1944年，威拉德·道（WillardDow）對美國參議院表示，“從浩瀚的大海中提取出閃閃發光的鎂金屬，這是人類的一種壯舉和成就。即便是從前最有想象力的煉金師，也沒能想象出這一景象。”陶氏鎂業（Dow Magnesium，原譯為道屋化學）曾是有史以來最大的鎂金屬生產商。在美國德克薩斯州自由港市（Freeport），陶氏鎂業曾運營了一個世紀，期間這個鎂廠從海水中提取了數百萬噸金屬鎂。陶氏鎂業認為，從海水中提鎂是人類文明向前邁出的重要一步。

圖1。陶氏在德克薩斯州Freeport的前工廠，用于從海水中分離鎂的水池（左）和冷卻鎂犧牲陽極（右）。

            鎂有很多優點：普通合金比鋁輕1/3，比鋼輕3-4倍。鎂易于壓鑄且具經濟性，有利于大規模制造。與碳纖維復合材料等其它輕質材料相比，鎂的應用更具有可擴展性。但嚴格來說，陶氏鎂業著迷的并不是鎂材料的技術特性。他們喜歡鎂，因為它也是唯一可以由海水制成的結構材料。

圖2:陶氏鎂業公司的海報顯示了海水中鎂的含量

        盡管陶氏鎂業的海水煉鎂業務取得了成功，但鎂并沒有發展成為一個大型的全球性產業。大多數輕量化產品都應用鋁，而當今世界使用的鋁的質量大約是鎂的50倍。鎂之所以艱難競爭，至少有一個原因：鎂業沒有真正講述出自己的故事，或者至少沒有把鎂的故事講得很好，沒有說服潛在客戶放棄對鋁和鋼的投資。1966年，當時的國際鎂協主席Roger Wheeler批評了協會的會員，他說：“鎂行業中缺乏成熟和完善的營銷技巧。” 2003年，福特前工程師Gerald Cole感嘆道，“鎂的一個主要問題，是供應端沒有足夠的專注者。”

        除非有十分明確的技術和市場收益，否則（編者注:指西方）很少有人會投資于鎂的產品開發，而且在20世紀，很少有人認真理解陶氏鎂業對鎂的見解和實踐：這是一個不用采礦就能制造金屬的機會。但是，時過境遷，在21世紀，認知應該會發生變化了。

一切都在改變

        這是一個徹底變革的10年。新冠疫情和俄烏戰爭使許多人意識到，在具有共同價值觀的國家建立更短、更清潔的供應鏈至關重要。這些價值觀越來越注重減少人類的活動對環境和社會的影響，同時保持高質量的生活。降碳、脫碳以減少氣候變化，已成為餐桌上的話題，但脫碳只是可持續性故事的一部分。畢竟，碳中和的技術仍然會對環境產生嚴重影響。例如，采礦作業中的尾礦庫，如果坍塌或者泄漏，仍然會破壞生態系統并造成人員死亡。最終，最好的情況是不需要開采或不存在尾礦庫。

另一方面，物質及材料減量化是一種技術創新，注重于“用更少的資源做更多的事”，在消耗大量自然資源的同時實現更高的經濟產出。幾乎所有新技術，都通過提高產品質量或減少產品生產所需的資源輸入為客戶創造價值。智能手機、太陽能和電池，就是實現物質及材料減量化的3個產品例子。此外，對減少供應鏈的環境和社會影響的日益關注，還會促使許多行業加快物質減量化。鑒于這些趨勢，陶氏對鎂的愿景似乎更具有預見性（圖3）。

圖3 陶氏公司為推廣鎂而制作的藝術海報

鎂對物質和材料減量化的作用和貢獻

        采用智能手機，提供從單一手持來源獲取大量知識的途徑，并以此實現信息的材料減量化。當下在利用的太陽能、風能和電池技術，正用于能源領域的材料減量化。同樣，利用陶氏和海德魯鎂業幾十年來商業化使用的電化學技術，不經采礦過程就從海水中提煉出鎂金屬，是原鎂生產實現物質減量化的唯一途徑。

        鎂金屬更佳的輕量化特性，使其能夠消除車輛中使用的某些金屬部件75%的自重，這將使消費者能夠使用相同的能源行駛更遠的距離。這一舉措，支持了數十年來通過在美國實施CAFE標準而設置的運輸脫碳。在電動汽車時代，使用鎂而不是鋁和鋼，將使汽車制造商能夠在每輛車上使用更少的電池，為消費者提供相同的行駛里程。

        因此可以認為，從物質減量化、材料減量化角度，海水煉鎂對金屬領域的支持作用，可相當于太陽能利用對清潔能源的支持，作用和貢獻巨大。

        陶氏鎂業和挪威海德魯鎂業使用的電化學技術，包括4個主要步驟：濕法冶金、脫水、電解和金屬鑄造。在第一步中，從海水或從鉀鹽或海鹽作業產生的廢鹽水中獲得鹽水濃縮物。這些鹽水濃縮物經過提純和蒸發，得到純鎂鹽水合物。之后，使用各種類型的脫水技術處理，以生產不含水的無水鎂鹽。開發或利用的電化學煉鎂技術，會使用不同的脫水技術，因此脫水技術從未整合為單一的一種方法。然后，將無水鎂鹽熔化并電解以制備金屬鎂。金屬鎂是從電化學電解槽中“提取”出來，用于制造各種鎂產品，包括用于鋁工業的純鎂錠、用于壓鑄的鎂合金錠，或直接將鎂液送去鑄造。這一過程的副產物，包括水、氯和從鹽水中去除的少量雜質，但不會產生大量的殘渣。

