一种经过定制的富含氮的聚合物，可用于高效且选择性地从废弃印刷电路板中提取黄金

《Waste Management》：A tailored nitrogen-rich polymer for highly efficient and selective capture of gold from waste printed circuit boards

高效回收电子废弃物中的金离子，采用溶胶热法合成氮杂环功能化聚合物CMCPS-IMZ，具有323.08 mg/g吸附容量，优异选择性和循环稳定性。

　　随着电子设备的快速发展，电子废弃物（E-waste）的产生量也在迅速增长。这些废弃物中包含大量有价值的贵金属，如金、银、铂和钯等，而其中金的回收尤为关键。金在废弃印刷电路板（WPCBs）中的含量远高于天然金矿，因此从电子废料中高效、选择性地回收金对于资源的可持续利用具有重要意义。当前，金的回收技术主要依赖于湿法冶金，其中使用王水作为溶剂进行浸出是常见做法。王水能够将金转化为可溶性的AuCl??复合离子，但后续的分离和回收过程仍然面临挑战，特别是在存在大量干扰离子的复杂溶液中。

为了应对这些挑战，研究者们不断探索新型的吸附材料，以提高金的回收效率和选择性。传统的吸附材料，如多孔碳、改性纤维素、功能树脂、壳聚糖等，虽然在某些条件下表现出良好的性能，但普遍存在对AuCl??复合离子缺乏特异性结合位点的问题。这导致在实际应用中，尤其是在高浓度干扰离子存在的环境中，吸附性能受限。因此，开发具有特定结合位点和强吸附能力的材料成为研究重点。

近年来，基于离子交换原理的吸附材料在金回收领域展现出显著优势。离子交换是指溶液中的金属离子与吸附材料表面的带电基团发生交换反应，从而实现对目标离子的选择性吸附。其中，含有氮杂环结构的材料因其独特的电子特性，能够形成稳定的结合位点，提高对金离子的吸附能力。例如，咪唑基聚合物因其表面的正电荷陷阱，能够在短时间内实现高效的金吸附，并且具备良好的可重复使用性。此外，通过理论计算和实验分析，研究者发现氮杂环结构中的孤对电子在调控材料的电荷密度、酸碱性和金属配位能力方面发挥着重要作用，进一步增强了其对金离子的亲和力。

基于这一背景，本研究设计并合成了一种基于氮杂环功能化的新型聚合物——CMCPS-IMZ。该材料通过溶热法在氯甲基化交联聚苯乙烯（CMCPS）表面引入了咪唑基团，从而构建出丰富的结合位点。实验结果表明，CMCPS-IMZ在吸附Au(III)方面表现出卓越的性能，其最大负载能力达到了323.08 mg/g。这种高吸附能力得益于材料的多孔结构和大比表面积，为金离子提供了更多的结合位点。此外，CMCPS-IMZ的吸附过程符合伪一级动力学模型和弗伦德利希等温模型，表明其吸附行为具有良好的可预测性和可操作性。

在吸附机制方面，研究发现CMCPS-IMZ中的RNH?基团与AuCl??复合离子之间的静电相互作用是实现高效金回收的主要驱动力。这种静电相互作用不仅增强了吸附的强度，还确保了材料在复杂溶液中的选择性。同时，研究还揭示了弱的分子间相互作用在吸附过程中的辅助作用，进一步提高了材料的吸附效率。此外，CMCPS-IMZ在多次吸附-解吸循环中表现出优异的稳定性，使用0.5 M硫脲（SC(NH?)?）作为洗脱剂时，其性能几乎没有下降，证明了其在实际应用中的可行性。

在实际应用测试中，CMCPS-IMZ微球在含有高浓度干扰离子的电子废料浸出液中仍能保持超过93.33%的金回收效率。这一结果凸显了CMCPS-IMZ在复杂环境下的强大吸附能力，也为其在工业规模的金回收应用提供了有力支持。从环境和经济角度来看，这种材料的开发不仅有助于提高资源利用率，还能减少对环境的污染，符合循环经济的理念。

本研究的创新之处在于通过合理设计氮杂环结构，构建出具有高选择性和高吸附能力的吸附材料。这种材料不仅具备良好的物理化学特性，如多孔结构、高比表面积和优异的热稳定性，还能通过简单的化学修饰实现功能化。此外，CMCPS-IMZ的制备过程相对简便，材料成本可控，因此具有良好的工业化应用前景。

在实验研究方面，本研究采用了多种表征手段，包括扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）和氮气吸附-脱附等温线等，全面评估了CMCPS-IMZ的物理结构和化学组成。同时，通过批量实验，研究了不同操作参数（如金浓度、pH值和温度）对吸附性能的影响，进一步优化了材料的使用条件。吸附等温线、动力学和热力学行为的系统分析，为理解CMCPS-IMZ的吸附机制提供了理论依据。

此外，本研究还探讨了吸附性能与氮杂环结构之间的关系，揭示了材料选择性的内在机制。研究发现，氮杂环的种类、数量和位置对吸附性能具有显著影响。例如，咪唑基团因其较强的电子供体能力和良好的亲水性，能够有效促进AuCl??复合离子的结合。相比之下，其他类型的氮杂环（如吡咯、三唑和四唑）在吸附性能上表现较弱，这进一步验证了咪唑基团在金回收中的优势。

从应用角度来看，CMCPS-IMZ不仅适用于实验室条件下的金回收研究，还具有广阔的工业应用前景。其高选择性和高吸附能力使其能够在复杂的废料浸出液中高效回收金，而无需复杂的预处理步骤。同时，材料的稳定性也保证了其在实际操作中的重复使用性，降低了长期运行的成本。此外，CMCPS-IMZ的制备方法具有可扩展性，适合大规模生产，为电子废料的资源化利用提供了新的思路。

综上所述，本研究通过引入咪唑基团，成功开发了一种高效、选择性优异的金回收材料。该材料不仅在实验室条件下表现出卓越的吸附性能，还在实际应用中展现出良好的适应性和稳定性。这一成果为电子废料的资源化利用提供了新的技术路径，也为未来设计更高效的吸附材料奠定了理论基础。随着对资源循环利用需求的不断增长，这类材料有望在环境保护和资源节约方面发挥更大作用。