基于新型筛分助剂技术的光伏板回收：高效分离与银回收的创新策略

本研究针对废弃光伏(PV)板中银(Ag)和硅(Si)等有价值材料回收率低的问题，开发了一种结合热分层、新型筛分助剂技术和化学浸出的高效回收方法。实验结果表明，优化后的筛分条件可使96.3 wt.%的芯片状PV电池颗粒从碎片混合物中分离，银回收率达98.9%，为光伏废物资源化提供了技术支撑。

　　

随着全球能源转型的加速，太阳能光伏(PV)技术在过去几十年中得到广泛应用。截至2024年，全球光伏累计装机容量已达2.25太瓦(TW)，预计到2050年将增长至18.2太瓦以实现净零排放目标。然而，光伏板通常具有25-30年的使用寿命，这意味着早期安装的大规模光伏设施正逐步进入报废阶段。据预测，全球光伏废弃物将从2021年的0.2百万吨(MT)急剧增加到2040年的50MT和2050年的200MT。

这些废弃光伏板中含有大量有价值的材料，特别是银(Ag)和硅(Si)。虽然银仅占光伏板总重量的0.03%，却占据了制造成本的6.1%。更令人担忧的是，按照目前的消费速度，全球银矿资源预计将在2240年完全枯竭，到2100年大部分工业用银将需要依靠回收来源。此外，废弃光伏板中还含有铅(Pb)、锡(Sn)等有害物质，若处理不当将对环境造成严重污染。

目前大多数废弃光伏板最终被填埋处理，导致有价值材料的永久流失。现有的回收技术面临诸多挑战，特别是第一代晶体硅(c-Si)光伏板（占市场份额85-90%）的回收难题。这些光伏板具有多层夹心结构，包含玻璃、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)封装剂、硅电池、金属电极和背板等多重材料，使得有效分离和回收变得异常复杂。

针对这一紧迫问题，新南威尔士大学化学工程学院的研究团队在《Review of Palaeobotany and Palynology》上发表了一项创新研究，开发了一种高效回收废弃光伏板的新方法，特别专注于提高粒子分离效率和有价值材料的回收率。

研究人员采用了一套完整的技术路线，包括热分层处理、筛分分离和化学浸出三个关键步骤。研究使用了从家庭回收的Suntech Power公司生产的STP175S-24/Ac型单晶硅光伏板作为样本，首先通过热分层去除聚合物封装材料，然后采用新型筛分助剂技术进行材料分离，最后通过硝酸浸出回收银。

在热分层过程中，研究人员采用两步法：首先在170°C下加热10分钟软化背板并手动剥离，然后在500°C下加热60分钟完全去除EVA封装剂。这种方法有效避免了聚氟乙烯背板在高温下降解产生有毒氟化氢的风险。

筛分分离是本研究的核心创新。研究人员在传统筛分技术基础上引入了不锈钢球作为筛分助剂，通过机械相互作用促进光伏电池颗粒与玻璃碎片的分离。实验系统考察了筛分时间（5-15分钟）、振幅（1.0-2.5 mm/g）、间隔时间（0、2、5秒）以及筛分助剂的数量和尺寸等多种参数对分离效果的影响。

化学浸出阶段使用4M硝酸(HNO₃)溶液在40°C下处理30分钟，通过电感耦合等离子体(ICP)实验室分析银的回收率。

4.1. 筛分助剂对分离性能的影响

研究表明，传统筛分方法仅能实现31.7%的PV电池颗粒分离率，而使用筛分助剂的新方法将分离率提高至96.3 wt.%。添加筛分助剂后，约有17.2g PV材料被收集到接收部分（网孔尺寸小于1mm），主要是芯片状PV电池颗粒，占总重量的7.3%。与传统筛分相比，新方法收集的质量增加了191%。不过，研究也发现少量小PV电池碎片仍残留在1mm筛上（约1-4 wt.%），且PV焊带仍与玻璃碎片混合，表明仍有改进空间。

4.2. 筛分助剂对银回收的影响

扫描电子显微镜(SEM)图像显示，化学浸出处理后PV硅电池表面的银涂层被成功去除。实验显示，平均每个282.6g的PV模块样本含有116.5±3.3mg的银，相当于模块重量的0.041%和电池重量的0.647%。传统筛分后，大部分银（68.3%）积累在大于1mm的颗粒部分，与玻璃和焊带碎片混合，仅有31.7%的银可被回收。而使用筛分助剂后，银在大于1mm部分的比例降至3.7%，可回收银比例提高至96.3%。

4.3. 筛分操作条件对银回收的影响

研究发现，筛分助剂的数量是影响分离性能的关键参数。使用30个筛分助剂时银回收率为91.1%，增加到50个时提高至96.3%。筛分间隔时间也显著影响分离效果——2秒间隔由于频繁暂停导致振动力不足，银回收率仅为88.4%；而5秒间隔提供更长的连续振动时间，银回收率提高至98.4%。较高的振幅和较长的持续时间通常能改善银回收，但过高的振幅（2.5 mm/g）反而会降低效率，因为PV颗粒被抛得过高，减少了通过筛孔的机会。

通过优化筛分条件（振幅2 mm/g，间隔5秒，持续时间10分钟，并在5mm、3.15mm和1mm筛上分别添加2个15mm、5个12mm和50个10mm不锈钢球），研究人员实现了98.9%的银回收率。更长的筛分时间和更高的振幅也能获得类似的回收率（试验18和21分别为99.4%和99.3%），但推荐条件在保证高分离性能的同时最大限度地减少了对玻璃碎片的损坏和操作消耗。

研究结论表明，这种结合热分层、新型筛分助剂技术和化学浸出的综合方法，能够高效回收废弃光伏板中的有价值材料，特别是银。热分层处理实现了聚合物的完全去除，造成14.1%的重量损失；传统筛分方法因材料混合而效率低下；而新型筛分助剂技术通过机械作用有效分离了芯片状PV电池颗粒，显著提高了银的回收效率。

该研究的重要意义在于为解决日益增长的光伏废弃物问题提供了可行的技术方案。通过提高银等有价值材料的回收效率，不仅能够缓解资源短缺压力，还能减少环境污染，促进光伏产业的可持续发展。研究人员建议，对于更大体积和重量的PV样本，可能需要更长的筛分时间和更多不同尺寸的筛分助剂，未来的研究应聚焦于通过计算机模拟技术（如离散元法DEM）优化和扩大该分离方法的规模应用。

这项研究为光伏产业实现循环经济提供了重要技术支撑，通过高效回收有价值材料，不仅创造了经济价值，也减轻了环境负担，对推动可再生能源行业的可持续发展具有重要意义。