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氣凝膠，從電子廢物中回收黃金！

氣凝膠，從電子廢物中回收黃金！(圖1)

一、研究背景

幾千年來，黃金一直處于社會發(fā)展的中心，起初是由于其貴金屬和惰性金屬特性，最近在人類歷史上，由于其在電子、催化、航空航天、電鍍、納米技術(shù)、醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)方面的技術(shù)應(yīng)用。黃金具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、延展性、反射率、生物相容性和穩(wěn)定性，因此是微電子行業(yè)不可或缺的組成部分，同時(shí)推動了綠色化學(xué)和燃料創(chuàng)新的進(jìn)步。作為一種由于技術(shù)發(fā)展而需求量大的不可再生資源，從城市固體廢物、廢棄電氣和電子設(shè)備（電子廢物）及工業(yè)廢水等廢物中回收黃金顯得格外重要。電子廢物是全球增長最快的固體廢物，預(yù)計(jì)2023年產(chǎn)量將達(dá)到6130萬噸。黃金是電子廢物中最有價(jià)值的成分之一，回收黃金可以獲得高利潤；然而，目前的黃金回收方法是資源密集型的，因此需要開發(fā)更有效的提取材料，以應(yīng)對從電子廢物中回收黃金的穩(wěn)步增長的需求。

二、研究內(nèi)容

近日，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Raffaele Mezzenga探索了從乳制品工業(yè)的副產(chǎn)物乳清中提取的蛋白淀粉納米纖維（AF），作為一種新型吸附劑從電子廢物中回收金。結(jié)果表明，AF氣凝膠具有顯著的金吸附能力（166.7mg/g）和選擇性，是一種高效的金回收吸附劑。此外，由于Au沿著（111）平面生長，AF氣凝膠是將金離子轉(zhuǎn)化為單晶薄片的有效模板。當(dāng)用作模板從電子廢物溶液（計(jì)算機(jī)主板溶解于合適溶劑）中回收金時(shí)，可得到21-22克拉（約90.8wt.%）的高純度金塊。該工藝的生命周期評估和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析最終鞏固了蛋白質(zhì)納米纖維氣凝膠的潛力，作為從電子廢物中回收黃金的一種環(huán)境友好且經(jīng)濟(jì)可行的方法。

相關(guān)研究工作以“Gold Recovery from E-Waste by Food-waste Amyloid Aerogels”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。

氣凝膠，從電子廢物中回收黃金！(圖4)

三、研究內(nèi)容

這項(xiàng)研究展示了如何將乳清（一種主要的乳制品工業(yè)副產(chǎn)物）處理為AF氣凝膠，用于從電子廢物中選擇性回收黃金（圖1）。對兩大垃圾來源（電子廢物和食物垃圾）可持續(xù)地進(jìn)行補(bǔ)救，減少了它們對環(huán)境的影響，并從循環(huán)經(jīng)濟(jì)原則中產(chǎn)生凈價(jià)值。

氣凝膠，從電子廢物中回收黃金！(圖6)

圖1. 從食物垃圾（乳清）和電子廢物中提取純金的路線示意圖

如圖2a所示，所得AF氣凝膠重量輕（密度為33.18mg·cm^-3，孔隙率為97%），具有優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性。圖2b顯示，用AF氣凝膠處理后，混合物的金濃度從950ppm降至130ppm，表明AF氣凝膠吸附了3320μg的金。此外，除黃金外，其他濃度僅略有變化。據(jù)觀察，氣凝膠對金的去除效率為93.3%，吸附能力為166.7mg/g。相反，對于Cu、Ni、Pb、Zn、Cr、Fe和Mn，去除效率分別為0、3.9、0、3.5、6.6、9和1.9%（圖2c）。對Cu、Ni、Pb、Zn、Cr、Fe和Mn的吸附量分別為0、2.3、0、0、19.4、10.3和0mg/g（圖2d）。這些結(jié)果是從極高濃度的重金屬溶液中被動吸附獲得的，證明了與其他金屬離子相比，AF氣凝膠對金離子具有優(yōu)異的選擇性。

通過Swillens和Motulsk方法繪制的吸附等溫線，呈現(xiàn)L曲線模式，隨著金濃度的增加，定位空位結(jié)合位點(diǎn)變得越來越具有挑戰(zhàn)性（圖2e）。飽和極限和結(jié)合常數(shù)分別測定為54.64mM和118.32M^-1。值得注意的是，AF氣凝膠對金的最大吸附能力從初始金濃度為1ppm時(shí)的0.12mg/g增加至100000ppm時(shí)的1887mg/g。在1000ppm時(shí)，金吸附量達(dá)到190mg/g，略高于相同濃度的混合金屬環(huán)境中的吸附能力。如圖2f所示，與AF氣凝膠接觸僅5min內(nèi)，金濃度下降了77%，相當(dāng)于143mg/g的吸附量，并在30min后達(dá)到平穩(wěn)。這種突然下降意味著金離子的快速傳質(zhì)，以及它們與AF氣凝膠的結(jié)合位點(diǎn)的迅速相互作用。圖2g表明，這種快速吸附過程遵循準(zhǔn)二級反應(yīng)，表明化學(xué)吸附是吸附反應(yīng)的主要機(jī)制。

氣凝膠，從電子廢物中回收黃金！(圖7)

