静电增强的生物质基活性炭对低浓度含铂废酸中铂的吸附回收机制

《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Mechanism of electrostatically enhanced adsorptive recovery of platinum from low-concentration platinum spent acid by biomass-derived activated carbon

　　•静电场增强铂在活性炭上的吸附，而超声波则利用硫脲-硫酸洗脱液实现快速解吸，整个过程在常温下进行，无需外部加热。
•响应面优化在仅12.5 kV/m和25 °C条件下实现了93.55%的吸附效率。使用120 W超声波可在40分钟内完全解吸，显著降低了能耗。
•通过消除热能需求，静电-超声波协同循环为从低浓度工业废液中回收铂、减轻重金属排放提供了一种经济且环境友好的策略。

引言
铂（Pt）因其宝贵的催化及物理化学性能，被广泛用于汽车尾气催化剂、石化催化剂、电子器件和医疗器械等领域[16,32,39]。其天然储量有限及初级生产成本高昂，促使人们从二次资源中回收铂[17,33]。含铂工艺溶液和废酸中往往仅含痕量铂，同时其他溶解组分浓度却高得多，导致分离困难[12,40]。尤其是在某些工业过程中产生的低浓度含铂废酸中，高效回收铂不仅能带来显著经济效益，还能减少环境污染，促进资源可持续利用[1,10]。

从废液中回收贵金属的方法主要包括沉淀法[7]、溶剂萃取法[31,36]、吸附法[28]、离子交换法[13]、离子液体萃取法[29]以及液膜分离法等，具体选择取决于金属含量和溶液体系。每种方法都有其固有优缺点。沉淀法简单且成本低，但通常要求较高的金属浓度，且会产生大量需进一步处理的污泥[7]。溶剂萃取法选择性高，适合连续多级操作，但消耗有机溶剂，易发生乳化，且产生需要处置的废有机相[31,36]。离子交换法可将贵金属富集至极低残留水平，但商用树脂的选择性往往有限，且洗脱困难；Nikoloski等人评估了三种离子交换树脂对废汽车催化剂氯饱和酸性氯化物浸出液中Pt(IV)、Pd(II)和Rh(III)的同时回收效果，发现硫脲树脂XUS 43600.00对Pt(IV)和Pd(II)氯配合物具有最高吸附容量，而所有树脂对Rh(III)亲和力均较弱，且使用所有测试洗脱剂均难以实现Rh(III)的解吸。离子液体可在温和条件下进行萃取，且具有可调物化性质——例如，溴离子被双氰胺、硫氰酸根或双(三氟甲基磺酰基)亚胺阴离子取代的季铵离子液体可在中等酸度下从废水中萃取或共萃取Pt(II)、Pt(IV)和Au(III)[6]——但其高成本、高粘度及有限的可放大性限制了工业应用[29]。吸附法因其低成本且操作简便而备受青睐[19]。正如Akash和Perumal所综述的，吸附、溶剂萃取和离子交换是铂族金属回收的主要技术，但迄今报道的材料往往存在选择性差、可重复使用性低和动力学缓慢等问题。因此，对于贵金属含量低、杂质金属含量高的废液，贵金属的高效回收仍具挑战性[11]。

在各类吸附剂中，活性炭因其大比表面积、复杂孔结构和多样表面官能团，被认为是去除重金属离子的优异材料[35]。近年来，人们大力开发对贵金属具有增强亲和力和选择性的功能化吸附剂。未功能化的聚酰胺6在不吸附竞争金属离子的情况下，可选择性地从溶液中回收约90%的Pt和70%的Pd（Hsu等，2024）；载硫碳材料可通过软供体硫位点从酸性氯化物溶液中吸附Au(III)、Pd(II)和Pt(IV)（Zalupski等，2014）；自组装硫脲交联还原氧化石墨烯框架球实现了对强酸性电子废弃物废水中Au(III)的高选择性吸附/还原（pH 1–3下效率达95%），且适用于固定床反应器（Chen等，2025）。这些研究证实，调控碳基吸附剂表面化学性质是提高贵金属选择性的有效策略。然而，这些先进吸附剂大多制备繁琐、成本较高，且其解吸通常依赖强化学洗脱剂（Chen等，2025；Hsu等，2024）。其他替代吸附剂如离子交换树脂可能面临选择性有限和洗脱困难的问题（Nikoloski等，2015），而金属有机框架（MOFs）虽具有高比表面积和可设计孔隙率，但在水稳定性和工业可放大性方面仍面临挑战（Zhou等，2025）。在此背景下，活性炭因其低成本、成熟的工业供应链和易调变的表面化学性质，仍是处理低浓度贵金属废酸的最实用选择。然而，传统活性炭吸附对Pt的吸附容量和选择性往往有限[37]。此外，在含铝盐体系中，硫酸铝水解产生的Al3?和SO?2?离子可能占据活性位点，而废水低pH（通常<1）抑制了活性炭表面的负电荷密度，进一步削弱吸附[14]。为克服这些局限，人们探索了化学、物理和生物改性技术以增强活性炭对铂离子的亲和力，提高其在复杂废环境中的选择性和吸附容量[5,21,30,38]；然而，这些改性往往伴随成本增加和二次污染风险，且其在缓解硫酸铝竞争抑制方面的效果仍然有限。

