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研究背景

金(Au)是一種具有高耐腐蝕性和優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的貴金屬，廣泛應(yīng)用于電子、通信、航空航天、化工、醫(yī)療和其他高科技行業(yè)。金在現(xiàn)代微電子學(xué)中起著重要的作用。事實上，據(jù)估計，電子垃圾中的金含量比世界上主要金礦中的金含量高出80倍。與此同時，由于電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的步伐加快，到2030年，全球電子垃圾的數(shù)量將繼續(xù)以平均每年4%的速度增長，達到7400萬噸。因此，從電子垃圾中提取貴金屬對資源回收和環(huán)境保護至關(guān)重要。

傳統(tǒng)工業(yè)上使用氰化物和王水方法從電子廢物中回收貴金屬。這兩種方法分別涉及有毒氰化物和強酸，容易對環(huán)境造成二次污染。非貴金屬也可以溶解，這不僅消耗大量高污染試劑，而且還需要下游進一步分離純化。最近的研究已將重點轉(zhuǎn)向后續(xù)的分離和純化，如吸附還原法、萃取法、離子交換法、電沉積法等方法。然而，由于后續(xù)需要分離，這些方法增加了成本，并且不能解決與在前期溶解過程中使用王水或氰化物相關(guān)的污染問題。因此，選擇性溶出回收方法可以大大提高整體效率，減少溶劑損失，避免后續(xù)分離。

成果簡介

世界各地報廢電子產(chǎn)品的迅速積累對環(huán)境造成了災(zāi)難性的影響，因為這些原本有價值的資源中的大部分都被填埋了。電子廢棄物含有大量的貴金屬，以金(Au)為例，遠遠超過天然礦物中的貴金屬。從電子垃圾中回收這些金屬提供了一條潛在的可持續(xù)途徑，但目前的回收途徑還不能完成這項任務(wù)。近日，上海師范大學(xué)卞振鋒教授課題組報道了一種光催化過程，允許從不同形式的電子垃圾中選擇性、高效和可大規(guī)模地提取金。溶解時間不超過12 h，進一步還原浸出液可得到純度高達99.0%的金。在大規(guī)模的環(huán)境下，作者的系統(tǒng)可以處理10公斤的電子垃圾，并回收8.82克的金。通過將貴金屬回收推進到更接近實際實施的水平，這項工作將有助于電子產(chǎn)品更可持續(xù)的未來。這項工作以“Scalable and selective gold recovery from end-of-life electronics”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Chemical Engineering》上。祝賀！

一篇“含金量很高”的研究！上師大Nature子刊：電子垃圾中回收金，大規(guī)模應(yīng)用！

圖文導(dǎo)讀

圖1 CPU的元素分析

圖2 光催化選擇性溶解CPU板上的Au

在本文中，作者提出了一種利用光催化過程選擇性溶解金的實用策略。作者的方法無需任何預(yù)處理，使用含有少量NaOH、TiO₂光催化劑和陽光的乙腈水溶液，可以將不同形式的電子垃圾(如中央處理器(CPU)和記憶棒)中的Au 100%溶解。通過控制pH值(>7)，實現(xiàn)了對其他非貴金屬超過99%的選擇性浸出，形成了有利于Au的氧化環(huán)境。此外，作者已經(jīng)擴大了回收過程，以處理10公斤的電子垃圾，產(chǎn)生高純度的金金屬(>99%)。這項工作為貴金屬回收提供了一個潛在的可持續(xù)和低成本的選擇。

作者首先分析了CPU中的元素組成，CPU包含多種金屬，金位于外表面，鎳分布在地下，其他金屬(銅、錫、鐵和鋅)包裹在中心。作者用王水法測定了CPU中各種元素的含量，包括Au (0.4 wt%)、Cu (83.0 wt%)、Sn (8.4 wt%)、Ni (6.2 wt%)、Fe (1.7 wt%)和Zn (0.2 wt%)。隨后，作者采用MeCN水溶液、氫氧化鈉(NaOH)、TiO₂光催化劑和光處理整個CPU的光催化工藝(圖2a)。如圖2b所示，反應(yīng)12h后，肉眼觀察引腳表面的金黃色完全消失;通過EDS測量，Ni占CPU引腳表面元素的99.7%(圖2c)。浸出液中Au的含量與用電感耦合等離子體(ICP)測定的7.0 mg王水處理的結(jié)果一致，表明CPU上的Au完全溶解。

