Nat Commun:Urban mining by flash Joule heating.pdf

一、亮点/创新点

本篇文献的创新点在于提出了一种快速、环保的城市矿产回收新方法——闪蒸焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH），用于从电子废物中回收贵重金属和移除有害重金属。这一方法具备多个亮点：

（1）快速高效：利用超快电热过程，在毫秒级时间内使样品温度达到约3400 K，实现了贵重金属的快速蒸发分离，整个过程在一秒内完成。

（2）高回收率：通过蒸发分离过程，能够实现对铑（Rh）、钯（Pd）、银（Ag）的回收率超过80%，金（Au）的回收率超过60%。

（3）环保：与传统冶炼炉相比，该方法的能耗降低了80至500倍，更加环保，且能有效移除包括铬（Cr）、砷（As）、镉（Cd）、汞（Hg）和铅（Pb）在内的有毒重金属，使最终废物的金属含量达到可接受的农业土壤水平。

（4）创新性使用卤素辅助剂：通过添加卤素化合物作为辅助剂，进一步提高了贵重金属的回收率，并通过化学分析证明了其在回收过程中的有效性和重用潜力。

综上所述，这项研究不仅提高了城市矿产回收的效率和环境友好性，还为电子废物处理和资源回收提供了一种新的技术路径。

二、研究背景

本篇文献的研究背景可以分为以下几个方面：

（1）电子废物（e-waste）的全球产量：每年全球产生超过4000万吨的电子废物，其中只有约20%被回收利用，剩余的大部分被填埋，这不仅造成资源浪费，还可能对环境产生负面影响。

（2）电子废物中的有价金属：电子废物中含有丰富的有价金属，如金（Au）、银（Ag）、铑（Rh）和钯（Pd）等，这些金属的浓度甚至高于矿石中的含量，因此从电子废物中回收这些金属对于循环经济至关重要。

（3）传统回收方法的问题：目前用于城市矿产回收的主要方法包括熔炼和浸出，这些方法不仅耗时长，而且对环境有负面影响。熔炼法能耗高且缺乏选择性，而浸出法虽然选择性更强，但动力学过程缓慢，且使用的浸出剂浓度高，不适合大规模应用，还可能产生二次污染。

（4）金属蒸汽压差异的利用：研究表明，不同金属与基底材料（如碳、陶瓷和玻璃）之间存在蒸汽压差异，利用这一差异可以实现金属与电子废物中其他物质的分离。通过快速焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH）过程在真空下快速加热，可以利用金属的高蒸汽压实现其从电子废物中的分离。

（5）提高回收效率的新方法：文献中提出了一种利用快速焦耳加热的新方法，不仅能在一秒钟内从电子废物中回收贵重金属并去除有害重金属，而且相比传统熔炼方法能耗低80至500倍，更加环保。

这些背景信息展示了电子废物回收领域的现状、存在的问题以及本研究提出的创新解决方案的意义和潜力。

三、研究方法

本篇文献采用的研究方法主要包括以下几个步骤：

（1）材料准备：使用碳黑（Cabot Black Pearls 2000）作为导电添加剂，从废弃计算机中获取的印刷电路板（PCB）废料被切割成小块，然后用锤式研磨机（Dade DF-15）研磨成微粒。作为添加剂的盐包括NaCl、NaF和NaI。贵重金属氯化物（如RhCl3、PdCl2、AgCl和AuCl3）用于实验。

（2）快速焦耳加热（FJH）实验：实验中将碳黑、PCB粉末和添加剂通过球磨混合。混合物装入内径8mm、外径12mm的石英管中，一端使用铜丝作为多孔电极，另一端使用石墨棒作为电极。石英管通过O型圈密封，并连接到FJH系统。使用一个容量约40mL的容器作为冷阱，该容器能够承受负压（～10Pa）。通过机械泵将容器抽成真空，然后将冷阱浸入液氮。通过直流电源为一个总电容为60mF的电容器组充电，然后通过继电器控制放电时间，从而使样品快速升温。

（3）样品消化和ICP-MS测量：使用稀释的王水方法消化样品，然后通过ICP-MS（电感耦合等离子体质谱）系统测量。消化后的样品被浸泡在HNO3/HCl（各1M）溶液中，于45℃下处理24小时，之后过滤以去除未溶解的颗粒。最后，溶液被稀释到适当的浓度范围。

