中國已在2023年對鎵、鍺、石墨等礦物實施全球性的出口限制，會不會有下一波以及哪些礦物會是中國下一波使出的「殺手鐧武器」，相信全世界都在關注。鎂也是面臨出口管制風險的礦物之一。在地緣政治風險加劇的情況下，鎂的供應可能受到影響。本文關注鎂的回收及其用於二次電池電解質與海綿鈦等新興科技應用的國際專利，強調在提取、回收和利用鎂及其化合物方面的創新方法。
含鎂鹽和鹵水中提取鎂金屬
美國專利US9499880B2揭示一種從含鎂鹽和鹵水中生產鎂金屬和氫化鎂的新穎系統和方法[1]，使用來自海水、礦物尾礦(mineral tailings)、廢水和其他製程中的含鎂鹽和鹵水作為原料，其中無水氯化鎂(MgCl2)是該過程中的關鍵材料，過程使用二烷基鎂化合物分解生成鎂產品，與傳統方法相比顯著降低了能源需求和生產成本。該方法包括：
(1)冶金階段：無水氯化鎂與烷基鋰(alkyl-lithium)化合物發生金屬化反應，形成二烷基鎂(dialkyl magnesium)化合物，以供分解階段進行分解所用。這種反應發生在選定的溫度下，通常低於80°C，並且可以在25°C至40°C的低溫下自發進行。在冶金階段的化學反應式可用以下來表示：
MgCl2+2RLi→MgR2+2LiCl
(2)分解階段：二烷基鎂化合物在惰性氣體或真空中於150°C以上的溫度下分解。這種分解會產生鎂金屬或氫化鎂(MgH2)，以及烯烴和氫氣等副產品。在分解階段的化學反應式如下表示：
MgR2→Mg+2C4H8 (生成鎂金屬)
MgR2→MgH2+2C4H8 (生成氫化鎂)
上述反應在約400°C的溫度下生成鎂金屬，在低於300°C的溫度下生成氫化鎂。中間化合物二烷基鎂（如MgBu2）在最終鎂產品的生產中相當重要。最終產品，無論是金屬鎂或氫化鎂，都可以完全致密或部分致密的，這取決於特定的分解條件。
(3)水合冶金階段(Hydrometallation Stage)：涉及鋰金屬與烯烴在選定催化劑上的反應，以再生用於冶金階段的烷基鋰化合物。在此階段使用的選定催化劑包括IIIB至IVB族鹽，並在-78°C至300°C的溫度範圍內操作。該階段使用特定的催化劑進行水合冶金反應，包括未取代和取代的環戊二烯配體(cyclopentadiene (Cp) ligands)、吡咯和膦亞胺。該階段中使用的溶劑包括醚、己烷、環烷烴和其他穩定烷基鋰產品的非極性溶劑。
美國專利US9499880B2揭示的方法可在比傳統方法（如Pidgeon製程或MgCl2電解）更低的溫度和能源成本下運行，實現顯著低於目前行業標準的生產成本和能源消耗，使鎂的生產更具經濟可行性。使用較低的溫度並避免高能耗過程（如電解）減少了鎂生產的環境影響。此外，該方法可以處理各種來源的含鎂鹽和鹵水，使其適應不同的原料。能夠生產完全致密和部分致密的鎂產品，使其在應用中具有靈活性。最後，該方法旨在實現高鎂產品產量，效率和回收率超過90%。
鎂廢料回收
韓國專利KR101775314B1概述了一種回收廢料鎂的方法和系統，包括破碎、清洗、乾燥、熔融和鑄造回收鎂等步驟，以提高其純度並縮短熔化時間[2]。結構化的過程確保了雜質的有效去除，改善了生產力和產品競爭力。該方法還整合了穩定氣體管理，增強了回收過程中的安全性和品質。回收的系統和方法分別由幾個關鍵元件和步驟組成，茲搭配圖介紹如下：
(1)破碎：過程開始於破碎機構(10)，該破碎機構(10)將收集的廢鎂粉碎成易於處理的塊狀物。
(2)清洗：隨後用清洗機構(20)清洗塊狀物，該清洗機構(20)去除附著在鎂上的雜質，如：合成樹脂和油。清洗通過導板確保有效的離心作用以脫除雜質，並輔以引入穩定氣體，如：氮氣。
(3)乾燥：清洗後，鎂藉由乾燥機構(30)進行乾燥，在200-300°C的加熱室中加熱，去除任何水分並進一步去除殘留雜質。
(4)熔融：乾燥後的鎂被轉移到熔融單元(40)，在這裡它被熔化在熔融罐中。熔融單元(40)包括熔融罐周圍的加熱爐，以保持熔化鎂所需的溫度。在熔融這個步驟中，氣體注入單元引入穩定氣體，如六氟化硫和二氧化碳的混合物，以防止火災或爆炸並確保穩定的熔融過程。
(5)保溫：然後，熔融鎂被轉移到保溫單元(50)，在那裡它保持在恆定溫度下，以確保其純度並準備鑄造。
(6)鑄造：之後，熔融鎂被倒入鑄造單元(60)以形成鑄錠。鑄造單元(60)包括放置在輸送帶上的多個模具，這些模具在熔融鎂分配系統的控制下移動，以鑄造並固化鎂成鑄錠。
韓國專利KR101775314B1所揭露的回收系統的主要優點在於能夠提高回收鎂的純度並縮短熔化時間，從而提高生產力。通過包含破碎、清洗、乾燥、熔融和鑄造的結構化過程，確保了雜質的有效去除。此外，該回收系統整合了穩定氣體和控溫管理，在回收過程中提高了安全性和品質。這種方法最終提供了一種具有成本效益和環境友好的鎂回收解決方案，使其在使用新材料方面具有競爭力。
