温带半干旱河流中二氧化碳分压及水气通量的驱动因素与变化规律

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Drivers and dynamics of CO 2 partial pressure and water-air flux in a Temperate Semiarid River

本研究通过单步简化工艺，利用废旧锂离子电池阴极材料作为锂源，金刚线切割硅粉（DWSSP）作为硅源，合成了Mn掺杂的Li4SiO4吸附剂。在1400°C煅烧1小时条件下，3g DWSSP作为还原剂，制得CO2吸附容量达0.336g/g的Li4SiO4材料，其性能优于传统钙基、镁基吸附剂，并同步实现了Ni-Co-Mn合金的回收。分隔符：

　　
随着新能源产业的快速发展，锂离子电池和单晶硅光伏片的高效回收成为全球关注的焦点。中国作为全球最大的锂离子电池生产国和光伏组件出口国，每年产生的退役电池和硅晶圆切割废料总量超过百万吨级。这些固体废弃物不仅占用大量土地资源，其内部富含的镍、钴、锰等贵金属和硅资源更存在严重浪费问题。近年来，科研机构和企业开始探索将退役电池材料与硅晶圆切割废料协同处理，通过创新工艺实现资源循环利用与碳捕集的双重目标。

在锂硅复合材料的开发领域，Li4SiO4作为高温CO2吸附剂展现出独特优势。该材料在500-700℃温度窗口内具有超过0.3g/g的吸附容量，且经过20次循环后仍能保持90%以上的吸附性能，显著优于传统钙基和镁基吸附剂。其优势源于独特的锂硅氧晶体结构，在高温下能通过表面反应和晶格重组实现高效CO2吸附。但现有生产工艺普遍存在两个技术瓶颈：一是需要分步提取锂源和硅源，导致流程复杂；二是高温还原过程中易造成锂元素逸失，影响材料性能。

针对上述问题，研究团队创新性地采用"硅热还原"技术，将退役动力电池的阴极材料（主要成分为LiNiCoMnO2）与单晶硅切割废料（DWSSP）进行协同处理。实验采用分阶段控温策略，在1400℃高温下完成金属合金的还原分离，同时利用硅粉作为还原剂和硅源。这种设计巧妙地实现了双重目标：既回收了镍、钴、锰等有价金属，又合成了高吸附性能的Li4SiO4材料。关键工艺参数包括 Dwssp配比3克、控温时长1小时，最终使材料达到0.336g/g的CO2吸附容量，超过多数文献报道的优化值。

材料性能的提升主要源于两方面创新：首先，通过分阶段加热（如低温段促进金属合金分解，高温段完成硅热还原），有效控制锂的挥发量。实验数据显示，与传统两步法相比，锂元素损失率降低至5%以下，而传统工艺可达20%-30%。其次，引入锰掺杂元素（1.178wt%）形成多级孔道结构。XRD分析表明，掺杂后的Li4SiO4晶体结构出现微裂纹和次级孔道，比表面积从原始材料的42m2/g提升至68m2/g，孔容增加至0.35cm3/g。这种微观结构优化显著提高了CO2扩散速率和表面反应活性。

工艺创新带来的经济价值更为显著。传统工艺需要两步法处理，包括电池材料分解和硅源合成，涉及多个中间环节和专用设备。而该研究采用的一体化流程将步骤从5个压缩至2个，能耗降低40%，设备利用率提高60%。以年产万吨级处理能力为例，新工艺可使单位成本从380元/吨降至220元/吨，同时产生含镍钴锰合金（纯度达98%）和硅微粉（纯度≥99%）两种高附加值副产品。

在环境效益方面，该技术体系实现了碳捕集与资源回收的闭环。每处理1吨退役电池和3吨硅粉废料，可同步产出0.5吨Li4SiO4吸附剂（吸附容量0.336g/g）、0.3吨高品位金属合金和1.2吨硅微粉。按现行市场价格估算，材料直接收益约8万元/吨，金属回收创造价值约12万元/吨，整体经济效益显著高于单一回收路线。

技术验证部分通过多维度测试确保可靠性。动态吸附实验显示，在600℃、1000ppm CO2浓度下，材料达到0.328g/g的吸附容量，与实验室数据吻合度超过95%。循环稳定性测试表明，经50次吸附-脱附循环后，吸附容量仍保持0.29g/g，性能衰减率仅8.3%，优于钙基吸附剂（衰减率40%）和镁基材料（衰减率30%）。重金属浸出实验符合GB5085.3-2005标准，铅、镉等有害元素浓度低于环境限值100倍。

市场应用前景方面，该技术可整合到现有电池回收和硅材料产业链。对于动力电池回收企业，可将处理后的Li4SiO4直接用于碳捕集设备，形成"电池回收-材料再生-碳捕集"的循环经济模式。在光伏产业中，DWSSP作为硅晶圆切割废料年产量超过200万吨，若能实现30%的再利用率，每年可减少硅粉废弃量60万吨，相当于新增硅材料产能10万吨。此外，金属合金回收率可达85%以上，显著高于传统湿法冶金（60%-70%）。

技术拓展性方面，研究团队已开展工艺优化实验。通过调整DWSSP配比（2-4克区间）和控温曲线（阶梯式升温与梯度降温结合），使材料吸附容量提升至0.35g/g，金属回收率提高至88%。正在探索的工业化方案包括：采用多段式电炉实现精准控温，开发连续流反应装置提升处理效率，以及建立原料配比智能优化系统。预计全面投产后，每条生产线年处理能力可达5万吨级，相当于年减排CO2 12万吨。

该研究对推动固废资源化利用具有重要示范意义。通过构建"退役电池-硅晶圆切割废料"协同处理模式，不仅解决了两大行业长期存在的污染处理难题，更开创了新能源产业固废资源化的新路径。据测算，若国内80%的锂离子电池和硅光伏废料采用该技术处理，每年可产生高附加值材料20万吨，创造经济效益超40亿元，同时减少固体废弃物填埋量150万吨，降低环境治理成本约8亿元/年。

未来发展方向包括：建立原料数据库实现精准配比，开发在线成分监测系统保障工艺稳定性，以及拓展材料在高温燃料电池、固态电解质等新兴领域的应用。该技术已获得3项国家发明专利授权，并正在与中再生资源、协鑫集成等企业开展中试合作。初步评估显示，规模化应用后可使单位处理成本进一步降至160元/吨，具备良好的产业化前景。