集成電路廢硫酸制備鈦白粉和聚合硫酸鐵的環(huán)境－經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)評(píng)估

中圖分類號(hào)：X70 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(chǎn)業(yè)作為現(xiàn)代電子工業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國家安全的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)[1]。以ChatGPT，Sora為代表的人工智能應(yīng)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(jìn)一步加劇了產(chǎn)業(yè)的全球競爭[2]。當(dāng)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(chǎn)業(yè)高地的重大任務(wù)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模近4年年均增長率 20.4% ，產(chǎn)業(yè)比重占全國 22.4%^[3] 。集成電路行業(yè)產(chǎn)生了大量的工業(yè)危險(xiǎn)廢物。面向無廢城市建設(shè)的新要求，集成電路行業(yè)的危險(xiǎn)廢物源頭減量、利用與安全處置全過程管理的能級(jí)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(chǎn)生的主要危險(xiǎn)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(chǎn)生量為最大，占比達(dá) 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(zhuǎn)換到單片清洗方式，再加上線寬變小、芯片變復(fù)雜導(dǎo)致芯片蝕刻層數(shù)增加，芯片廠產(chǎn)生的廢硫酸量增加了10倍以上4，集成電路產(chǎn)業(yè)廢硫酸處置與高值安全利用已成為全球共同關(guān)心的突出問題[5]。全球首座電子級(jí)硫酸循環(huán)利用工廠于2020年在中國臺(tái)灣省臺(tái)南科技工業(yè)園動(dòng)工，為臺(tái)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(shí)施廢硫酸零排放企業(yè)戰(zhàn)略，將廢硫酸再生為工業(yè)級(jí)硫酸[7]。然而，中國大陸地區(qū)尚無相關(guān)廢硫酸再生為電子級(jí)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(zhì)再利用時(shí)又會(huì)遇到無法達(dá)到產(chǎn)品級(jí)硫酸質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)營范圍無法支持其開展再生硫酸經(jīng)營活動(dòng)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(chǎn)業(yè)配套，將有利于我國集成電路產(chǎn)業(yè)持續(xù)高速發(fā)展。

2020年起，上海開展廢硫酸“點(diǎn)對點(diǎn)”資源化定向再利用模式，以廢硫酸替代鈦白粉生產(chǎn)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)模化消納利用開辟了路徑。但利用硫酸法制備鈦白粉，不僅受到終端產(chǎn)品市場的約束，且該工藝具有環(huán)節(jié)多、操作復(fù)雜等特點(diǎn)，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(shí)，利用廢硫酸制備聚合硫酸鐵凈水劑的短流程產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐正在國內(nèi)各地展開[10]，為集成電路產(chǎn)業(yè)廢硫酸資源化利用提供了新路徑。然而，目前國內(nèi)外尚無相關(guān)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(jì)表現(xiàn)。盡管王春華等[采用生命周期評(píng)價(jià)的思想比較了工業(yè)硫酸制備鈦白粉生產(chǎn)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(píng)價(jià)（Processbasedlifecycleassessment）與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（Techno-economicanalysis）是評(píng)估工藝技術(shù)的環(huán)境-經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)的經(jīng)典方法，已應(yīng)用于固廢資源化利用技術(shù)比選研究[12-13]，可為政府、固廢利用處置企業(yè)、固廢產(chǎn)生企業(yè)等利益相關(guān)方提供決策支持。本研究擬采用生命周期評(píng)價(jià)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jì)表現(xiàn)，為集成電路產(chǎn)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(biāo)和范圍定義

本研究的評(píng)價(jià)目標(biāo)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(shù)的生命周期清單，對比其環(huán)境影響與經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)

