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新時代下，“撿垃圾”變得越來越重要？

來源：科學10分鐘時間：2022-01-11 19:24:09 瀏覽：3721次

引言

隨著科學的進步與社會的發(fā)展，地球上每年都會產生大量的廢棄物，對供應鏈和生態(tài)環(huán)境構成嚴重影響。

所謂垃圾污染是垃圾侵占土地、堵塞江湖、有礙衛(wèi)生、影響景觀、危害農作物的生長及人體健康的現(xiàn)象。垃圾污染分為工業(yè)廢渣污染和生活垃圾污染兩類。工業(yè)廢渣是指工業(yè)生產、加工過程中產生的廢棄物，主要包括煤矸石、粉煤灰、鋼渣、高爐渣、赤泥、塑料和石油廢渣等。生活垃圾主要是廚房垃圾、廢塑料、廢紙張、碎玻璃、金屬制品等等。

研究表明，中國約有2/3的城市陷入垃圾圍城的困境。中國僅“城市垃圾”的年產量就近1.5億噸，這些城市垃圾絕大部分是露天堆放。它不僅影響城市景觀，同時污染了與我們生命至關重要的大氣、水和土壤，對城鎮(zhèn)居民的健康構成威脅。垃圾已成為城市發(fā)展中的棘手問題，不僅造成公害，更是資源的巨大浪費。每年年產1.5億噸的城市垃圾中，被丟棄的“可再生資源”價值高達250億元！此外，當前大量未經(jīng)分類就填埋或焚燒的垃圾，還會產生嚴重二次污染。

隨著“節(jié)能減排”和“碳中和”概念的提出，人們逐漸意識到新時代背景下，垃圾回收再利用的重要性。在學術前沿，也涌現(xiàn)出越來越多關于“撿垃圾”的科研成果。

有鑒于此，筆者一覽頂級學術期刊上近期關于“垃圾回收-再利用”的部分熱點高水平文章，進行了匯總解讀，希望籍此帶領大家深入了解新時代背景下“撿垃圾”的重要性，并為創(chuàng)建綠色美好的地球環(huán)境而共同努力。

近期相關成果解讀

01

Advanced Materials：一種可持續(xù)性的綠色循環(huán)方法用于處理廢舊鋰離子電池

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202103346

由于全球電子產品、電動汽車和可再生能源存儲中電池的消耗量不斷增加，廢舊鋰離子電池（LIBs）產生的電子垃圾正在迅速增加。一方面，垃圾填埋和焚燒LIBs電子廢物會引起環(huán)境和安全問題。另一方面，用于制造LIBs的金屬資源十分稀缺，回收這些金屬資源所創(chuàng)造的潛在價值引發(fā)了人們對回收廢舊LIBs的興趣。然而，已有的涉及火法冶金和濕法冶金工藝的廢鋰離子電池的回收技術會產生相當大的環(huán)境問題。因此，廢舊LIBs的綠色回收過程至關重要。

有鑒于此，南洋理工大學顏清宇教授團隊^[^1]綜述了近期基于綠色方法（包括生物浸出、廢物交換和電沉積方法）的LIBs回收技術進展。作者認為，鋰離子電池的回收包括幾個預處理步驟，如分類、排放、拆除、粉碎、機械分離，然后是金屬提取、金屬回收和金屬再利用。

此外，作者還探討了稀有金屬浸出后的再生方法，對浸出的材料進行有效的再加工，并將其用于新型鋰離子電池電極材料。通過綠色可持續(xù)方法實現(xiàn)廢鋰離子電池的閉環(huán)回收，突出了“循環(huán)經(jīng)濟”的概念。

最后，作者指出采用綠色回收方法有望高效地回收廢鋰離子電池，然而很難斷定哪個綠色回收過程是未來的理想選擇，因為每種回收技術都有其自身的優(yōu)點和缺點，需要進一步對綠色回收過程進行詳細的經(jīng)濟、成本效益分析研究。這項工作為廢舊鋰離子的回收與再利用指明了道路。