近年来，静电场增强吸附作为一种新型物理改性方法受到广泛关注[15]。在吸附过程中引入静电场可影响金属离子的迁移和分布，改变活性炭表面电荷分布，增强其与目标离子的静电相互作用，从而提高吸附效率和选择性[19,43]。与化学改性相比，该方法无需试剂且不改变吸附剂的本体性质。然而，以往的静电辅助吸附研究大多针对常见污染物或中等浓度体系，仅将电场作为单一参数处理；既未解决强酸条件下共存离子的竞争抑制问题，也未将电场与解吸阶段耦合。因此，静电场增强吸附能否克服低pH、低浓度含铂废酸中硫酸铝的干扰，仍不清楚。

超声波照射产生机械效应、热效应和空化效应，为强化解吸阶段提供了互补手段[24,41,42]。机械效应引起介质中颗粒的高频振动，热效应将声能转化为热能，而最重要的是空化效应产生并溃灭空化气泡，以微射流和局部高温高压形式释放强烈局部能量[24,42]。这些空化驱动现象可破坏金属离子与吸附位点之间的键合，促进孔内传质，从而显著加速解吸并提高解吸效率，同时避免使用大量强化学洗脱剂。因此，超声增强解吸是一种有前景的绿色强化策略，但其与静电场增强吸附在贵金属回收中的系统结合却鲜有报道。

本研究系统考察了贵金属铂的高效回收工艺，分析了关键参数——吸附时间、吸附剂用量、静电场强度和温度——对Pt吸附行为的影响，并整合响应面法（RSM）与Box-Behnken设计（BBD），建立协同增强Pt吸附与解吸的最优操作体系。在此基础上，构建了“静电场增强吸附-超声增强解吸”的新型两阶段耦合工艺，利用活性炭实现Pt的高选择性回收。与以往静电辅助吸附研究不同，本研究将静电场增强吸附拓展至强酸性、含硫酸铝、低浓度Pt废酸体系，该体系中竞争抑制问题此前未得到有效解决；将静电场与超声辅助解吸耦合，实现“静电场定向迁移吸附-空化驱动剥离解吸”；并在解吸阶段无需强化学洗脱剂即可高效分离负载铂的活性炭，获得富铂解吸液，便于后续贵金属精炼。这显著提升了资源循环利用价值。研究旨在开发高效经济的Pt回收路线，尤其针对电子废弃物中的稀贵金属资源，为Pt资源循环利用提供工业可行的解决方案，推动贵金属回收向低碳排放和高附加值方向发展，对建立电子废弃物绿色回收体系具有战略意义。

实验部分
实验材料
本研究所用活性炭为昆明理工大学非常规冶金实验室制备的生物质活性炭[9]，静电发生器由江西山木电子科技有限公司提供（型号SK-2105）。此外，使用昆明理工大学制造的水浴超声波发生器。表征方面，对活性炭在...下的表面性质进行了...

实验结果
实验按表2所述方法进行，结果如图2所示。
图2(a)显示，当吸附时间短至10分钟时，吸附效率相对较低，约为86.21%。随吸附时间增加，吸附效率逐渐提高。在20-30分钟左右，吸附效率增长速率加快并达到较高水平。30分钟时，吸附效率达到...

结论
本研究提出了一种通过静电场和超声波联合作用实现铂在活性炭上高效吸附和解吸的工艺。为最大化两个过程的效率，采用静电场增强吸附，同时利用超声波促进解吸。关键发现总结如下：
(1)条件实验表明，在静电场强度15 kV/m、吸附时间30...

数据可用性
本研究所描述的研究中未使用数据。

利益冲突声明
作者声明，他们不存在已知的竞争财务利益或个人关系，可能影响本文所报告的工作。

未引用文献
[23]

CRediT作者贡献声明
彭世雄：写作——初稿，监督，软件，资源，方法学，概念化。刘文：验证，方法学，数据管理。徐英杰：写作——初稿，方法学，数据管理。夏红英：写作——初稿，方法学，资金获取，数据管理。杨泉：方法学，数据管理。李勇：验证，数据管理。吴喜龙：方法学，数据管理。张利波：写作——初稿，方法学，数据管理。

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