从废弃的OLED粉末中可持续合成功能性沸石，用于重金属吸附和钡的固定

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Sustainable synthesis of functional zeolites from waste OLED powder for heavy metal adsorption and barium immobilization

本研究通过水热法将废弃有机发光二极管（OLED）粉末转化为沸石，并评估其重金属吸附及有害离子固定能力。实验采用不同老化时间（3、6、12、24、72小时）处理OLED粉末与NaOH混合物，通过XRD、FT-IR、氮气吸附-脱附等分析表明，老化时间影响沸石相组成（Na-P1、chabazite、harmotome、albite）及孔结构发育。其中，Na-P1含量随老化时间增加趋于饱和，而albite呈线性增长。ICP-OES证实Ba2?被固定于harmotome晶格中，同时吸附实验显示经72小时老化的样品对Pb2?吸附性能最佳，归因于增强的结晶度和介孔结构。研究证实废弃OLED材料可通过沸石合成实现有害元素稳定化与资源化利用。

　　这项研究聚焦于如何从废弃有机发光二极管（OLED）粉末中合成沸石，并评估其在重金属吸附和有害离子固定方面的应用潜力。研究团队采用了一种水热法，通过将废弃OLED粉末与氢氧化钠（NaOH）混合，并在100摄氏度下进行不同时间的熟化处理（3、6、12、24和72小时）。通过一系列分析手段，包括X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、氮气吸附-脱附（BET/BJH）、电感耦合等离子体光谱（ICP-OES）以及铅（Pb2?）的批量吸附测试，研究团队深入探讨了熟化时间对沸石结构演变和功能性能的影响。

研究结果显示，随着熟化时间的延长，合成的沸石逐渐形成了包括Na-P1、斜发沸石（chabazite）、害妥沸石（harmotome）和长石（albite）在内的多种晶相，同时伴随着孔结构的优化和比表面积的增加。其中，Na-P1沸石的含量随着熟化时间的增加而上升，但其增长速率逐渐下降，最终在约24小时后趋于饱和。相比之下，长石的含量则呈现出接近线性的增长趋势，其含量与熟化时间之间存在正比关系。这些结果表明，沸石的形成与有害离子的固定之间存在紧密联系，尤其是钡离子（Ba2?）的释放行为呈现出显著变化。在初始阶段，Ba2?离子被释放到碱性溶液中，但随着熟化时间的增加，其释放量逐渐减少，显示出被固定在晶格结构中的趋势。这种现象得到了Ba含相（如害妥沸石）的形成以及扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）元素映射的支持。

此外，OLED基沸石在铅离子吸附性能方面表现出显著提升，这主要归因于其结晶度和介孔结构的增强。吸附性能的总体表现则主要由Na-P1沸石的含量所决定，突显了其在决定材料吸附能力方面的重要作用。这些发现不仅展示了将电子废弃物转化为具有双重功能的沸石材料的潜力，还为可持续的高附加值资源利用提供了新的思路。

随着显示行业快速发展，OLED和液晶显示器（LCD）面板的废弃物也不断增加。据《全球电子垃圾监测报告2024》显示，2022年全球共产生约6200万吨电子垃圾，其中仅有22.3%被正式回收和处理。其余大部分废弃物仍通过传统填埋方式处理，这对环境造成了严重负担。OLED和LCD面板中含有多种有害元素，如钡离子（Ba2?），这些元素可能对生态系统和人类健康产生不利影响。然而，这些废弃面板也富含硅（SiO?）和铝等反应性无机成分，具有潜在的再利用价值。近年来，已有研究探索将这些材料用于建筑行业，例如，Lee等人通过使用OLED粉末部分替代水泥，不仅提高了混凝土的抗压强度，还减少了二氧化碳排放。Yang等人则发现，使用OLED粉末作为水泥替代物可以增强材料的耐腐蚀性能。尽管这些研究在一定程度上推动了电子废弃物的再利用，但其主要依赖于简单的替代方法，忽略了对有害成分的处理和治理。

因此，研究团队认为，有必要采用更为系统的方法，以实现电子废弃物的高价值利用，同时减少其对环境的危害。水热法合成沸石在多种废弃物材料中展现出巨大潜力，例如稻壳、煤底灰和粉煤灰等，这些材料因其高硅和铝含量而受到关注。沸石因其优异的离子交换和吸附能力，被广泛用于污染物治理，而从工业副产品中合成沸石则支持了循环经济的理念。例如，Buzukashvili等人利用煤底灰合成沸石，用于重金属污染治理。Gollakota等人则采用煤底灰制备了SSZ-13型沸石，用于合成阴离子染料Alizarin Red S（ARS）的吸附。这些方法不仅有助于资源回收，还为电子废弃物的高价值利用提供了新的路径。