圖1 廢舊鋰離子電池預處理工藝流程

圖2 典型的生物浸出工藝

02

Nature Sustainability：鈣鈦礦光伏組件回收策略的生命周期評估

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41893-021-00737-z

目前，光伏發(fā)電在世界范圍內快速發(fā)展，光伏產業(yè)正逐漸成為全球電力市場的重要組成部分。其中，第三代光伏（PV）技術主要使用廉價、通用的材料來取代傳統(tǒng)的活性材料，因此有望進一步降低成本、提高可擴展性，并提高太陽能電池部署的靈活性。

最近研究表明，環(huán)境熱點材料和工藝，如貴金屬和熱蒸發(fā)，在鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）制造中仍很受歡迎，因為它們便于在實驗室中小規(guī)模制備。然而，這些材料和工藝可能會給大規(guī)模商業(yè)化帶來技術或經(jīng)濟困難。當在PSCs模塊的工業(yè)制造所用的材料或工藝步驟上不斷創(chuàng)新時，回收利用可以成為節(jié)約能源和保護環(huán)境的有效途徑。

生命周期評估（LCA）被廣泛用于系統(tǒng)地評估特定產品在整個生命周期中的環(huán)境影響。研究表明，PSCs存在三種典型的報廢情況：回收垃圾填埋和模塊故障以及隨后的意外釋放。其中，垃圾填埋處理不當可能會導致材料和能源的嚴重浪費以及環(huán)境污染。

有鑒于此，美國康奈爾大學Fengqi You等人^[^2]通過對各種鈣鈦礦太陽能電池架構從出生到報廢的生命周期進行評估，發(fā)現(xiàn)具有導電氧化物和高能耗加熱過程的基板無法循環(huán)利用，極易產生環(huán)境污染廢棄物。因此，作者將重點放在涉及這些材料的工藝上。

評估結果表明，循環(huán)利用策略可以使能源回收時間減少72.6%，溫室氣體排放因子減少71.2%。最佳的可回收模塊結構可以表現(xiàn)出極短的能源回收時間（0.09年）和極低的溫室氣體排放因子。

最后，作者使用敏感性分析來強調延長器件壽命的重要性，并且量化了由不成熟的制造工藝、不斷變化的操作條件和每個模塊的個體差異引起的不確定性的影響。這項工作為商業(yè)規(guī)模鈣鈦礦光伏的持續(xù)發(fā)展提供了有效的指導。

圖3 鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖

圖4 基于不同技術的13種光伏組件的能源回收時間和溫室氣體排放因子比較

03

Nature Sustainability：光催化選擇性回收貴金屬

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41893-021-00697-4

貴金屬（PMs）不僅具有良好的物理性能（如延性和導電性），而且具有較高的化學穩(wěn)定性和較強的耐腐蝕性。2019年，全球共產生了5360萬噸含PMs的電子垃圾，包括廢棄的電腦、手機和家用電子設備等。一旦開發(fā)出一項合適的回收技術，這些廢物就可以成為可持續(xù)資源的來源。遺憾的是，從礦石、催化劑和電子垃圾中挖掘和回收PMs仍然困難重重。

PMs的回收過程主要包括兩個步驟：首先溶解PMs形成PM^x+溶液，然后將PM^x+從滲濾液中還原為PM⁰。工業(yè)上使用最廣泛的溶解方法是王水和氰化法，但存在較大的環(huán)境危害性。鑒于王水和氰化物的毒性，硫脲、硫代硫酸鹽和碘等無毒浸出劑已被開發(fā)用于溶解Au等，但對鉑族PMs的浸出效果不佳，且反應過程往往復雜。