評(píng)價(jià)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(fù)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(shù)為例，除“廢硫酸資源化服務(wù)”這一功能以外，還包括主產(chǎn)品鈦白粉、副產(chǎn)品聚合硫酸鐵和鈦石膏的生產(chǎn)服務(wù)。S2資源化技術(shù)則提供廢硫酸資源化服務(wù)、主產(chǎn)品聚合硫酸鐵兩種服務(wù)功能。基于此，本研究將功能單位統(tǒng)一設(shè)置為處理1t質(zhì)量分?jǐn)?shù) 60% 廢硫酸，所有的材料、能源消耗、排放、廢物處理和經(jīng)濟(jì)成本都以這個(gè)功能單位為基礎(chǔ)。鈦白粉、聚合硫酸鐵等產(chǎn)品的產(chǎn)出，取代了傳統(tǒng)制造過程中初級(jí)材料生產(chǎn)，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(shè)置是基于“從墳?zāi)沟綋u籃”的思想來設(shè)置的，從廢硫酸運(yùn)送至資源化工廠開始，到最終產(chǎn)品離開工廠結(jié)束。藍(lán)色虛線為本研究環(huán)境影響評(píng)價(jià)的系統(tǒng)邊界，紅紫色虛線為技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的系統(tǒng)邊界，包含了廢硫酸資源化利用工程實(shí)施所需的廠房、設(shè)備、土地、勞動(dòng)力等各項(xiàng)投入。由于各類物料來源和運(yùn)輸距離的不確定性，廢硫酸及其他物料的運(yùn)輸投入未被考慮。廢硫酸利用產(chǎn)物（鈦白粉、聚合硫酸鐵、鈦石膏）的有害成分均滿足GB34330中有關(guān)利用固體廢物生產(chǎn)的產(chǎn)物中有害成分的相關(guān)要求和相應(yīng)的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 生命周期清單分析

參考固體廢物資源化生命周期評(píng)價(jià)的相關(guān)研究，在生命周期清單數(shù)據(jù)收集中采用廢硫酸的零負(fù)擔(dān)假設(shè)[15]。表1列出了系統(tǒng)邊界范圍內(nèi)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(chǎn)出數(shù)據(jù)來自上海澎博鈦白粉有限公司廢硫酸“點(diǎn)對點(diǎn)\"利用工程，S2系統(tǒng)的投入產(chǎn)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(chǎn)業(yè)化現(xiàn)場的環(huán)境監(jiān)測報(bào)告獲得，關(guān)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(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。此外，針對不同工程案例的廢硫酸濃度差異問題，基于質(zhì)量守恒定律，建立包含原料輸入、產(chǎn)品輸出和排放物的完整質(zhì)量平衡體系；引入工藝特異性傳遞系數(shù)，構(gòu)建濃度校正模型，將不同來源的投人產(chǎn)出數(shù)據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化至處理1t質(zhì)量分?jǐn)?shù)60% 廢硫酸基準(zhǔn)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(shù)的環(huán)境影響分析計(jì)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(lǐng)域進(jìn)行生命周期評(píng)估時(shí)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(xué)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(shù)經(jīng)濟(jì)分析

廢硫酸資源化利用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的功能單元與生命周期評(píng)價(jià)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(biāo)[18]，即銷售收人減去運(yùn)營成本與折舊成本。其中，運(yùn)營成本包括勞動(dòng)力成本、生產(chǎn)成本和稅收支出，折舊成本則利用直線法將固定資產(chǎn)的初始投資成本分?jǐn)偟狡漕A(yù)期使用年限內(nèi)。生產(chǎn)過程中所需的能源與原料、產(chǎn)出的資源化產(chǎn)品價(jià)格（表1）獲取自《中國價(jià)格統(tǒng)計(jì)年鑒2021》[19]以及阿里巴巴等各大公開網(wǎng)絡(luò)銷售平臺(tái)。廢硫酸處置服務(wù)的價(jià)格通過調(diào)研本市集成電路行業(yè)的廢硫酸處置價(jià)格平均值予以確定。固定資產(chǎn)與勞動(dòng)力成本基于上述特定兩家產(chǎn)業(yè)化企業(yè)進(jìn)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(jì)提。

1.5 參數(shù)不確定性分析

在規(guī)模化生產(chǎn)過程中，工藝參數(shù)存在波動(dòng)[20]新興工藝的工藝參數(shù)與基準(zhǔn)值的偏差為 （+50% ，-25% ），而成熟工藝的參數(shù)相對穩(wěn)健，其波動(dòng)范圍與基準(zhǔn)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(nèi)均有落地的產(chǎn)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(zhǔn)值的偏差為 （-10% . 25% ）。假設(shè)參數(shù)不確定性符合三角函數(shù)分布，構(gòu)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(shù)經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)評(píng)估結(jié)果的影響。