考虑到OLED玻璃中含有大量无定形硅和反应性离子，它被视为一种极具潜力的沸石前驱体。与已被广泛研究的稻壳、煤底灰或粉煤灰相比，OLED玻璃作为硅铝源的研究仍处于起步阶段。其高纯度的无定形硅和铝含量在其他废弃物衍生沸石研究中已被证明具有显著效果，这进一步支持了OLED玻璃在沸石合成中的应用潜力。基于这一前提，本研究探索将OLED玻璃作为新型原料，通过水热法合成沸石，旨在拓展废弃物衍生沸石的应用范围，使其超越传统原料的限制。

与此同时，重金属污染的治理一直是环境保护研究的重点。特别是铅（Pb）因其对神经系统、骨骼系统、生殖系统、造血系统、肾脏系统和心血管系统的严重危害，被公认为最具威胁的重金属之一。长期暴露于铅污染环境中可能导致严重的健康问题，甚至危及生命。因此，大量研究致力于开发有效的铅离子去除技术，以保障水质安全和人类健康。本研究正是基于这一背景，探索如何利用高硅和高钡含量的OLED玻璃作为原料，通过合成沸石实现重金属吸附和有害离子固定，从而为电子废弃物的资源化利用提供科学依据。

为了确保研究的科学性和可重复性，研究团队对OLED玻璃进行了严格的预处理。首先，从韩国一家显示制造工厂收集废弃OLED面板，然后手动剥离外部的聚合物薄膜和涂层，以减少有机残留物的干扰。仅保留无机玻璃部分，进行机械破碎和筛分，最终获得粒径在0.10至0.15毫米之间的OLED粉末。这种预处理方法对于提高材料的纯度和性能至关重要，同时也为后续的水热合成和性能评估奠定了基础。

在结构和形态特征分析方面，研究团队利用XRD技术对不同熟化时间下的OLED基沸石进行了表征。图2显示了不同熟化时间（3、6、12、24和72小时）下合成的沸石的XRD图谱。在3小时熟化条件下，样品的XRD图谱显示出在2θ范围约15°–35°之间的宽泛峰，表明其仍处于无定形状态，没有明显的衍射峰。而在6小时熟化后，开始出现较弱的衍射峰，表明晶化过程已经开始。此时，可以识别出多种晶相，包括Na-P1、斜发沸石、害妥沸石和长石。随着熟化时间的进一步延长，这些晶相的相对含量发生变化，其中Na-P1的含量在24小时后趋于稳定，而长石的含量则持续上升。这种结构演变过程不仅影响了沸石的物理性质，还对吸附性能产生了重要影响。

此外，研究团队还通过FT-IR技术分析了OLED基沸石的化学结构。FT-IR图谱可以提供关于沸石表面官能团和化学键的信息，从而揭示其吸附机制。氮气吸附-脱附实验则用于测定沸石的孔结构和比表面积，这对于评估其吸附能力具有重要意义。ICP-OES分析则用于检测溶液中重金属离子的浓度变化，以验证其在沸石中的固定效果。通过这些分析手段，研究团队能够全面了解OLED基沸石的结构和性能特征，以及其在环境治理中的应用潜力。

在吸附性能测试方面，研究团队选择了铅离子（Pb2?）作为目标污染物，通过批量吸附实验评估OLED基沸石的吸附能力。实验结果显示，随着熟化时间的延长，Pb2?的吸附能力显著提高。这种性能的提升主要归因于沸石结构的优化和孔隙率的增加，同时也与Na-P1沸石的含量密切相关。Na-P1沸石在吸附过程中表现出更高的效率，这表明其在决定材料吸附能力方面具有关键作用。这些结果不仅验证了OLED基沸石在重金属治理中的有效性，还为其在实际应用中的推广提供了理论支持。

本研究的结论表明，从废弃OLED玻璃中合成沸石是可行的，并且在重金属离子吸附和钡离子固定方面表现出良好的性能。研究团队通过分析熟化时间对沸石结构演变、吸附能力和环境稳定性的影响，发现沸石的性能与熟化时间之间存在密切关系。XRD、FT-IR、BET和ICP-OES等分析手段的应用，使得研究团队能够全面了解沸石的形成机制和性能特征。此外，研究团队还发现，Ba2?离子的固定与沸石的结构形成之间存在协同作用，这种作用不仅有助于减少有害离子的释放，还提高了沸石的稳定性。

综上所述，本研究为电子废弃物的资源化利用提供了新的方向，特别是在重金属污染治理和有害离子固定方面。通过将废弃OLED玻璃转化为具有吸附功能的沸石材料，研究团队不仅实现了资源回收，还为环境保护提供了有效的解决方案。这种将废弃物转化为高价值材料的方法，符合循环经济的理念，有助于推动可持续发展。未来，研究团队将继续探索如何优化沸石的合成工艺，提高其吸附性能，并拓展其在其他环境治理领域的应用。