Nano Today:Upcycling and urban mining for nanomaterial synthesis.pdf

一、亮点/创新点

本篇文献的亮点和创新点主要包括：

（1）提出了通过闪蒸焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH）技术，将塑料、橡胶等碳基废弃物高效转化为石墨烯等纳米材料的方法；

（2）探索了城市矿产（即从电子废物中回收金属）的新策略，利用FJH技术回收贵金属和稀土元素，同时去除有害重金属；

（3）这些方法不仅提高了材料的价值，而且减少了环境污染，展示了一种可持续的废物管理新模式。

此外，研究还涵盖了生命周期评估，证明了这些技术相比传统方法在能源消耗、水使用和排放减少方面的优势。

二、研究背景

本篇文献的研究背景主要包括以下几点：

（1）随着全球人口和生活标准的提高以及消费品生产成本的普遍下降，从塑料、电子产品、电池、太阳能电池、全氟化合物、飞灰、橡胶、汽车及家电等产生的固体废物，在填埋时会产生大量有害副产品。这些废物流富含有价值的金属或商品化学品。

（2）在美国，2018年有1.4亿吨固体废物被填埋，估计有6700万吨塑料被回收。回收过程因废物流的复杂性和污染，需要进行分类、拆解、清洗等耗时、耗力和资源密集的预处理步骤。废物由数十种不同的材料组成，以成本效益的方式分离和回收这些材料是困难的。

（3）相比之下，上行化（upcycling）则将废物流转化为比其原始形式更高价值的产品。城市矿产（urban mining）这一术语最早在1980年代的日本提出，用以描述从市政废物流中回收贵金属的过程，如汽车、家电、电子废物（e-waste）和电池。"城市矿产"通常指的是电子废物，特别是被填埋的电路板或电池，这一概念逐渐变得流行。尽管这些废物流含有高浓度的关键资源，但设备制造使得金属的解放复杂化，以至于它们不能有效分离。最近在纳米材料和纳米技术的研究中，人们专注于使用上行化和城市矿产来降低高价值产品的成本和环境负担。

三、研究方法

本篇文献的研究方法主要集中在闪蒸焦耳加热（FJH）技术的应用上，以及通过FJH技术实现的各种物质的高效转化和资源回收。以下是具体的研究方法概述：

（1）闪蒸焦耳加热（FJH）技术的应用：FJH技术通过在极短时间内将材料加热至极高温度，实现了从固态废物中高效回收贵金属和稀土元素的目的。该过程不仅能回收金属，还能去除有害重金属，同时将碳基废物转化为高价值的石墨烯等纳米材料。

（2）纳米材料的合成和上行化：通过FJH技术处理塑料、生物质或生物炭等，将其转化为石墨烯、碳纳米管、竹状碳纳米纤维或石墨等石墨质碳材料。这一过程突出了可扩展性、避免了对塑料的分类和溶剂的使用，降低了处理成本和外部成本。

（3）电子废物（e-waste）的上行化：将打印电路板等e-waste上行化以生产金、银、铜等金属氧化物及其他材料，应用于多种领域。此外，探索了其他富含金属的废物流，如钢铁制造的酸洗液和高炉渣、煤灰和太阳能电池电缆或电池废物的城市矿产和上行化。

（4）提高传统冶金和热冶金过程：通过加入先进的光催化技术或利用新的热力学反应来改善传统的湿法和热法冶金过程，以及通过光催化选择性回收贵金属。

（5）废物前处理和优化：讨论了导电添加剂与非导电原料（如塑料）的混合可能会增加成本。为优化过程和提高金属回收率或产生的纳米材料质量，一些前处理步骤，如研磨或粉碎原料，被认为是重要的。

这些方法综合体现了将废物转化为价值更高产品的概念，不仅提高了材料的价值，同时也为减少环境污染提供了新的解决方案。

四、研究结果和主要结论

本篇文献的研究结果和主要结论包括：

（1）通过闪蒸焦耳加热（FJH）技术成功地将塑料、橡胶等碳基废物转化为高价值的石墨烯和其他纳米材料，同时实现了贵金属和稀土元素的回收，以及有害重金属的去除。

（2）FJH技术被证明是一种高效、可扩展的方法，能够在极短的时间内通过大电流放电达到高温，从而转化无定形碳为高质量的石墨烯。这一过程无需使用溶剂、催化剂或惰性气体。

（3）研究发现，使用FJH技术进行城市矿产和上行化可以显著降低环境影响，与传统的石墨烯生产方法相比，FJH技术能够减少高达88%的能源消耗，97%的水使用，并减少85%的排放。

（4） FJH技术的应用不仅限于纳米材料的合成，还包括对电子废物（如废弃的印刷电路板）中的金属进行回收，通过高温快速加热和冷却过程，使得宝贵金属蒸发并通过冷凝回收，同时去除电子废物中的有害重金属。

（5）对于稀土元素的回收，FJH技术提供了一种提高从废弃物中提取稀土元素可行性的激活策略，通过FJH处理后的废弃物中稀土元素的酸性浸出性显著提高。

（6）该文献指出，虽然FJH技术在合成、上行化、净化和城市矿产方面极为高效，但仍存在一些挑战和需要解决的问题，包括成本、原料的粒径对产品质量的影响以及技术的进一步优化和规模化应用。

本篇文献强调了FJH技术在实现废物管理和资源回收方面的巨大潜力，同时也指出了未来研究中需要关注的关键考虑点，包括过程的可扩展性、简易性、可复制性、成本，以及生命周期评估和技术经济分析的重要性，以推动该领域的进一步发展。

五、后续研究改进

针对本篇文献，后续研究改进可以聚焦于以下几个方面：

（1）过程的可扩展性、简便性、可复制性和整体成本：这些是直接影响到最终实施可能性的关键因素。使用真实的废物流，而非实验室合成的替代品，可以揭示在实施过程中可能遇到的未预见到的复杂性。例如，商业获取的塑料热解灰可能含有重金属，这会影响过程优化和经济可行性。

（2）生命周期评估和技术经济分析：这些工具对于计算与材料回收或生产过程相关的负担（如能源和水使用或温室气体排放）非常有用。新过程或提议过程的负担应与当前方法进行比较，以识别需要进一步优化的步骤，并为规模化考虑提供信息。同样，上行化和城市矿产的产品应与当前方法和商业产品进行比较，以评估质量标准。可能的话，应展示上行化产品的应用，以显示过程的价值和产品的质量。

（3）公共政策和资助：专注于简单和可扩展的上行化和城市矿产的公共政策和资助，针对真实的废物流，可以进一步促进该领域的发展。研究人员与产生废物的收集和处理行业之间的合作和沟通可以加快新兴废物流的回收，并提高对当前方法、挑战和机会的理解。

（4）电子产品、电池、汽车等产品的设计和组装计划：应聚焦于改善产品的生命周期末端可处理性，以便于回收、上行化和城市矿产，或使用更少的材料可以降低资源回收过程的门槛。例如，锂离子电池组件的分离是回收努力的瓶颈，由于不同的袋式或圆柱式构造而变得复杂。电池组件应设计得易于拆卸。

这些改进方向不仅能够提升现有技术的效率和可行性，还能够拓展其应用范围，同时减少对环境的负面影响，促进可持续发展和资源回收的未来。