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新时代下，“捡垃圾”变得越来越重要？

来源：科学10分钟时间：2022-01-11 19:24:09 浏览：2292次

引言

随着科学的进步与社会的发展，地球上每年都会产生大量的废弃物，对供应链和生态环境构成严重影响。

所谓垃圾污染是垃圾侵占土地、堵塞江湖、有碍卫生、影响景观、危害农作物的生长及人体健康的现象。垃圾污染分为工业废渣污染和生活垃圾污染两类。工业废渣是指工业生产、加工过程中产生的废弃物，主要包括煤矸石、粉煤灰、钢渣、高炉渣、赤泥、塑料和石油废渣等。生活垃圾主要是厨房垃圾、废塑料、废纸张、碎玻璃、金属制品等等。

研究表明，中国约有2/3的城市陷入垃圾围城的困境。中国仅“城市垃圾”的年产量就近1.5亿吨，这些城市垃圾绝大部分是露天堆放。它不仅影响城市景观，同时污染了与我们生命至关重要的大气、水和土壤，对城镇居民的健康构成威胁。垃圾已成为城市发展中的棘手问题，不仅造成公害，更是资源的巨大浪费。每年年产1.5亿吨的城市垃圾中，被丢弃的“可再生资源”价值高达250亿元！此外，当前大量未经分类就填埋或焚烧的垃圾，还会产生严重二次污染。

随着“节能减排”和“碳中和”概念的提出，人们逐渐意识到新时代背景下，垃圾回收再利用的重要性。在学术前沿，也涌现出越来越多关于“捡垃圾”的科研成果。

有鉴于此，笔者一览顶级学术期刊上近期关于“垃圾回收-再利用”的部分热点高水平文章，进行了汇总解读，希望籍此带领大家深入了解新时代背景下“捡垃圾”的重要性，并为创建绿色美好的地球环境而共同努力。

近期相关成果解读

01

Advanced Materials：一种可持续性的绿色循环方法用于处理废旧锂离子电池

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202103346

由于全球电子产品、电动汽车和可再生能源存储中电池的消耗量不断增加，废旧锂离子电池（LIBs）产生的电子垃圾正在迅速增加。一方面，垃圾填埋和焚烧LIBs电子废物会引起环境和安全问题。另一方面，用于制造LIBs的金属资源十分稀缺，回收这些金属资源所创造的潜在价值引发了人们对回收废旧LIBs的兴趣。然而，已有的涉及火法冶金和湿法冶金工艺的废锂离子电池的回收技术会产生相当大的环境问题。因此，废旧LIBs的绿色回收过程至关重要。

有鉴于此，南洋理工大学颜清宇教授团队^[^1]综述了近期基于绿色方法（包括生物浸出、废物交换和电沉积方法）的LIBs回收技术进展。作者认为，锂离子电池的回收包括几个预处理步骤，如分类、排放、拆除、粉碎、机械分离，然后是金属提取、金属回收和金属再利用。

此外，作者还探讨了稀有金属浸出后的再生方法，对浸出的材料进行有效的再加工，并将其用于新型锂离子电池电极材料。通过绿色可持续方法实现废锂离子电池的闭环回收，突出了“循环经济”的概念。

最后，作者指出采用绿色回收方法有望高效地回收废锂离子电池，然而很难断定哪个绿色回收过程是未来的理想选择，因为每种回收技术都有其自身的优点和缺点，需要进一步对绿色回收过程进行详细的经济、成本效益分析研究。这项工作为废旧锂离子的回收与再利用指明了道路。

图1 废旧锂离子电池预处理工艺流程

图2 典型的生物浸出工艺

02

Nature Sustainability：钙钛矿光伏组件回收策略的生命周期评估

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-021-00737-z

目前，光伏发电在世界范围内快速发展，光伏产业正逐渐成为全球电力市场的重要组成部分。其中，第三代光伏（PV）技术主要使用廉价、通用的材料来取代传统的活性材料，因此有望进一步降低成本、提高可扩展性，并提高太阳能电池部署的灵活性。

最近研究表明，环境热点材料和工艺，如贵金属和热蒸发，在钙钛矿太阳能电池（PSCs）制造中仍很受欢迎，因为它们便于在实验室中小规模制备。然而，这些材料和工艺可能会给大规模商业化带来技术或经济困难。当在PSCs模块的工业制造所用的材料或工艺步骤上不断创新时，回收利用可以成为节约能源和保护环境的有效途径。

生命周期评估（LCA）被广泛用于系统地评估特定产品在整个生命周期中的环境影响。研究表明，PSCs存在三种典型的报废情况：回收垃圾填埋和模块故障以及随后的意外释放。其中，垃圾填埋处理不当可能会导致材料和能源的严重浪费以及环境污染。