眾所周知，光催化反應會產生一系列高活性的自由基，這些自由基可以與其他的物種發(fā)生反應。此外，光催化具有能耗低、操作簡單、效率高、無危險排放等特點。光生空穴TiO₂足以將PM⁰氧化成PM^x+ 。因此，光催化氧化可能是解決環(huán)境和能源問題的關鍵技術選擇，盡管目前尚沒有關于使用這種綠色方法氧化和溶解PMs的報道。

有鑒于此，美國佐治亞理工學院的王中林等人^[^3]報道了一種利用乙腈（MeCN）和二氯甲烷（DCM）作為溶劑，從廢棄電路板、廢棄催化劑和礦石中選擇性回收銀、金、鈀、鉑、銠、釕和銥七種貴金屬的光催化工藝。結果顯示，該工藝對電子廢棄物、廢棄催化劑和礦石的浸出率均達到99%，回收金屬純度較高。且該方法簡單、環(huán)保、可擴展，適用于各種含廢棄PMs的廢棄物。

圖5 PMs的光催化溶解

圖6 PMs離子的還原過程

04

Nature Catalysis：化學和生物催化用于塑料回收和再利用

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41929-021-00648-4

人類的日常生活離不開塑料。截至2015年，人類已制造了約83億噸的塑料，它們可在垃圾填埋場中存續(xù)幾個世紀到幾百萬年。此外，塑料向自然環(huán)境的泄漏已造成全球環(huán)境污染危機。據(jù)統(tǒng)計，全球每年約有480萬至1270萬噸塑料被排放到海洋中。鑒于這一迫在眉睫的環(huán)境危機，開發(fā)新的方法來實現(xiàn)塑料的回收和再利用已刻不容緩。

有鑒于此，美國國家可再生能源實驗室的Bekham等人^[^4]回顧了化學和生物催化在塑料解構、回收和循環(huán)利用方面的挑戰(zhàn)和機遇，強調了采用廣泛可用的底物以及嚴格的表征對于橫向對比催化劑性能的重要性。

鑒于生物質和塑料都是低價值、堅硬和難以降解的聚合物，作者將生物質催化轉化和塑料催化回收進行了類比。為克服塑料解構在動力學和熱力學上的限制，作者提出，人們需要在催化劑設計和反應工程方面進行不斷創(chuàng)新。要么化學和生物催化劑必須在界面上發(fā)揮作用，要么聚合物需要溶解或加工成更小的中間體，以促進改善催化劑-底物之間的相互作用。

最后，作者總結開發(fā)催化劑驅動的塑料分解和升級回收技術對于促進塑料回收和減輕嚴重的全球塑料垃圾負擔至關重要。作者認為，通過開發(fā)商業(yè)上可行的解決方案，加上基礎催化研究和創(chuàng)新的集成系統(tǒng)，全球催化界無疑將在解決塑料廢物問題方面發(fā)揮關鍵作用。

圖7 催化特性流程圖

圖8 生物過程中聚合物的解構和升級轉化

參考文獻

[1] Joseph Jegan Roy, Saptak Rarotra, Vida Krikstolaityte, et al. Green Recycling Methods to Treat Lithium-Ion Batteries E-Waste: A Circular Approach to Sustainability. Adv. Mater. 2021, 2103346. DOI: 10.1002/adma.202103346.

[2] Tian, X., Stranks, S.D. & You, F. et al. Life cycle assessment of recycling strategies for perovskite photovoltaic modules. Nat Sustain. 2021, 4, 821–829. DOI: 10.1038/s41893-021-00737-z.

[3] Chen, Y., Xu, M., Wen, J. et al. Selective recovery of precious metals through photocatalysis. Nat Sustain. 2021, 4, 618–626. DOI: 10.1038/s41893-021-00697-4.

[4] Ellis, L.D., Rorrer, N.A., Sullivan, K.P. et al. Chemical and biological catalysis for plastics recycling and upcycling. Nat Catal. 2021, 4, 539–556. DOI: 10.1038/s41929-021-00648-4.

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