Urban Mining by Flash Joule Heating

城市采矿：闪速焦耳加热回收电子废弃物中的贵金属

论文亮点

研究背景

• 全球每年产生超过4000万吨电子废弃物，是增长最快的固体废物组成部分，但仅有约20%被回收利用
• 电子废弃物含有丰富的有价金属，某些贵金属浓度甚至高于矿石，但现有回收方法（火法冶金、湿法冶金）存在工艺冗长、环境污染等问题
• 电子废弃物中的重金属（如Cr、As、Cd、Hg、Pb）如处理不当，会对环境和人体健康造成严重风险

研究方法

本研究采用闪速焦耳加热（FJH）技术从电子废弃物中回收贵金属，主要步骤如下：

1. 样品制备：将印刷电路板（PCB）粉碎成微米级粉末，与炭黑（CB）导电添加剂混合
2. 闪速焦耳加热：将样品置于石英管中，通过高压电容放电产生毫秒级超高温（约3400K）
3. 蒸发分离：利用金属与基底材料（碳、陶瓷、玻璃）的蒸气压差异实现金属分离
4. 金属收集：蒸发的金属蒸气在真空条件下传输并在冷阱中冷凝收集
5. 卤化物添加剂：使用NaF、NaCl、NaI等卤化物提高金属回收率
6. 分析表征：采用ICP-MS、XPS、STEM、EDS等技术分析回收金属的组成和形态

主要结论

• 闪速焦耳加热技术可在1秒内实现电子废弃物中贵金属的高效回收，Rh、Pd、Ag的回收率超过80%，Au的回收率超过60%
• 该方法能有效去除有毒重金属（Cd、Hg、As、Pb、Cr），去除效率超过80%，使最终残留物中的金属含量达到农业土壤安全标准
• 与传统冶炼方法相比，该技术的能耗降低80-500倍，且更加环保，具有大规模应用的潜力

图1：闪速焦耳加热回收贵金属

分析结果：图1展示了闪速焦耳加热技术的基本原理和效果。通过超高温加热（可达3400K），利用金属与基底材料的蒸气压差异实现分离。结果显示，Ag的回收率约为40%，而Rh、Pd和Au的回收率相对较低，约为3%。这主要是因为Ag具有较高的蒸气压和相对较低的沸点。

图2：卤化物辅助提高回收率

分析结果：图2展示了卤化物添加剂对提高贵金属回收率的效果。使用NaF和PTFE添加剂后，Rh和Pd的回收率分别提高至80%和70%，比无添加剂实验提高了约20倍。使用NaCl和KCl添加剂也提高了Rh、Pd和Ag的回收率。特别值得注意的是，使用NaI添加剂时，所有四种贵金属的回收率均得到提高，Au的回收率提高至60%以上。EDS分析显示，回收的金属形成了簇状合金颗粒，这可能是由于FJH过程的超快速加热和冷却所致。

图3：FJH提高浸出效率

分析结果：图3展示了FJH技术对提高贵金属浸出效率的作用。通过浸出FJH后的残留固体（PCB-Flash），Rh、Pd和Ag的回收率分别提高了4.17±0.48、2.90±0.31和56.0±18.1倍。经过FJH和煅烧处理后，所有四种贵金属的回收率均显著提高。研究还发现，适中的FJH电压（30-50V）和较高的周围压力有利于提高回收率，因为这有助于将挥发性组分保留在残留固体中。

图4：FJH去除重金属

分析结果：图4展示了FJH技术对电子废弃物中有毒重金属的去除效果。与贵金属相比，重金属（包括Cr、Pb、Cd、As和Hg）具有更高的蒸气压和更低的沸点。经过一次FJH处理后，残留固体中的重金属含量显著降低，Hg和Cd的去除效率超过80%，Pb和As的去除效率超过50%，Cr的去除效率超过35%。通过多次FJH反应，重金属浓度可进一步降低至世界卫生组织推荐的农业土壤安全限值以下。