圖2. AF氣凝膠除金性能

圖3a顯示，在低濃度金溶液（10ppm）處理過程中，AF氣凝膠表面形成金納米顆粒。當(dāng)金溶液的濃度增加至1000ppm時(shí)，AF氣凝膠不僅吸附了金，還將其還原為單晶形式（圖3b）。這得到了AF氣凝膠樣品的光學(xué)顯微鏡圖像（圖3c）的支持。圖3d中，SEM顯示AF氣凝膠內(nèi)表面上金微孔板的形成。微孔板保持各種尺寸的三角形和六邊形，但始終具有120°角對稱性。所產(chǎn)生金（納米顆粒和納米片）的大小和性質(zhì)的變化，可歸因于氨基酸的復(fù)雜相互作用，這影響了減少和上限效應(yīng)以及金的濃度。

圖3e中XRD顯示，2θ角位于38.2°、44.4°、64.6°和77.6°處存在四個不同的峰，對應(yīng)于元素金（Au⁰）金屬的面心立方（fcc）晶格結(jié)構(gòu)的（111）、（200）、（220）和（311）晶面的特征布拉格反射，證實(shí)了結(jié)晶金納米板的形成。使用Scherrer方程，確定平均晶粒尺寸為32nm。地形高度分析顯示，多邊形單晶看起來非常平坦，并保持在55nm左右的一致高度（圖3f）。圖3g-i顯示了金片層的STEM，AF促進(jìn)了金片的形成。HAADF圖像清楚地表明，整個TEM樣品中刻面顆粒的顯著多晶形態(tài)（圖3g）。圖3h顯示了圖3g中顆粒的Au-La和C-Ka信號的彩色疊加，并證實(shí)了非常規(guī)則形狀的多邊形是位于TEM支撐網(wǎng)格的網(wǎng)狀無定形碳箔上的Au片。從圖3i可以看出， SAD代表非常薄的薄片，具有片晶的非常特征，片晶的最突出的[111]面外晶體取向。

氣凝膠，從電子廢物中回收黃金！(圖8)

圖3. 使用AF氣凝膠形成的金納米粒子和晶體

如圖4所示，AF處理前溶液中的金濃度為1.44ppm，遠(yuǎn)低于銅（2711ppm）或鐵（5033ppm）等其他金屬。即使在這些條件下，AF氣凝膠也具有顯著的吸附能力，處理后溶液中的金含量降至0.48ppm（圖4a）。圖4b顯示，金濃度的降低等于66.8%的去除效率，而銅（第二大吸附金屬）的去除效率僅為15.6%，表明AF氣凝膠的高金選擇性。

氣凝膠，從電子廢物中回收黃金！(圖9)

圖4. AF氣凝膠處理和回收電子廢物溶液中金的性能

如圖5a所示，在吸附金離子后，對AF氣凝膠進(jìn)行熱處理，最終從該過程中回收質(zhì)量為0.5g的金塊。圖5b顯示，金塊主要包含金（90.8wt.%），銅和鎳分別包含10.9和0.018wt.%，剩余金屬的含量低于0.025wt.%。證明回收金塊的高純度，相當(dāng)于約21-22克拉。圖5b中，AF氣凝膠在金回收中的碳足跡約為87g CO₂eq.，而對于活性炭部署，該量達(dá)到116g CO₂eq.。與活性炭相比，使用AF氣凝膠作為金回收的吸附劑，淡水富營養(yǎng)化減少了71%，化石消耗減少了64%（圖5c和d）。如圖5e和g所示，AF氣凝膠對人類健康和資源的損害始終低于活性炭。然而，與活性炭相比，AF氣凝膠對生態(tài)系統(tǒng)的破壞更大（圖5f）。事實(shí)上，LCA分析表明，將蛋白質(zhì)類型從乳清改為豌豆和土豆蛋白質(zhì)，生態(tài)系統(tǒng)損害分別減少41%和53%，并且對生態(tài)系統(tǒng)的損害低于活性炭?？傊?，這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了AF氣凝膠在從電子廢物中回收黃金方面的經(jīng)濟(jì)可行性和環(huán)境優(yōu)勢。

氣凝膠，從電子廢物中回收黃金！(圖10)

圖5. AF氣凝膠從電子廢物中回收黃金的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和生命周期評價(jià)

四、結(jié)論與展望

這項(xiàng)研究展示了從食品側(cè)流（如乳清蛋白）中提取AF氣凝膠的成功應(yīng)用，作為一種高效和選擇性的吸附劑從電子廢物中回收金。與電子廢物中存在的其他金屬相比，AF氣凝膠表現(xiàn)出顯著的金吸附能力和選擇性，使其成為可持續(xù)黃金開采的有前景的材料。此外，AF氣凝膠能夠在吸附過程中將金離子轉(zhuǎn)化為金納米顆粒和元素晶體薄片。AF氣凝膠用于溶解計(jì)算機(jī)主板的電子廢物溶液中回收金，從而得到大約21-22克拉的高純度金塊。這些發(fā)現(xiàn)，以及該過程的生命周期評估和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，以現(xiàn)實(shí)的基準(zhǔn)運(yùn)行，證明了AF氣凝膠作為一種新的環(huán)境友好方法的潛力，以解決從電子廢物中回收黃金的日益增長的需求，有助于循環(huán)經(jīng)濟(jì)原則和可持續(xù)資源管理。

文獻(xiàn)鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202310642

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