2 結(jié)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(biāo)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(jìn)行橫向比較。對各方案的總環(huán)境影響進(jìn)行比較可看出：未考慮副產(chǎn)品抵消系統(tǒng)前，廢硫酸制備鈦白粉（S1）的所有影響遠(yuǎn)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(jī)溶劑（改性聚丙烯酰胺、液堿、碳酸鉀）等投入物料的生產(chǎn)過程高背景排放；考慮所有資源化產(chǎn)品避免傳統(tǒng)生產(chǎn)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(fù)值，S1資源化系統(tǒng)所引起的ADP，AP，F(xiàn)AETP，MAETP為負(fù)值。需要特別關(guān)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(chǎn)過程中工業(yè)級(jí)硫酸使用而帶來的環(huán)境抵消貢獻(xiàn)。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(biāo)，對廢硫酸資源化利用所引起的全球變暖潛勢（GWP）進(jìn)行重點(diǎn)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(shù)經(jīng)濟(jì)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(shù)經(jīng)濟(jì)分析結(jié)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(chǎn)過程因物料及能源等消費(fèi)所引起的成本占總成本的 82.66% ，其次為固定資產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品替代傳統(tǒng)商品生產(chǎn)過程、提供廢硫酸處置服務(wù)而獲得的產(chǎn)品收益時(shí)，S1的經(jīng)濟(jì)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(jié)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(jì)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(chǎn)出的資源化產(chǎn)品類型、產(chǎn)量及市場價(jià)格的不同。S1系統(tǒng)共產(chǎn)出了鈦白粉、聚合硫酸鐵、鈦石膏和廢硫酸處置服務(wù)等4種產(chǎn)品或服務(wù)，其中以鈦白粉的產(chǎn)品收益貢獻(xiàn)為最高，占比為 71.25% ，廢硫酸處置服務(wù)的收益貢獻(xiàn)占比僅為 9.36% ，表明鈦白粉的市場價(jià)格波動(dòng)會(huì)顯著影響S1系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)。S2系統(tǒng)產(chǎn)出了聚合硫酸鐵、廢硫酸處置服務(wù)等兩種產(chǎn)品或服務(wù)，廢硫酸處置服務(wù)的收益貢獻(xiàn)高達(dá) 57.51% ，揭示了S2系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)更易受廢硫酸利用處置市場價(jià)格波動(dòng)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(yùn)用蒙特卡洛分析運(yùn)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(jì)表現(xiàn)分布（圖4）。“小提琴”內(nèi)部箱式圖展示了中值和四分位值25%～75% ），“小提琴”的厚度表示采樣點(diǎn)的頻率，越厚的地方表示環(huán)境影響值落在這個(gè)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(jì)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(jì)表現(xiàn)的緩解機(jī)會(huì)。不同方案的相同環(huán)境影響指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)呈現(xiàn)出不同程度的變化，這是因?yàn)椴煌桨傅膮?shù)不確定性來源存在差異，在縱坐標(biāo)軸方向上具有較大變化范圍的指標(biāo)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(jì)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(jì)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(jì)指標(biāo)均值與參數(shù)確定情景的環(huán)境經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)值，進(jìn)一步比較了兩種廢硫酸資源化系統(tǒng)的穩(wěn)健性（圖5）。結(jié)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(xiàng)環(huán)境影響類別的表現(xiàn)均優(yōu)于S1。經(jīng)濟(jì)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(jì)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(chǎn)過程投入在總成本中占比過高（ 64.87% ）有關(guān)。與此同時(shí)，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(jì)指標(biāo)影響程度大于S2系統(tǒng)。對S1系統(tǒng)進(jìn)行分析，EP，F(xiàn)AETP，GWP，HTP，MAETP，TETP的評(píng)估結(jié)果均值波動(dòng)率達(dá) 14.13% ＼～41.21% ，經(jīng)濟(jì)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(jì)指標(biāo)的均值變化率均小于 5% 。上述結(jié)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(jié)論

（1在確定性參數(shù)情景下，兩種廢硫酸資源化技術(shù)的環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)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(xiàng)環(huán)境影響類別的表現(xiàn)均差于S2。經(jīng)濟(jì)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(chǎn)過程實(shí)踐中的參數(shù)波動(dòng)情景，相較于鈦白粉行業(yè)的長流程、高能耗、多產(chǎn)品的工藝特點(diǎn)，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(jì)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(shù)路徑選擇仍需要因地制宜地考慮當(dāng)?shù)匾延械墓虖U資源化企業(yè)配套情況，進(jìn)行綜合決策

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