        相比之下，中國企業在20世紀90年代和21世紀初采用的皮江法工藝，其工藝與陶氏和海德魯開發的工藝完全不同。皮江法工藝不利于未來發展，它使用大量的能源作為高溫熱能，并在煅燒鎂礦、生產硅鐵等還原劑以及工藝過程的高溫加熱時直接排放二氧化碳。盡管皮江法有其缺點，但這種工藝得益于成本結構，該成本結構依賴于燃煤和廉價人力資源。這使得西方生產商幾乎不可能與中國生產商競爭，在中國政府推出出口退稅之后，更刺激了廉價和非清潔生產的鎂產品的出口。

        然而，鎂市場開始出現轉變。隨著中國努力實現工業脫碳，中國的生產商現在也越來越難獲得低廉的煤炭電力和廉價勞動力，并且大多數人開始進入中產階級。此外，電化學鎂將從太陽能和電池的發展中受益匪淺，從而在新的生產地區釋放出低成本生產的潛力。

太陽能、風能和地熱等可再生能源，降低了電力成本和碳排放，而世界各國政府的碳稅和其他措施使二氧化碳排放成本更高，這使鎂生產商開始意識到直接排放二氧化碳沒有技術或經濟激勵。相比之下，使用海水的電化學生產工藝（其本身就可脫碳）將開始變得更有吸引力。事實上，電化學鎂生產對未來非常有吸引力，甚至中國也在努力減少勞動密集型皮江法工藝的運營，以支持使用電化學技術從鹽水中生產鎂的新投產工廠。很快，利用電化學技術生產鎂，可能成為世界上最具經濟競爭力的輕質金屬生產途徑之一。

        同樣，與原鋁或鋼生產相比，鎂更容易脫碳。使用傳統技術，還原鋁和鐵都需要使用碳去除氧。這些生產過程導致了全球10%的二氧化碳排放。盡管創業公司花費數億美元和數十年時間試圖找出如何在不排放二氧化碳的情況下制造鋼鐵和鋁，但在一個世紀內，鎂已經沒有直接排放二氧化碳。鎂鹽本身不含氧，鎂電解的溫度比鋁電解和鋼鐵生產低得多，這意味著鎂消耗的能量要少得多。

        原鎂的生產有可能成為世界上最清潔的提煉冶金工藝。在鎂產品的壽命結束時，還有更多的益處。鎂在腐蝕時變成氫氧化鎂，最終以可溶性碳酸氫鹽的形式返回海洋。此過程能夠自動封存二氧化碳。然后，它可以從海水中產生，而不會向大氣中排放二氧化碳。這使得鎂成為唯一固有的循環型結構金屬。

        鋁和鋼注定具有線性價值鏈。它們將始終需要固體礦物自然資源的投入，并將始終輸出不會封存二氧化碳的廢物。所有金屬都可以回收，但絕不是無限循環的：每次回收金屬時，金屬都會以殘渣（譬如鋁灰）或礦渣的形式而出現損耗，因此鋁等金屬只能平均回收10-15次，之后會成為廢料。

        海水中的鎂，不需要通過開采固體礦產資源而獲取，也避免建造尾礦庫，這兩者都會造成嚴重的危害。例如，鐵礦石開采可能會造成嚴重影響，比如澳大利亞的Juukan峽谷遭到破壞，導致力拓首席執行官（CEO）辭職。用海水中的鎂替代采礦，是消除這些有害環境和社會影響的唯一途徑。

重回未來

        世界將永遠會需要采礦來生產一些金屬。除了在合金開發方面取得突破外，鎂將無法實現鋼和鋁的某些功能，至少在很長一段時間內是如此。即使如此，通過在車輛和其它車輛上使用更多的鎂金屬，也有可能最大限度地減少維持社會高質量生活所需的采礦量，并繼續人類經濟發展。

正如大眾汽車和主要汽車制造商幾十年來所證明的那樣，鎂是一種非凡的材料，可作為運輸脫碳和材料減量化的重要手段，但是目前鎂的利用極不充分，用量還并不大。

        在您的下一次聚會上，您可以跟您的朋友講，我們可以用海水制造電動汽車、自行車、直升機、飛機和衛星。事實上，所有這些產品中都已經采用了鎂。顯然，未經礦業開發而制造的鎂金屬，為未來的美好前景帶來了希望，這一舉措對地球資源和環境的負面影響甚微。可以說，海水中的鎂，是21世紀的金屬。

        100年前，陶氏鎂業的從業者就有了這樣的愿景和實踐。到今天，隨著氣候變化危機和社會影響的攀升，這一遠景的時代才真正來臨。無需采礦且低碳排放的鎂金屬的復興，將是最終的“重回未來”的技術突破，也將是這種金屬和這個行業對世界重要的貢獻。

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