)境經(jīng)濟指標數(shù)值，進一步比較了兩種廢硫酸資源化系統(tǒng)的穩(wěn)健性（圖5）。結果顯示，參數(shù)的變化并未改變備選方案的各類環(huán)境影響的排名情況。對于ADP，仍表現(xiàn)為S1資源化系統(tǒng)優(yōu)于S2資源化系統(tǒng);對于AP，S1和S2的環(huán)境表現(xiàn)接近;而S2在GWP等其余10項環(huán)境影響類別的表現(xiàn)均優(yōu)于S1。經(jīng)濟表現(xiàn)呈現(xiàn)出相反的變化。在參數(shù)不確定情景下，S2系統(tǒng)的經(jīng)濟利潤均值（753.05元/t）優(yōu)于S1系統(tǒng)（523.59元/t），這可能與S1系統(tǒng)生產過程投入在總成本中占比過高（ 64.87% ）有關。與此同時，能源、物料投入兩類參數(shù)變化對S1系統(tǒng)的環(huán)境經(jīng)濟指標影響程度大于S2系統(tǒng)。對S1系統(tǒng)進行分析，EP，F(xiàn)AETP，GWP，HTP，MAETP，TETP的評估結果均值波動率達 14.13% ＼～41.21% ，經(jīng)濟利潤均值亦較參數(shù)確定情景低了45.63% 。相比之下，S2系統(tǒng)各類環(huán)境經(jīng)濟指標的均值變化率均小于 5% 。上述結果揭示了在能源、物料投人兩類參數(shù)變化情景下，S2系統(tǒng)的穩(wěn)健性優(yōu)于S1系統(tǒng)，即參數(shù)不確定性條件下S2是更優(yōu)的資源化利用方案。

3結論

（1在確定性參數(shù)情景下，兩種廢硫酸資源化技術的環(huán)境影響和經(jīng)濟表現(xiàn)各有優(yōu)勢。廢硫酸制備鈦白粉（S1）所引起的非生物耗竭（ADP）和酸化潛能（AP）兩類凈環(huán)境影響優(yōu)于廢硫酸制備聚合硫酸鐵（S2），而在全球變暖潛能（GWP）等其余10項環(huán)境影響類別的表現(xiàn)均差于S2。經(jīng)濟表現(xiàn)顯示廢硫酸制備鈦白粉（S1）的凈利潤為962.94元/t，相較于S2的凈利潤791.65元/t高出 21.62% 。（2）在能源和物料兩類參數(shù)不確定性條件下，考慮工業(yè)生產過程實踐中的參數(shù)波動情景，相較于鈦白粉行業(yè)的長流程、高能耗、多產品的工藝特點，廢硫酸直接制備聚合硫酸鐵具有更穩(wěn)健的環(huán)境經(jīng)濟表現(xiàn)。（3）廢硫酸直接制備聚合硫酸鐵是集成電路行業(yè)廢硫酸高值綠色利用的更優(yōu)選擇，但廢硫酸資源化技術路徑選擇仍需要因地制宜地考慮當?shù)匾延械墓虖U資源化企業(yè)配套情況，進行綜合決策

參考文獻

［1］成克非，石沂哲．基于CiteSpace的中國集成電路產業(yè)研究熱點與趨勢分析［J]．科技與經(jīng)濟，2024，37（4）： 31 -35.

[2] 李先軍，龍雪洋．新形勢下中國集成電路產業(yè)鏈韌性與安全：演進態(tài)勢、主要風險與對策建議[J]．技術經(jīng)濟，2024，43（7）：18-27.

[3] 上海集成電路產業(yè)韌性十足：市經(jīng)信委正聚焦產業(yè)鏈中市場配置難以完全奏效的環(huán)節(jié)補短板助力產業(yè)進一步發(fā)展[N].解放日報， 2024-06-14[2024-09-30]

[4] 李萍.張江集成電路產業(yè)廢酸產量預測和處置研究[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2022（3）：84-87.

