从电子废弃物中回收金属的进展：使用离子液体和深共晶溶剂的绿色溶剂评估

《Sustainable Chemistry for the Environment》：Advances in metal recovery from e-waste: Green solvent assessments with ionic liquids and deep eutectic solvents

电子废弃物中的金属回收面临环境与资源挑战，离子液体（ILs）和深共熔溶剂（DESs）因其绿色特性成为研究热点。ILs通过离子交换、配位及氧化还原机制高效提取锂（100%）、钴（99.6%）、铜（96.8%）等金属，但存在毒性高、成本贵、粘度大等问题；DESs则因生物降解性和低毒性备受关注，例如ChCl:EG体系在温和条件下实现铜提取效率超97%，但需优化稳定性和可回收性。研究指出，ILs与DESs在金属选择性、能耗及规模化应用中各有优劣，未来需结合计算设计、混合工艺及生命周期评估推动技术落地。

　　
电子废弃物（e-waste）的快速增长对环境和资源可持续性构成重大挑战。根据联合国全球电子废物监测报告，2025年全球电子废弃物产量预计达到6500万吨，2030年将突破8200万吨，年增长率达2.6%。这些废弃物中含有铜、锂、钴、镍、金、铂等关键金属，同时释放砷、汞、铅等有毒物质。传统回收技术如熔炼法（pyrometallurgy）和酸浸法（hydrometallurgy）存在能耗高、污染重、金属纯度低等问题。为此，绿色溶剂如离子液体（ILs）和深共熔溶剂（DESs）成为研究热点，其应用在金属提取领域展现出独特优势。

### 离子液体（ILs）在金属回收中的应用
离子液体作为新型绿色溶剂，具有低挥发性、高溶解性和可设计性等特点。研究显示，ILs对电子废弃物中的金属提取效率可达95%-100%，尤其在锂、钴、镍等电池材料回收中表现突出。例如，某含氯离子的IL在120℃下仅需20小时即可实现锂和钴的完全回收（效率分别达100%和99.6%）。这类溶剂通过离子交换、络合或氧化还原机制溶解金属，其中，IL的阴离子类型（如Cl?、NTf??）和阳离子链长显著影响金属提取效率。

在电池材料回收中，ILs的分子结构设计直接影响选择性。例如，含长链烷基的阳离子（如[C10mim]?）能减少金属离子的流失，而含氟阴离子（如NTf??）可增强对过渡金属的络合能力。值得注意的是，部分ILs如Cyphos IL 104在提取金、银时表现出优异性能，其机制涉及金属-氯配合物的稳定化作用。然而，ILs的高成本（部分溶剂价格达每升数百美元）、潜在毒性及粘度问题制约了工业化应用。例如，某IL在连续使用5次后，金属回收效率下降至61.8%，主要因溶剂降解和杂质积累。

### 深共熔溶剂（DESs）的进展与优势
DESs由氢键供体（HBDs，如有机酸、糖类）和氢键受体（HBA，如胆碱盐、甜菜碱）通过氢键相互作用形成，具有成本低、可生物降解、环境友好等优势。研究表明，DESs在金属回收中展现出多金属协同提取能力。例如，某含胆碱盐和乙二醇的DESs可在50℃下实现锂、钴、镍、锰的同步提取（效率均超98%）。此外，DESs结合氧化剂（如H?O?、I?）可显著提升反应速率，如某DESs系统在65℃下仅需96小时即可完成铜、镍、金的提取（效率达99%、92%、90%）。

从半导体和印刷电路板（PCB）中提取金属的案例显示，DESs的酸碱平衡和离子强度调控能力可选择性溶解特定金属。例如，含氯胆碱盐的DESs对金提取效率达100%，而含柠檬酸的DESs对铜提取选择性优于传统酸浸法。但DESs也面临挑战：部分配方因高粘度导致扩散受限（如ChCl:Gly系统需180℃），且循环使用中易发生副反应（如酯化或分解），影响稳定性。

### ILs与DESs的对比与协同
表6对比了两种溶剂的性能：ILs在提取速度上更具优势（如铜提取可在2小时内完成），但DESs在成本和环保性上更优。例如，某IL系统处理1吨锂钴锰电池废料需4.7万美元，而DESs系统仅需1.1万美元，但DESs需更长的反应时间（如8小时）。此外，ILs的再生技术更成熟（如BASF的BASIL?工艺），而DESs的循环稳定性仍需优化（部分配方经5次循环后效率损失超30%）。

未来研究需在两方面突破：一是开发低成本、低毒性的ILs（如非氟化阴离子替代NTf??），二是通过分子模拟（如DFT计算）设计高稳定性的DESs。例如，基于胆碱盐和有机酸的DESs可通过调整比例优化金属选择性，而机器学习模型可预测ILs的溶解性能，缩短研发周期。

### 工业化挑战与研究方向
1. **成本控制**：ILs的合成成本高昂，需探索规模化制备工艺（如连续流反应器）。DESs的原料易得，但需解决水含量控制（>50%会显著降低稳定性）和副产物处理问题。
2. **稳定性提升**：开发抗降解DESs（如添加稳定剂或共溶剂），或改进ILs的再生技术（如膜分离耦合电解）。
3. **工艺整合**：将溶剂萃取与电化学沉积结合（如EL-ECD技术），或与机械搅拌、超声波辅助等强化传质。
4. **环境评估**：需建立完整的生命周期评价（LCA）体系，验证DESs的生物降解性和ILs的长期毒性。

### 结论
ILs和DESs为电子废弃物回收提供了高效、环保的解决方案。ILs在贵金属材料快速提取中表现优异，但需降低成本并优化循环稳定性；DESs凭借低成本和可生物降解性成为潜力股，但需提升反应速率和循环次数。未来需加强多学科交叉研究，包括分子模拟、机器学习辅助设计，以及中试试验验证，推动技术从实验室走向产业化。此外，政策支持（如欧盟资助的DESs工业化项目）和标准化评估体系（如金属回收率与能耗的平衡指标）将加速绿色溶剂的普及。

研究团队通过系统综述发现，ILs和DESs在金属提取效率上各有千秋，但DESs在成本和环保性上更具优势。例如，某DESs系统处理锂钴锰电池废料成本为1.1万美元/吨，而ILs系统需4.7万美元/吨。但DESs的提取时间较长（平均8小时），而ILs可在2小时内完成。这提示未来研究应聚焦于缩短DESs反应时间，同时提升ILs的再生能力。

总之，离子液体和深共熔溶剂在电子废弃物回收中的应用展现出广阔前景，但需在材料设计、工艺优化和成本控制方面持续突破，以实现规模化、可持续的金属回收。