有鉴于此，美国康奈尔大学Fengqi You等人^[^2]通过对各种钙钛矿太阳能电池架构从出生到报废的生命周期进行评估，发现具有导电氧化物和高能耗加热过程的基板无法循环利用，极易产生环境污染废弃物。因此，作者将重点放在涉及这些材料的工艺上。

评估结果表明，循环利用策略可以使能源回收时间减少72.6%，温室气体排放因子减少71.2%。最佳的可回收模块结构可以表现出极短的能源回收时间（0.09年）和极低的温室气体排放因子。

最后，作者使用敏感性分析来强调延长器件寿命的重要性，并且量化了由不成熟的制造工艺、不断变化的操作条件和每个模块的个体差异引起的不确定性的影响。这项工作为商业规模钙钛矿光伏的持续发展提供了有效的指导。

图3 钙钛矿太阳能电池结构示意图

图4 基于不同技术的13种光伏组件的能源回收时间和温室气体排放因子比较

03

Nature Sustainability：光催化选择性回收贵金属

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-021-00697-4

贵金属（PMs）不仅具有良好的物理性能（如延性和导电性），而且具有较高的化学稳定性和较强的耐腐蚀性。2019年，全球共产生了5360万吨含PMs的电子垃圾，包括废弃的电脑、手机和家用电子设备等。一旦开发出一项合适的回收技术，这些废物就可以成为可持续资源的来源。遗憾的是，从矿石、催化剂和电子垃圾中挖掘和回收PMs仍然困难重重。

PMs的回收过程主要包括两个步骤：首先溶解PMs形成PM^x+溶液，然后将PM^x+从渗滤液中还原为PM⁰。工业上使用最广泛的溶解方法是王水和氰化法，但存在较大的环境危害性。鉴于王水和氰化物的毒性，硫脲、硫代硫酸盐和碘等无毒浸出剂已被开发用于溶解Au等，但对铂族PMs的浸出效果不佳，且反应过程往往复杂。

众所周知，光催化反应会产生一系列高活性的自由基，这些自由基可以与其他的物种发生反应。此外，光催化具有能耗低、操作简单、效率高、无危险排放等特点。光生空穴TiO₂足以将PM⁰氧化成PM^x+ 。因此，光催化氧化可能是解决环境和能源问题的关键技术选择，尽管目前尚没有关于使用这种绿色方法氧化和溶解PMs的报道。

有鉴于此，美国佐治亚理工学院的王中林等人^[^3]报道了一种利用乙腈（MeCN）和二氯甲烷（DCM）作为溶剂，从废弃电路板、废弃催化剂和矿石中选择性回收银、金、钯、铂、铑、钌和铱七种贵金属的光催化工艺。结果显示，该工艺对电子废弃物、废弃催化剂和矿石的浸出率均达到99%，回收金属纯度较高。且该方法简单、环保、可扩展，适用于各种含废弃PMs的废弃物。

图5 PMs的光催化溶解

图6 PMs离子的还原过程

04

Nature Catalysis：化学和生物催化用于塑料回收和再利用

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-021-00648-4

人类的日常生活离不开塑料。截至2015年，人类已制造了约83亿吨的塑料，它们可在垃圾填埋场中存续几个世纪到几百万年。此外，塑料向自然环境的泄漏已造成全球环境污染危机。据统计，全球每年约有480万至1270万吨塑料被排放到海洋中。鉴于这一迫在眉睫的环境危机，开发新的方法来实现塑料的回收和再利用已刻不容缓。

有鉴于此，美国国家可再生能源实验室的Bekham等人^[^4]回顾了化学和生物催化在塑料解构、回收和循环利用方面的挑战和机遇，强调了采用广泛可用的底物以及严格的表征对于横向对比催化剂性能的重要性。

鉴于生物质和塑料都是低价值、坚硬和难以降解的聚合物，作者将生物质催化转化和塑料催化回收进行了类比。为克服塑料解构在动力学和热力学上的限制，作者提出，人们需要在催化剂设计和反应工程方面进行不断创新。要么化学和生物催化剂必须在界面上发挥作用，要么聚合物需要溶解或加工成更小的中间体，以促进改善催化剂-底物之间的相互作用。

最后，作者总结开发催化剂驱动的塑料分解和升级回收技术对于促进塑料回收和减轻严重的全球塑料垃圾负担至关重要。作者认为，通过开发商业上可行的解决方案，加上基础催化研究和创新的集成系统，全球催化界无疑将在解决塑料废物问题方面发挥关键作用。

图7 催化特性流程图

图8 生物过程中聚合物的解构和升级转化

参考文献

[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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