[5] SIMJ，LEEJ，RHOH，etal.Areviewofsemiconductorwastewatertreatment processes：Current status，challen-ges，and future trends[J].Journal of Cleaner Produc-tion，2023，429：139570.

[6] 臺灣臺積電路制造股份有限公司．臺積公司112年度永續(xù)報告書[R/OL].（2023-12-31）[2024-09-30].http：//esg. tsmc.com/en-US/file/public/e- all_2023.pdf.

[7] IntelCorporation.Circularity inIntel’ssemiconductormanufacturing：recoveryand reuse[R/OL]. （2O19-12-31）[2024 -09-30]. https：//community.intel.com/legacyfs/online/files/Circularity-at-Intel-Waste-Recovery-and-Reuse-November-2O19.pdf.

[8］王錫徐．上海市集成電路和新型顯示器件制造行業(yè)廢酸廢溶劑處理處置問題研究［J]．環(huán)境工程，2023，41（S2） ： 44 -48.

[9］丁浩，劉玉芹，周紅．中國鈦白粉生產環(huán)境效應及可持續(xù)發(fā)展[J]．地學前緣，2014，21（5）：294-301.

[10］丁德才，吳勇基，宋德生，等．蒽醌廢硫酸制備聚合硫酸鐵工藝研究［J]．再生資源與循環(huán)經(jīng)濟，2023，16（1）：43-45.

[11］王春華，王洪濤，肖定全，等．鈦白粉生產過程的生命周期評價[J]．無機鹽工業(yè)，2006，38（11）：6-9.

[12] MEYLAN G， SPOERRI A. Eco-efficiency assessment ofoptions for metal recovery from incineration residues：Aconceptual framework[J].Waste Management，2014，34（1） ： 93 -100.

[13]DIAZ M A H， LIN Y Q，BURLI PH，et al. Evaluation ofsustainable waste management：An analysis of techno-economic and life cycle assessments of municipal solidwaste sorting and decontamination[J]. Resources，Con-servation and Recycling，2025，212：107970.

[14]XIAOLY，WANGY，ZHENGRF，etal.Identificationof recycling pathways for secondary aluminum dross withintegrated hybrid life cycle assessment[J].Resources，Conservation and Recycling，2023，193：106987.

[15]HUBER F， LANER D，F(xiàn)ELLNER J. Comparative life cycleassessment of MSWI fly ash treatment and disposal[J].Waste Management，2018，73：392-403.

[16］IPCC.2019 Refinement to the 2006 IPCC Guidelines forNational Greenhouse Gas Inventories[R/OL].（2019-03-25）[2024 -09 -30]. htps：//www. ipcc.ch/re-port/2019 -refinement - to - the - 2006 - ipcc - guide-lines - for - national- greenhouse- gas - inventories.

[17]ZHAOW，YUH，LIANGS，et al.Resource impactsofmunicipal solid waste treatment systems in Chinese citiesbased on hybrid life cycle assessment[J]． Resources，Conservation and Recycling，2018，130：215 -225.

[18］劉宇彤．我國工業(yè)VOCs集中處理生命周期評價及技術經(jīng)濟研究［D].長春：吉林大學，2019.

［19］國家統(tǒng)計局城市社會經(jīng)濟調查司．中國價格統(tǒng)計年鑒-2021[M]．北京：中國統(tǒng)計出版社，2021.

[20] GREGORY JR，NOSHADRAVAN A，OLIVETTI E A，et al.A methodology for robust comparative life cycle as-sessments incorporating uncertainty[J].EnvironmentalScience amp; Technology，2016，50（12）： 6397 -6405.

[21］ADRIANTO L R，PFISTER S. Prospective environmentalassessment of reprocessing and valorization alternatives forsulfidic copper tailings[J]. Resources， Conservation andRecycling，2022，186：106567.