MIT蒋业明团队CRSus：新技术实现城市固体废物焚烧炉渣零浪费资源回收
MIT蒋业明团队CRSus：新技术实现城市固体废物焚烧炉渣零浪费资源回收
可持续发展
Sustainability
城市固体废物焚烧（MSWI）通过减少废物体积和焚烧垃圾发电在在资源回收和高效转化方面发挥重要作用。但由于电价下降，MSWI焚烧厂的经济性面临挑战。与此同时，MSWI产生的炉渣代表了一种尚未开发的资源。
鉴于此，麻省理工蒋业明（Yet-Ming Chiang）教授团队近日在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Sustainability上发表了一篇题为“Toward zero-waste resource recovery from municipal solid waste incineration ash by electrochemical and chemical mining”的论文，提出了一种基于电化学和化学开采元素的技术，从城市固体废物焚烧（MSWI）炉渣中回收有价值的金属和副产品，将城市垃圾转化为可再利用资源，减少了对垃圾填埋场的需求和降低了温室气体的排放。经济分析表明，这一工艺相对于传统基于电力销售的MSWI具有显著的经济优势。
城市固体废物（MSW）处理是一个日益严重的环境和社会问题，全球城市化进一步加剧了这一问题。由于垃圾焚烧发电设施主要靠电力销售获得收入，电价下降使得这些设施的经济性存在挑战，在未来可能导致MSW填埋量和甲烷排放的大幅增加。MSW焚烧（MSWI）炉渣作为一种未开发的资源，包含了元素周期表中的多数元素（图1）。在此，本文利用电解产生的试剂对炉渣中的金属进行浸出，并通过电沉积和pH调节获得金属单质和金属氢氧化物，实现对金属的回收。初步技术经济分析表明，代表性炉渣开采的净收入（约120美元/吨）大约是废物焚烧电力销售收入（约55美元/吨）的两倍以上。基于此，利用废物转能电力驱动的电化学和化学开采技术是一种具有可行性的固体废物资源回收利用策略。
图1
MSWI开采概念及回收策略
MSWI炉渣中可能含有超过60种元素，元素浓度范围跨越八个数量级，因此选择性和回收率成为MSWI开采技术可行性的决定性因素。水溶性电化学工艺在选择性上具有优势，研究团队基于此提出了一种类似的策略，即通过电解生成的酸和碱从MSWI炉渣中提取元素，得到有价值的产品。为了最有效地回收最大数量的元素，研究团队基于图2中39种元素的电解沉积电位和氢氧化物沉淀pH信息得出提取金属的顺序，即：
（1）在酸性溶液中浸出炉渣，
（2）在越来越负的电位下，顺序电解沉积金属，
（3）在不断增加的溶液pH值下，顺序沉淀氢氧化物。
虽然理论上可以通过电解沉积和沉淀析出这两种方法，实现炉渣中所有元素的完全分离，但方案的最终可行性将取决于炉渣中的元素浓度和相应的元素价值。
图2
MSWI炉渣中矿物价值的分析
假设MSWI炉渣中的所有元素都可以分离成各自的组分，则可以赋予炉渣一个假设的矿物价值。每个单独元素的价值可以根据其在炉渣中的浓度（千克/吨）和其可回收形式的商品价格（美元/千克）计算得出。假设所有还原电位在水溶液稳定性限度内的金属都可以通过电解提取，而所有其他元素可以沉淀为氢氧化物，则炉渣的总矿物价值是其所有单独成分价值的总和。炉渣价值的90%由图2B中前15种元素构成，每种元素贡献约3%至15%的总炉渣价值。剩余的约50种元素构成了炉渣价值的约10%，低含量和低价值表明经济有效的回收可行性较低。
