质子驱动多级系统实现电子废弃物浸出液中金与钯的高效选择性回收

本文报道了一种基于聚偕胺肟（PAO）水凝胶的质子驱动分离系统，通过调控酸性环境（pH=0）实现废印刷电路板（W-PCBs）浸出液中Au(III)/Pd(II)的级联回收。该系统展现出超高吸附容量（Au(III) 2165.75 mg·g?1）、超快动力学（<10分钟）和卓越选择性（分离因子kAu(III)/Pd(II)=36.5），首次揭示了质子介导的差异化捕获机制，为城市矿山中贵金属资源循环提供了创新策略。

　　

质子驱动多级系统实现贵金属精准分离

1 引言

电子废弃物（W-PCBs）作为增长最快的固体废物，含有比天然矿石更丰富的金（Au）和钯（Pd），但其回收率不足20%。传统吸附材料如金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）在强酸浸出液中易水解失效，且AuCl₄^?与PdCl₄^2?相似的配位结构和还原电位（~1.0 V）导致分离困难。本研究提出利用聚偕胺肟（PAO）水凝胶的质子响应特性，通过调控pH值放大两者还原电位差，实现从含高浓度Cu(II)/Fe(III)的复杂体系中精准回收。

2 结果与讨论

2.1 PAO水凝胶的合成与表征

通过席夫碱反应将聚丙烯腈（PAN）转化为PAO水凝胶，FT-IR证实2245 cm^?1氰基峰消失并出现C=N（1656 cm^?1）和N-O（938 cm^?1）特征峰。XPS显示N 1s轨道中N=C（399.56 eV）和N-C（400.90 eV）双峰，SEM观察到多孔块状结构（比表面积58.75 m²·g^?1），为金属离子传输提供通道。

2.2 质子调控的选择性分离

DFT计算揭示：质子化PAO对Au(III)的结合能（-14.32 eV）比Pd(II)低2.1 eV。实验证实pH=0时，Au(III)吸附量（308.58 mg·g^?1）是Pd(II)的3.61倍，分离因子k_{Au(III)/Pd(II)}达36.5。机理研究表明，H₂N-C=N-OH基团在强酸下优先将Au(III)还原为Au(0)（占比91.17%），而Pd(II)仅6.62%被还原，主要通过配位作用捕获。

2.3 W-PCBs浸出液的级联回收

构建两级流动吸附装置：第一级在pH=0捕获99.92% Au（纯度98.45%），第二级调至pH=3回收99.05% Pd。PAO-CC（碳布负载）经5次循环后，Au/Pd回收率仍保持95.4%和91.2%。经济分析显示，处理1吨W-PCBs可获利3.143×10⁴美元。

2.4 差异化捕获机制

UPS证实PAO的费米能级（-5.12 eV）介于Au(III)/Au(0)（0.99 V）和Pd(II)/Pd(0)（1.10 V）之间。LEIS显示Au(III)吸附后阻抗显著降低（电子转移增强），而Pd(II)无此现象。DFT模拟发现：AuCl₄^?脱氯能垒（-3.84 eV）远低于PdCl₄^2?（+0.41 eV），质子环境进一步抑制Pd(II)还原。

3 结论

该研究通过质子浓度梯度设计，实现了电子废弃物中金钯的时空分离，为相似物化性质贵金属的精准回收提供了范式。PAO水凝胶的闭路再生策略兼具环境友好性与经济可行性，推动城市矿山资源化向可持续发展迈进。

4 实验方法

PAO水凝胶采用PAN与羟胺盐酸盐在70°C反应48小时合成；吸附实验在25±2°C下进行，用HCl/NaOH调节pH；DFT计算采用VASP 5.4.4软件包，PBE-GGA泛函结合DFT-D3校正；实际W-PCBs浸出液通过三步酸浸法制备（王水+硝酸+盐酸）。