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

强调

提出了一种利用电解生成的试剂从垃圾焚烧炉渣中提取元素的采矿方法

从垃圾焚烧炉渣中回收八种目标化合物的可行性实验论证

技术和经济分析充分表明，矿渣开采工艺具有积极的投资回报

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。由于废物转化能源设施主要依靠电力销售获得收入，电价下降使这些设施的经济性面临挑战，这可能导致未来 MSW 垃圾填埋场和甲烷排放量大幅增加。城市固体废物焚烧 (MSWI) 炉渣是一种尚未开发的资源，其中包含元素周期表中的大多数元素（图 1）。在这里，使用电解产生的试剂从炉渣中浸出金属，并通过电沉积和 pH 调节获得金属和金属氢氧化物以实现金属回收。初步的技术经济分析表明，代表性炉渣开采的净收入（约 120 美元/吨）大约是垃圾焚烧电力销售收入（约 55 美元/吨）的两倍多。基于此，由废物转化能源电力驱动的电化学和化学开采技术是固体废物资源回收的可行策略。

图1

结果与讨论

MSWI 采矿概念和回收策略

垃圾焚烧渣中可能含有 60 多种元素，元素浓度跨度达 8 个数量级，因此作者提出选择性和回收率成为垃圾焚烧开采技术可行性的决定因素。基于水系电化学过程在选择性方面的优势，作者提出了类似的策略，即通过电解产生的酸和碱从垃圾焚烧渣中提取元素，获得有价值的产品。为了最有效地回收最多数量的元素，作者根据图 2 中 39 种元素的电解沉积电位和氢氧化物沉淀 pH 信息，推导出金属提取的顺序，即：

（1）用酸性溶液浸出矿渣，

（2）在越来越负的电位下连续电解沉积金属，

（3）随着溶液pH值的升高，氢氧化物逐渐沉淀。

虽然理论上可以通过电解沉积和沉淀两种方法将炉渣中所有元素完全分离，但该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值。

图 2

垃圾焚烧炉渣中的矿物质价值分析

假设垃圾焚烧炉渣中的所有元素都可以分离成各自的组分，则可以为炉渣分配一个假设的矿物价值。可以根据每种元素在炉渣中的浓度（千克/吨）和可回收形式的商品价格（美元/千克）计算出每种元素的价值。假设所有还原电位在水溶液稳定限度内的金属都可以通过电解提取，而所有其他元素都可以以氢氧化物的形式沉淀出来，则炉渣的总矿物价值就是其所有单个组分价值的总和。炉渣价值的90%由图2B中的前15种元素组成，每种元素约占炉渣总价值的3%至15%。其余约50种元素约占炉渣价值的10%，含量低和价值低表明经济回收的可行性低。

建议的流程

综合考虑元素价值和回收技术的可行性（图 2B 和图 2A），作者选择了八种目标元素进行回收，价值约为 123 美元/吨：铜、铅、锌、铝、铁、镁、钙和硅。图 3 显示了拟议的工艺流程，该工艺流程可以将 MSWI 炉渣分离成多个产品流。该工艺仅使用水、NaCl（或其他盐）、双极膜和垃圾焚烧产生的电力，除了盐水中沉积的过量盐外，不会产生其他废物流。接下来，作者通过概念验证实验进一步评估了浸出、电解和沉淀的效果和技术经济性。

图 3

实验研究中使用的代表性城市垃圾焚烧炉渣

研究团队选取了宾夕法尼亚州约克县一家垃圾焚烧发电厂的垃圾焚烧炉底灰，目标元素价值为每吨 120 美元。在室温下用 1 M、2 M 和 5 M HCl 浸出垃圾焚烧炉渣 24 小时后，炉渣浸出液的主要成分为钙、铝、铁、镁和钠（表 1）。随着 HCl 浓度的增加，大约一半元素在浸出液中的浓度会增加，而其他元素没有明显的趋势。考虑到高酸浓度会产生更高的技术成本，因此在后续实验中使用了 1 M 浸出液浓度。

表格1

电解金属回收

作者通过一系列恒电位实验评估了从渣浸出液中电解回收金属的效果。根据预期的还原电位，进行连续电解实验，将 1 M HCl 浸出液在恒定阴极电位下处理 1 小时，金属按铜、铅和锌的顺序回收（图 4）。结果表明，在 -0.3、-0.5 和 -1.0 V 时，铜、铅和锌的回收实现了回收效率（>90% 的铜和铅、>80% 的锌）和高选择性（~99% 的纯度铜、~97% 的铅、~76% 的锌）之间的最佳平衡，而其他目标元素则通过氢氧化物沉淀回收。

图 4

pH 波动诱导沉淀回收金属氢氧化物

电解盐水时，每产生一单位碱，就会产生一单位酸，酸可以选择性地将剩余元素以金属氢氧化物形式沉淀出来。渣浸出液中已知元素中，在pH 3时，首先得到Al和Fe的氢氧化物沉淀，在pH 3~7时，可以沉淀出中等元素含量的Cu、Pb、Zn、Ni和Mn，其中Cu、Pb和Zn可以在电解过程中得到回收。在pH 9时，得到Fe/Al混合氢氧化物组分。Mg在pH 12时几乎完全生成Mg(OH)2，Ca从pH 12开始析出，因此可以得到纯度较高（分别为89.8%和99.5%）的Mg(OH)2和Ca(OH)2。据此，作者发现pH波动沉淀法在pH 9、12和13时，既可以回收Fe/Al氢氧化物混合物，又可以回收Mg(OH)2和Ca(OH)2。

经济技术分析

为了探索利用WTE电力进行垃圾焚烧炉渣电解工艺的经济可行性，需要评估垃圾焚烧炉渣电解工艺的经济效益以及目前出售WTE电力的收入与支付炉渣处理费用之间的关系。根据约克郡固体废物管理局（YCSWA）的数据，当前实验产生的产品价值为每吨炉渣60美元，潜在可实现价值为每吨123美元（本文提取了8个目标要素），加上每吨炉渣40美元的运输和填埋成本，垃圾焚烧炉渣电解工艺的经济效益为每吨炉渣100美元，约为当前垃圾焚烧电力销售模式和炉渣处理成本的两倍。

图 5

综上所述

本研究提出并通过实验演示了一种从垃圾焚烧炉渣中电解开采金属的电化学工艺，以获得增值产品流，而不会产生额外的废物流。结果表明，Cu、Pb 和 Zn 等元素的回收纯度可达到 90% 以上，Cu、Pb、Mg 和 Ca 的回收效率超过 80%。技术经济分析表明，使用电解生成的试剂从垃圾焚烧炉渣中开采金属的经济效益是目前基于垃圾焚烧电力销售效益的两倍以上。作者提出的电化学工艺提供了一种具有成本竞争力的零废物城市采矿战略，以应对未来在废物管理、采矿和材料供应方面的挑战。