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新時(shí)代下，“撿垃圾”變得越來越重要？

來源：科學(xué)10分鐘時(shí)間：2022-01-11 19:24:09 瀏覽：2621次

引言

隨著科學(xué)的進(jìn)步與社會(huì)的發(fā)展，地球上每年都會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物，對(duì)供應(yīng)鏈和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)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(nóng)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(chǎn)、加工過程中產(chǎn)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(chǎn)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(shí)污染了與我們生命至關(guān)重要的大氣、水和土壤，對(duì)城鎮(zhèn)居民的健康構(gòu)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(fèi)。每年年產(chǎn)1.5億噸的城市垃圾中，被丟棄的“可再生資源”價(jià)值高達(dá)250億元！此外，當(dāng)前大量未經(jīng)分類就填埋或焚燒的垃圾，還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)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(shí)到新時(shí)代背景下，垃圾回收再利用的重要性。在學(xué)術(shù)前沿，也涌現(xiàn)出越來越多關(guān)于“撿垃圾”的科研成果。

有鑒于此，筆者一覽頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊上近期關(guān)于“垃圾回收-再利用”的部分熱點(diǎn)高水平文章，進(jìn)行了匯總解讀，希望籍此帶領(lǐng)大家深入了解新時(shí)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(guān)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(chǎn)品、電動(dòng)汽車和可再生能源存儲(chǔ)中電池的消耗量不斷增加，廢舊鋰離子電池（LIBs）產(chǎn)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(huì)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(jià)值引發(fā)了人們對(duì)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(shù)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的環(huán)境問題。因此，廢舊LIBs的綠色回收過程至關(guān)重要。

有鑒于此，南洋理工大學(xué)顏清宇教授團(tuán)隊(duì)^[^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(shù)進(jìn)展。作者認(rèn)為，鋰離子電池的回收包括幾個(gè)預(yù)處理步驟，如分類、排放、拆除、粉碎、機(jī)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(duì)浸出的材料進(jìn)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(shí)現(xiàn)廢鋰離子電池的閉環(huán)回收，突出了“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”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(gè)綠色回收過程是未來的理想選擇，因?yàn)槊糠N回收技術(shù)都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，需要進(jìn)一步對(duì)綠色回收過程進(jìn)行詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)、成本效益分析研究。這項(xiàng)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(yù)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(píng)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(nèi)快速發(fā)展，光伏產(chǎn)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(shù)主要使用廉價(jià)、通用的材料來取代傳統(tǒng)的活性材料，因此有望進(jìn)一步降低成本、提高可擴(kuò)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(diǎn)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?yàn)樗鼈儽阌谠趯?shí)驗(yàn)室中小規(guī)模制備。然而，這些材料和工藝可能會(huì)給大規(guī)模商業(yè)化帶來技術(shù)或經(jīng)濟(jì)困難。當(dāng)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(shí)，回收利用可以成為節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的有效途徑。

生命周期評(píng)估（LCA）被廣泛用于系統(tǒng)地評(píng)估特定產(chǎn)品在整個(gè)生命周期中的環(huán)境影響。研究表明，PSCs存在三種典型的報(bào)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(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致材料和能源的嚴(yán)重浪費(fèi)以及環(huán)境污染。

有鑒于此，美國康奈爾大學(xué)Fengqi You等人^[^2]通過對(duì)各種鈣鈦礦太陽能電池架構(gòu)從出生到報(bào)廢的生命周期進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)具有導(dǎo)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(chǎn)生環(huán)境污染廢棄物。因此，作者將重點(diǎn)放在涉及這些材料的工藝上。

評(píng)估結(jié)果表明，循環(huán)利用策略可以使能源回收時(shí)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(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)出極短的能源回收時(shí)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(qiáng)調(diào)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(gè)模塊的個(gè)體差異引起的不確定性的影響。這項(xiàng)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(dǎo)。

圖3 鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 基于不同技術(shù)的13種光伏組件的能源回收時(shí)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(dǎo)電性），而且具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和較強(qiáng)的耐腐蝕性。2019年，全球共產(chǎn)生了5360萬噸含PMs的電子垃圾，包括廢棄的電腦、手機(jī)和家用電子設(shè)備等。一旦開發(fā)出一項(xiàng)合適的回收技術(shù)，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(gè)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(duì)鉑族PMs的浸出效果不佳，且反應(yīng)過程往往復(fù)雜。

眾所周知，光催化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)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(yīng)。此外，光催化具有能耗低、操作簡單、效率高、無危險(xiǎn)排放等特點(diǎn)。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(guān)鍵技術(shù)選擇，盡管目前尚沒有關(guān)于使用這種綠色方法氧化和溶解PMs的報(bào)道。

有鑒于此，美國佐治亞理工學(xué)院的王中林等人^[^3]報(bào)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(jié)果顯示，該工藝對(duì)電子廢棄物、廢棄催化劑和礦石的浸出率均達(dá)到99%，回收金屬純度較高。且該方法簡單、環(huán)保、可擴(kuò)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(xué)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(gè)世紀(jì)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(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(jī)，開發(fā)新的方法來實(shí)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(shí)驗(yàn)室的Bekham等人^[^4]回顧了化學(xué)和生物催化在塑料解構(gòu)、回收和循環(huán)利用方面的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，強(qiáng)調(diào)了采用廣泛可用的底物以及嚴(yán)格的表征對(duì)于橫向?qū)Ρ却呋瘎┬阅艿闹匾浴?/span>

鑒于生物質(zhì)和塑料都是低價(jià)值、堅(jiān)硬和難以降解的聚合物，作者將生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化和塑料催化回收進(jìn)行了類比。為克服塑料解構(gòu)在動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)上的限制，作者提出，人們需要在催化劑設(shè)計(jì)和反應(yīng)工程方面進(jìn)行不斷創(chuàng)新。要么化學(xué)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(jìn)改善催化劑-底物之間的相互作用。

最后，作者總結(jié)開發(fā)催化劑驅(qū)動(dòng)的塑料分解和升級(jí)回收技術(shù)對(duì)于促進(jìn)塑料回收和減輕嚴(yán)重的全球塑料垃圾負(fù)擔(dān)至關(guān)重要。作者認(rèn)為，通過開發(fā)商業(yè)上可行的解決方案，加上基礎(chǔ)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(guān)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(gòu)和升級(jí)轉(zhuǎn)化

參考文獻(xiàn)

[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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