如圖2d所示，該溶劑對CPU引腳中Au的浸出選擇性高達99.00%，對Cu、Sn、Ni、Fe和Zn的浸出選擇性分別為0.52%、0.12%、0.33%、0.00%和0.02%。金的高浸出選擇性消除了下游分離過程;濃縮滲濾液所得產(chǎn)物直接還原得到金?；厥战鸬腦射線衍射(XRD)與金標(biāo)準(zhǔn)卡的x射線衍射(XRD)相對應(yīng)。掃描電鏡(SEM)元素分析圖進一步顯示，金的純度高達99.0%(圖2e)。這里需要強調(diào)的是，考慮到電子垃圾中銅的豐度，抑制銅等非貴金屬的浸出具有重要意義。

圖3 回收方法的選擇性

圖4 提出了在MeCN – H2O溶液中光催化回收Au的機理

圖5 回收方法適用性更廣，可大規(guī)模利用

此外，通用性是該技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的現(xiàn)實前提。因此，作者隨機選取了多種電子垃圾來驗證溶出法的普遍性。照片和溶解數(shù)據(jù)表明，光催化MeCN-H₂O體系可以對多種電子垃圾實現(xiàn)Au的選擇性溶解，為該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用提供了實踐基礎(chǔ)(圖5a-i)。然而，電子垃圾的間歇批處理不足以跟上電子設(shè)備報廢處理的速度。為了提高回收金的生產(chǎn)效率和降低成本，作者擴大了采用半連續(xù)處理方法從電子廢物中提純和分離金的工藝。如圖5j、k所示，該設(shè)備允許半連續(xù)反應(yīng)，包括溶解反應(yīng)單元、分離反應(yīng)單元和結(jié)晶反應(yīng)單元。作者使用該設(shè)備處理10 kg電子垃圾，滲濾液蒸發(fā)冷凝得到的溶劑可返回原料池循環(huán)利用，溶質(zhì)可通過硼氫化鈉溶液(NaBH₄)還原，得到8.82 g高純金。光催化溶解技術(shù)與設(shè)備的結(jié)合成功地實現(xiàn)了相對大規(guī)模的從電子垃圾中選擇性回收金，凸顯了該技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用潛力。

總結(jié)展望

綜上所述，作者報告了從電子垃圾中回收貴金屬的選擇性和可持續(xù)戰(zhàn)略。通過控制MeCN-H₂O體系的pH值，作者在復(fù)雜成分的電子垃圾中實現(xiàn)了100%的Au溶解和高達99.0%的Au選擇性。通過原位表征技術(shù)和理論計算證實，調(diào)節(jié)pH可促進˙OH生成更多的˙CN，使Au的溶解速率提高7倍。此外，pH值的調(diào)整導(dǎo)致非貴金屬形成附著在其表面的氫氧化物膜，抑制了它們的浸出。特別是，溶劑和催化劑可以循環(huán)使用，無需后續(xù)分離過程。

鑒于此，作者設(shè)計了集溶解、過濾、溶劑回收于一體的生產(chǎn)設(shè)備，可處理10公斤的電子垃圾。與傳統(tǒng)工藝相比，每處理1公斤電子垃圾可節(jié)省95.9%的溶劑成本和94.3%的用水量。此外，Biwer-Heinzle環(huán)境評價方法證明了該方法潛在的積極環(huán)境影響。這項工作為從電子垃圾中回收貴金屬提供了一種具有潛在成本效益的方法，具有大規(guī)模應(yīng)用的潛力，并促進了貴金屬回收行業(yè)的可持續(xù)性。

文獻信息

Scalable and selective gold recovery from end-of-life electronics. (Nat. Chem. Eng. 2024, DOI: 10.1038/s44286-023-00026-w.

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