從含鎂廢液中生產高純度氧化鎂
美國專利US9328399B2描述了一種從含有鎂和鈣的硫酸溶液（通常來自濕法冶金工藝的廢水）中生產高純度氧化鎂的方法[3]。該過程涉及將鈣沉澱並分離為硫酸鈣，進一步將鎂沉澱為硫酸鎂，將硫酸鎂與還原劑一起煅燒以獲得氧化鎂，最後洗滌氧化鎂以提高其純度。這種方法有效地從廢溶液中回收鎂，生產適用於耐火材料和合金材料的高純度氧化鎂，方法包括 (1)鈣分離步驟: 當溶液的比重達到約1.2 g/cm³時，鈣被沉澱為硫酸鈣(CaSO₄·2H₂O)並分離。(2)鎂結晶步驟: 將鈣分離步驟中的溶液進一步濃縮。鎂被沉澱為硫酸鎂七水合物(MgSO₄·7H₂O)並分離。 (3)煅燒步驟: 分離出的硫酸鎂與還原劑（如焦炭、煤炭、木炭）一起煅燒，產生氧化鎂(MgO)和二氧化硫(SO₂)，且在高溫下(950-1100°C)用碳基還原劑還原硫酸鎂。(4)洗滌步驟: 將產生的氧化鎂洗滌以去除殘留的雜質。上述方法可應用於使用高壓酸浸工藝的鎳氧化礦處理的浸出液。廢水處理涉及使用鎂或鈣基試劑中和溶液，然後進行硫化以回收鎳和鈷。剩餘的溶液中富含鎂和鈣處理以生產高純度氧化鎂。
美國專利US9328399B2所揭露的方法的主要優點在其可以高效地從含有鎂和鈣的廢硫酸溶液中生產高純度、低雜質含量的氧化鎂。高純度氧化鎂適用於耐火磚和合金材料等高要求的應用。該方法減少了濕法冶金工藝中特別是鎳氧化礦處理過程中產生的廢料量。通過在過程中回收利用硫酸和中和劑，該方法減少了新原料的需求，並最大限度地減少了對環境的影響。使用自然乾燥方法濃縮降低了能源消耗和運營成本。
中國減少鎂產量、短缺很快會到臨界點
中國生產的鎂佔世界總量的87%。但為了實現其綠色雄心，中國從 2021年9月至12月大幅減少了鎂的產量，這給歐洲帶來了問題，因為歐洲使用的鎂 95%是從中國進口的。中國減少鎂產量、鎂的短缺很快就會達到臨界點，因為全球市場完全依賴中國的出口。此外，鎂不太適合長期儲存，因為它在3個月後開始氧化。這意味著，如果中國繼續減產，鎂的短缺很快就會達到臨界點。
因應措施
中國曾在過去使用出口管制作為政治手段的礦物包括稀土，以及去年剛發生的鎵、鍺、石墨以反制美國科技圍堵。根據OECD報告指出，鎂也是面臨出口管制風險的礦物之一，在地緣政治風險加劇的情況下，鎂的供應可能受到影響。全世界鎂的出口量最多的是中國，其次是以色列和土耳其，但量與中國相比差距很大。產量也是中國最大，第二、三供應來源(蘇俄、美國、以色列)的產量都差距甚大。雖然鎂的中國產量獨霸全世界，但仍有需要開發中國以外料源；由於以色列是唯一出口鎂的初級生產國，可試圖從以色列國家進行國際合作。此外，建立安全庫存標準和建構可視化的安全監測與預警系統也很重要。
台灣業者語重心長指出，鎂絕對是關鍵礦物資源，中國一旦對鎂限制出口，全世界各產業都會受很大影響，因為幾乎沒有其他替代來源，全球市場完全依賴中國的出口。各國政府和企業都需要密切關注鎂礦的供應情況，除了尋找多元化的供應來源確保其關鍵產業的穩定運行之外，建議政府審慎評估鋁鎂合金的相關廢料出口與回收的相關政策，以利台灣提升鋁廢料之市場價值，例如協助上、中、下游產業偕同將廢料回收，進一步轉化為再生鋁錠和鎂錠，本文涉及鎂的提取、回收再生技術，希望對台灣相關業者有所啟示。
備註：
[1] US9499880B2, System and process for production of magnesium metal and magnesium hydride from magnesium-containing salts and brines, Battelle Memorial Institute Inc., patent application on 2015 March 6.
[2] KR101775314B1, Method and device for recycling magnesium waste(鎂廢料回收的方法與裝置), Kim Gil-tae (김길태), 2017/04/18.
[3] US9328399B2, Operating method in hydrometallurgy of nickel oxide ore, 住友金屬株式會社, patent application on 2012 December14.
責任編輯：吳碧娥
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