（4）结果分析：使用扫描透射电子显微镜（STEM）和能量色散光谱（EDS）对冷凝固体的形态和化学组成进行表征。X射线光电子能谱（XPS）用于分析收集到的挥发物的化学状态。

（5）FJH反应的压力和大气条件：对FJH反应在不同压力和大气条件下的影响进行了研究，发现适中的FJH电压（30至50V）能够获得最佳的回收率。较低的电压无法提供足够的能量来热分解基质，而过高的电压可能导致挥发性损失。

通过上述方法，研究团队成功从电子废物中高效回收贵重金属，并通过实验改进了回收效率，展示了FJH技术在城市矿产回收方面的潜力和效率。

四、研究结果和主要结论

本篇文献的研究结果和主要结论如下：

（1）贵重金属的高效回收：通过快速焦耳加热（FJH）过程，实现了从电子废物中贵重金属的高效回收，包括铑（Rh）、钯（Pd）、银（Ag）和金（Au）。利用卤素添加剂可显著提高回收率，其中碘化钠（NaI）作为添加剂时对金（Au）的回收效果最佳，将Au的回收率提高到超过60%。

（2）重金属的有效去除：除了贵重金属的回收外，该方法还能有效去除有害的重金属，如镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铅（Pb）和铬（Cr），大幅降低了这些重金属在剩余固体中的浓度，其中Hg和Cd的去除效率超过80%，Pb和As超过50%，Cr超过35%。多次FJH处理能进一步降低重金属浓度至安全限值以下。

（3）环境影响与经济效益：FJH过程因其超快的加热/冷却速率、直接加热样品的特点以及较短的反应时间，与传统的冶炼炉相比，具有显著的能耗低和成本效益高的优点。FJH方法的能耗约为939 kWh/吨，大约是实验室规模管式炉的1/500，工业规模Kaldo炉的1/80，显示出其在电子废物处理上相对传统热冶金过程的优势。

（4）可扩展性：通过理论分析揭示的比例规则，可以通过增加FJH电压和/或电容器组的电容来扩大样品质量，研究实验室已实现每日>10 kg的生产率，进一步的商业规模扩展正在进行中。这表明FJH过程在电子废物回收领域的应用具有可扩展性和实用性。

综上所述，本研究通过快速焦耳加热（FJH）技术成功实现了从电子废物中高效回收贵重金属和有效去除有害重金属的目标，展示了该技术在环境友好、成本效益和可扩展性方面的显著优势，为未来的电子废物回收提供了一种新的解决方案。

五、后续研究改进

根据研究结果和讨论部分，推测一些可能的后续研究方向：

（1）提高回收率和选择性：尽管快速焦耳加热（FJH）过程已经显示出在回收贵重金属和去除有毒重金属方面的高效性，但仍有可能进一步提高特定金属的回收率和过程的选择性。特别是对于金（Au）的回收率，研究表明通过使用特定的化学添加剂（如NaI）可以显著提高回收效率。后续研究可以探索更多的添加剂或调整现有添加剂的比例以优化回收率。

（2）降低能耗和成本：虽然FJH方法与传统的金属回收方法相比已大幅降低了能耗，但进一步降低操作成本仍是后续研究的一个潜在方向。这可能包括优化设备设计、提高能量利用效率或开发更经济的材料处理策略。

（3）扩大应用范围：当前的研究主要集中在电子废物上，后续研究可以探索将FJH技术应用于更广泛的废物流，如汽车报废零件或工业金属废料，以及不同类型的电子废物。

（4）提高金属纯度和质量：回收过程中获得的金属纯度和质量对于其再利用价值至关重要。后续研究可以聚焦于提高回收金属的纯度，包括开发后处理步骤以去除残留杂质。

（5）环境影响评估：进一步评估FJH技术对环境的长期影响，包括潜在的二次污染问题和整个生命周期内的环境足迹。这可能包括开发更环保的化学添加剂或改进过程以减少任何负面环境影响。

（6）商业化和规模化生产：虽然文献中提到了FJH过程的可扩展性和已经实现的生产率，但将这一技术从实验室规模转化到商业化生产仍需要克服诸多挑战，包括设备设计、过程控制、成本效益分析和市场接受度等。

这些潜在的改进方向和研究领域不仅可以进一步提升FJH技术的性能和应用范围，也有助于推动电子废物回收和资源循环利用领域的发展。