一种从废弃光伏面板中回收硅的环保工艺：绿色膨胀法结合机械破碎技术

《Waste Management》：An environmentally friendly process for Si recovery from end-of-life photovoltaic panels: Green swelling and mechanical crushing

本研究提出一种结合环保溶剂肿胀与机械粉碎的绿色工艺，成功使用乙酸乙酯分离光伏板中的玻璃并富集硅，优化条件为60°C、60分钟、8ml/g、120W，硅回收率达73.30%且纯度达88.71%。

　　随着全球气候变暖和环境问题的加剧，清洁能源的需求不断增长。太阳能因其无污染和低成本的特点而受到广泛关注。近年来，太阳能发电技术迅速发展，2024年全球太阳能光伏（PV）面板的总安装容量已达到2232吉瓦（GW），预计到2030年，退役的光伏面板将达到800万吨，而到2050年则可能达到7800万吨（Min等，2024）。这一庞大的数量使得光伏面板的回收问题变得尤为紧迫。传统的处理方式可能对环境造成严重危害，因此开发一种环保、高效且经济的回收方法显得尤为重要。

光伏面板通常由多个层组成，包括覆盖玻璃、硅电池、背板和乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）胶膜。其中，硅电池是核心组件，其回收对于资源再利用具有重要意义。然而，由于光伏面板的结构坚固且具有较高的耐久性，退役后的面板往往难以有效拆解。目前，常用的拆解方法包括物理方法、热解和化学方法。物理方法如常规破碎、筛分、高压脉冲破碎、低温剥离和热刀等，虽然操作简单，但往往导致各组件的混合，回收效率不高。热解方法能够有效去除有机物，但过程中产生的高能耗和有害气体排放仍然是其应用中的重大挑战。化学方法则依赖于有机溶剂的溶解作用，例如二元酯（DBE）、N,N′-二甲基丙烯酰脲（DMPU）、乙二醇二乙酸酯（EDGA）和柠檬烯等，这些溶剂被证明具有环保特性，能够通过“结构相似性”原理实现对EVA的溶解，从而分离玻璃和硅电池。然而，传统溶剂如二氯苯、甲苯、三氯乙烯和四氢呋喃虽然在分离过程中有效，但其高毒性限制了其在工业中的广泛应用。

在这一背景下，研究人员尝试使用低毒性的工业溶剂，如乙酸乙酯，来实现光伏面板的绿色分离。乙酸乙酯作为一种含有酯基的溶剂，其结构与EVA相似，因此理论上可以用于EVA的溶解，进而分离玻璃。然而，以往的研究表明，乙酸乙酯在常规条件下对EVA的溶解效果有限，这可能与其较低的沸点（77°C）有关。为了克服这一问题，本研究采用超声波辅助系统，通过优化温度、时间、液固比和超声波功率等参数，成功实现了玻璃的完全分离。实验结果显示，在60°C、8ml/g的液固比、120瓦的超声波功率和60分钟的处理时间下，玻璃的分离率达到100%。这一过程不仅提高了分离效率，还减少了对环境的影响，为光伏面板的回收提供了新的思路。

在玻璃分离完成后，研究人员对去除玻璃的光伏面板进行了机械破碎处理。通过施加剪切力，实现了对剩余组件的进一步处理。破碎后的产物经过筛分，硅电池的回收率达到73.30%，纯度为88.71%。这一结果表明，通过结合绿色溶剂和机械破碎的方法，不仅能够高效分离玻璃，还能有效回收硅电池，从而满足工业生产中对原材料的需求。此外，回收的硅电池可以用于制造高附加值材料，如太阳能电池板和其他硅基产品，这进一步提高了回收的经济价值和环境效益。

为了确保回收过程的可持续性，本研究还进行了生命周期评估（LCA）分析，证明了使用绿色溶剂进行分离是一种环保的方法。相比之下，传统的化学方法往往伴随着较高的污染风险和资源浪费，而本研究提出的方案则兼顾了环保和经济性。同时，通过超声波辅助技术，不仅提高了分离效率，还降低了能耗，使得整个回收过程更加绿色和高效。

硅电池的回收过程需要多种技术的结合。单独依靠一种方法往往难以实现高效的回收，因此，结合不同技术的综合策略成为当前研究的重点。例如，Wang等通过热解和气流分选相结合的方法实现了硅的富集，Li等则利用破碎和静电分离的组合技术提高了硅的纯度。Wu等通过低温和热解相结合的方法成功回收了多种组件，而Min等则对绿色溶剂进行了深入研究，并提出了一种结合绿色溶剂和热解的工艺流程。这些研究都表明，单一技术难以满足高效回收的需求，而综合多种方法的策略则能够更有效地实现资源的再利用。

本研究的创新点在于，首次成功利用乙酸乙酯作为绿色溶剂，在超声波辅助下实现了光伏面板中玻璃的完全分离。这一过程不仅避免了传统化学方法的高毒性问题，还提高了分离的精度和效率。随后的机械破碎处理进一步实现了硅电池的富集，使得整个回收流程更加完善。通过优化实验条件，研究人员确保了分离过程的稳定性，并验证了该方法在工业应用中的可行性。此外，该方法在操作过程中减少了对环境的污染，降低了能源消耗，为未来光伏面板的回收提供了更加环保和经济的选择。

光伏面板的回收不仅有助于缓解资源短缺问题，还能减少废弃物对环境的影响。随着太阳能技术的不断发展和普及，退役光伏面板的数量将呈指数级增长。因此，开发一种高效、环保的回收方法对于推动可持续发展具有重要意义。本研究提出的绿色溶剂与机械破碎相结合的方法，为光伏面板的回收提供了一种新的解决方案。该方法在实验室条件下取得了良好的效果，具备进一步推广和应用的潜力。未来，随着技术的不断优化和成本的降低，这种方法有望在工业领域得到广泛应用，从而实现对光伏面板的高效、绿色回收。

本研究还强调了多学科交叉合作的重要性。从材料科学到环境工程，从化学分析到机械处理，每个环节都需要深入的研究和精确的控制。例如，在玻璃分离过程中，需要对溶剂的性质、超声波的作用机制以及EVA的溶解特性进行详细分析；而在机械破碎阶段，需要对破碎设备的选择、破碎条件的优化以及破碎产物的分布情况进行研究。这些工作不仅需要专业知识，还需要团队成员之间的密切配合。因此，本研究的成果不仅依赖于技术的创新，还受益于团队成员在各自领域的专业贡献。

综上所述，本研究通过结合绿色溶剂和机械破碎的方法，成功实现了光伏面板中玻璃的完全分离和硅电池的高效富集。该方法在环保性、经济性和效率方面均表现出显著优势，为光伏面板的回收提供了新的思路。随着全球对可再生能源的重视，光伏面板的回收技术将不断完善，而本研究的成果无疑为这一领域的发展做出了积极贡献。