建议的工艺流程
基于对元素价值和回收技术可行性（图2B和图2A）的综合考量，研究团队选择了八种目标元素进行回收，价值约123美元/吨：铜、铅、锌、铝、铁、镁、钙和硅。图3为建议的工艺流程，可将MSWI炉渣分离成多个产品流。过程中仅使用水、NaCl（或其他盐）、双极膜和垃圾焚烧产生的电力运行，并且除了沉积在盐水中的过量盐之外，不会产生额外的废物流。接下来，研究团队进一步通过概念验证实验，从中评估了浸出、电积和沉淀的效果和技术经济性。
图3
实验研究用的代表性MSWI炉渣
研究团队选择了来自宾夕法尼亚州约克县一家垃圾焚烧发电（WTE）设施的MSWI底灰，其目标元素价值为每吨120美元。在室温下用1 M、2 M和5 M 盐酸对MSWI炉渣浸出24小时后，炉渣浸出液的主要成分是钙、铝、铁、镁和钠（表1）。随着HCl浓度增加，大约一半的元素在浸出液浓度随之增加，而其他元素则没有明确的趋势。鉴于高酸浓度将产生较高的技术成本，在随后的实验中使用了浓度为1 M的浸出液。
表1
电解法回收金属
研究团队通过一系列恒电位实验评估了从炉渣渗出液中电解回收金属的效果。根据预期的还原电位，进行了顺序电解法实验，1 M盐酸浸出液在一个恒定的阴极电位下处理1小时，金属则按铜、铅和锌的顺序回收（图4）。结果显示，在−0.3、−0.5和−1.0 V下，铜、铅和锌的回收达到了回收效率（>90%的铜和铅，>80%的锌）和高选择性（99%纯度的铜，97%的铅，~76%的锌）之间的最佳平衡，其他目标元素则通过氢氧化物沉淀进行回收。
图4
pH摆动-诱导沉淀回收金属氢氧化物
电解盐水时每生产一单位的酸就会产生一单位的碱，所生成的碱可用于选择性地沉淀剩余元素为金属氢氧化物。炉渣渗出液的已知元素中，在pH 3时，首先获得的是Al和Fe的氢氧化物沉淀，pH 3-7则可沉淀出元素含量中等的Cu、Pb、Zn、Ni和Mn，其中Cu，Pb，Zn可以在电解过程中回收。在pH 9时获得Fe/Al氢氧化物混合组分。Mg在pH 12几乎完全生成Mg(OH)2，Ca从pH 12开始沉淀，因此可获得纯度较高的Mg(OH)2和Ca(OH)2（分别为89.8%和99.5%）。基于此，研究团队发现，pH摆动沉淀可以在pH 9、12和13处回收Fe/Al氢氧化物混合物以及Mg(OH)2和Ca(OH)2。
经济技术分析
为探究利用WTE电力来开展MSWI炉渣电解工艺的经济可行性，就必须评估MSWI炉渣电解工艺所带来的经济效益，与当前销售WTE电力的收益和支付炉渣处置费用之间的关系。基于约克县固体废物管理局（YCSWA）的数据，当前实验产出了每吨炉渣60美元的产品价值，潜在可实现价值为每吨123美元（文中提炼的八种目标元素），加上每吨炉渣40美元的运输以及填埋成本，MSWI炉渣电解工艺的经济收益为每吨炉渣100美元，是当前的MSWI电力销售模式和炉渣处置费用的大约两倍以上。
图5
结论
本研究提出并通过实验证明了一种电解开采MSWI炉渣中金属的电化学工艺，获得增值产品流，同时不产生额外的废物流。结果表明，Cu、Pb、Zn等元素能够以>90%的纯度回收，Cu、Pb、Mg和Ca回收效率均高达80%以上。技术经济分析表明，相对于目前基于销售MSWI电力的收益，利用电解生成试剂开采MSWI炉渣金属的经济收益是其两倍以上。研究团队提出的电化学工艺提供了一条具有成本竞争力的零废物城市矿采策略，以解决未来废物管理、矿采和材料供应方面的挑战。
本文原文来自澎湃新闻