研究背景
金(Au)是一种具有高耐腐蚀性和优异的导电性和导热性的贵金属，广泛应用于电子、通信、航空航天、化工、医疗和其他高科技行业。金在现代微电子学中起着重要的作用。事实上，据估计，电子垃圾中的金含量比世界上主要金矿中的金含量高出80倍。与此同时，由于电子产品更新换代的步伐加快，到2030年，全球电子垃圾的数量将继续以平均每年4%的速度增长，达到7400万吨。因此，从电子垃圾中提取贵金属对资源回收和环境保护至关重要。
传统工业上使用氰化物和王水方法从电子废物中回收贵金属。这两种方法分别涉及有毒氰化物和强酸，容易对环境造成二次污染。非贵金属也可以溶解，这不仅消耗大量高污染试剂，而且还需要下游进一步分离纯化。最近的研究已将重点转向后续的分离和纯化，如吸附还原法、萃取法、离子交换法、电沉积法等方法。然而，由于后续需要分离，这些方法增加了成本，并且不能解决与在前期溶解过程中使用王水或氰化物相关的污染问题。因此，选择性溶出回收方法可以大大提高整体效率，减少溶剂损失，避免后续分离。
成果简介
世界各地报废电子产品的迅速积累对环境造成了灾难性的影响，因为这些原本有价值的资源中的大部分都被填埋了。电子废弃物含有大量的贵金属，以金(Au)为例，远远超过天然矿物中的贵金属。从电子垃圾中回收这些金属提供了一条潜在的可持续途径，但目前的回收途径还不能完成这项任务。
近日，上海师范大学卞振锋教授课题组报道了一种光催化过程，允许从不同形式的电子垃圾中选择性、高效和可大规模地提取金。溶解时间不超过12 h，进一步还原浸出液可得到纯度高达99.0%的金。在大规模的环境下，作者的系统可以处理10公斤的电子垃圾，并回收8.82克的金。通过将贵金属回收推进到更接近实际实施的水平，这项工作将有助于电子产品更可持续的未来。
这项工作以“Scalable and selective gold recovery from end-of-life electronics”为题发表在国际顶级期刊《Nature Chemical Engineering》上。祝贺！
图文导读
图2 光催化选择性溶解CPU板上的Au
在本文中，作者提出了一种利用光催化过程选择性溶解金的实用策略。作者的方法无需任何预处理，使用含有少量NaOH、TiO2光催化剂和阳光的乙腈水溶液，可以将不同形式的电子垃圾(如中央处理器(CPU)和记忆棒)中的Au 100%溶解。通过控制pH值(>7)，实现了对其他非贵金属超过99%的选择性浸出，形成了有利于Au的氧化环境。此外，作者已经扩大了回收过程，以处理10公斤的电子垃圾，产生高纯度的金金属(>99%)。这项工作为贵金属回收提供了一个潜在的可持续和低成本的选择。 作者首先分析了CPU中的元素组成，CPU包含多种金属，金位于外表面，镍分布在地下，其他金属(铜、锡、铁和锌)包裹在中心。作者用王水法测定了CPU中各种元素的含量，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%)。
随后，作者采用MeCN水溶液、氢氧化钠(NaOH)、TiO2光催化剂和光处理整个CPU的光催化工艺(图2a)。如图2b所示，反应12h后，肉眼观察引脚表面的金黄色完全消失;通过EDS测量，Ni占CPU引脚表面元素的99.7%(图2c)。浸出液中Au的含量与用电感耦合等离子体(ICP)测定的7.0 mg王水处理的结果一致，表明CPU上的Au完全溶解。 如图2d所示，该溶剂对CPU引脚中Au的浸出选择性高达99.00%，对Cu、Sn、Ni、Fe和Zn的浸出选择性分别为0.52%、0.12%、0.33%、0.00%和0.02%。金的高浸出选择性消除了下游分离过程;浓缩渗滤液所得产物直接还原得到金。回收金的X射线衍射(XRD)与金标准卡的x射线衍射(XRD)相对应。扫描电镜(SEM)元素分析图进一步显示，金的纯度高达99.0%(图2e)。这里需要强调的是，考虑到电子垃圾中铜的丰度，抑制铜等非贵金属的浸出具有重要意义。
图4 提出了在MeCN - H2O溶液中光催化回收Au的机理
图5 回收方法适用性更广，可大规模利用
此外，通用性是该技术大规模应用的现实前提。因此，作者随机选取了多种电子垃圾来验证溶出法的普遍性。照片和溶解数据表明，光催化MeCN-H2O体系可以对多种电子垃圾实现Au的选择性溶解，为该技术的大规模应用提供了实践基础(图5a-i)。然而，电子垃圾的间歇批处理不足以跟上电子设备报废处理的速度。为了提高回收金的生产效率和降低成本，作者扩大了采用半连续处理方法从电子废物中提纯和分离金的工艺。如图5j、k所示，该设备允许半连续反应，包括溶解反应单元、分离反应单元和结晶反应单元。作者使用该设备处理10 kg电子垃圾，渗滤液蒸发冷凝得到的溶剂可返回原料池循环利用，溶质可通过硼氢化钠溶液(NaBH4)还原，得到8.82 g高纯金。光催化溶解技术与设备的结合成功地实现了相对大规模的从电子垃圾中选择性回收金，凸显了该技术的工业应用潜力。
总结展望
综上所述，作者报告了从电子垃圾中回收贵金属的选择性和可持续战略。通过控制MeCN-H2O体系的pH值，作者在复杂成分的电子垃圾中实现了100%的Au溶解和高达99.0%的Au选择性。通过原位表征技术和理论计算证实，调节pH可促进˙OH生成更多的˙CN，使Au的溶解速率提高7倍。此外，pH值的调整导致非贵金属形成附着在其表面的氢氧化物膜，抑制了它们的浸出。特别是，溶剂和催化剂可以循环使用，无需后续分离过程。 鉴于此，作者设计了集溶解、过滤、溶剂回收于一体的生产设备，可处理10公斤的电子垃圾。与传统工艺相比，每处理1公斤电子垃圾可节省95.9%的溶剂成本和94.3%的用水量。此外，Biwer-Heinzle环境评价方法证明了该方法潜在的积极环境影响。这项工作为从电子垃圾中回收贵金属提供了一种具有潜在成本效益的方法，具有大规模应用的潜力，并促进了贵金属回收行业的可持续性。
文献信息
Scalable and selective gold recovery from end-of-life electronics. (Nat. Chem. Eng. 2024, DOI: 10.1038/s44286-023-00026-w)
