利用超声波技术对镍冶金过程中产生的废弃活性炭进行再生，以实现可持续的资源循环利用

《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Ultrasonic regeneration of spent activated carbon from nickel metallurgy for sustainable resource cycling

超声辅助酸碱再生策略有效恢复废活性炭吸附性能并回收镍和有机物，通过微射流和局部热点加速脱附动力学，实现孔隙结构再生与重金属高效去除，同时产出可循环的皂化剂溶液，为冶金工业资源闭环提供低碳解决方案。

　　

作者列表：道开曲|超罗|麦聪段|恩培朱|红英夏|林青戴|世星王|庚伟张|立康傅|永刚左|立波张

昆明理工大学冶金与能源工程学院，中国云南昆明650093

摘要

在镍湿法冶金过程中产生的废活性炭（SAC）含有紧密结合的无机杂质和难熔有机残留物，这些物质严重降低了其吸附性能。本文报道了一种超声辅助的酸碱再生策略，该策略能够快速恢复SAC的吸附性能，并同时实现有价值金属和有机化合物的回收。声空化显著增强了脱附动力学，克服了传统再生方法中的扩散限制。在优化条件下，再生后的活性炭对亚甲蓝（MB）的吸附能力达到了152.42 mg g^-1，比表面积从704.9 m² g^-1增加到了926.3 m² g^-1。超声波加速了金属的溶解（去除率超过99%），并促进了深嵌有机物质的碱性水解，从而在不破坏碳骨架的情况下重新打开了微孔。机理分析表明，空化产生的微射流和局部热点驱动了整个孔隙网络中的物理清洗和化学反应。该过程还生成了富含金属的溶液和可重复使用的皂化剂，建立了一种资源回收的闭环路径。这项工作为工业吸附剂的再生提供了一种可扩展的、低碳的策略，有助于推进冶金系统的可持续资源循环。

引言

溶剂萃取在湿法冶金中广泛用于从复杂浸出液中分离和纯化铜、镍、钴、锌、金、银和稀土元素等关键金属[1,2]。然而，残留的萃取剂和溶剂油容易带入下游的电解阶段，其在电解槽中的积累会降低电流效率，影响产品质量，甚至可能导致“电解槽板烧毁”等操作故障[3]。因此，在电解前确保电解质的高纯度对于稳定高效的生产至关重要。

活性炭（AC）由于其高比表面积、多孔结构和对有机物的强亲和力，是最常用的去除这些有机杂质的吸附剂[4,5]。然而，在使用过程中，吸附位点逐渐饱和，从而产生废活性炭（SAC）。大型冶金厂会产生大量的SAC作为危险固体废物[6]。传统的处理方法（如填埋或焚烧）成本高昂，浪费了宝贵的吸附剂资源，并引入了二次环境影响[7]。因此，再生SAC以恢复其吸附性能对于减少废物、降低运营成本和提高湿法冶金过程的整体可持续性至关重要[8]。

热再生是主要的工业技术，但需要将SAC运输到专用设施，消耗大量能源，并且常常导致严重的碳损失（10-15%）和不可逆的孔隙损伤[9]。为了解决这些问题，已经研究了几种原位再生方法，包括化学、电化学和生物方法[10]。其中，化学再生（特别是酸碱洗涤）提供了相对温和的条件和简单的操作流程。再生过程通过调节pH值改变表面电荷以及再生剂与吸附污染物之间的化学反应来实现[11]。然而，传统的机械搅拌对AC微孔内的质量传递效果有限，导致脱附动力学缓慢。此外，冶金电解质中遇到的有机萃取剂通常是大型疏水分子，难以去除，从而导致再生效率低和处理时间长。这些挑战凸显了需要更有效的工艺强化策略。

超声波为强化SAC再生提供了一种有前景的方法。超声空化产生的微气泡会产生强烈的微射流、冲击波和局部热点，温度高达约5000 K，压力高达约2000 MPa[12]。这些效应增强了液固相互作用，在浸出、清洗和纯化过程中得到了广泛应用[13,14]。此外，空化热点处的极端条件可以诱导水分子解离，生成活性氧物种（如羟基自由基（·OH）和超氧自由基（·O₂?）。这些物种具有很强的氧化能力，能够将顽固的有机污染物分解成可溶的小分子[15]。这种化学氧化与空化的物理清洗效果相结合，协同促进了SAC中污染物的去除。现有研究表明，超声波可以帮助清除AC表面和孔隙中的污染物，但大多数研究仅关注超声波处理本身，而没有协同使用化学试剂[16,17]。混合方法（如超声-光催化[18]和超声-臭氧[19]）已被用于废水处理，但它们很少针对含有有机萃取剂和重金属离子的湿法冶金AC进行优化，这些方法的目标是同时去除有机物和回收镍资源。

在这里，我们提出了一种两步超声辅助的酸碱再生策略，用于再生镍电解液净化过程中产生的SAC。最初的酸洗步骤去除了残留的金属离子，并生成了用于直接回收金属的富镍溶液。随后的碱洗有效去除了吸附的有机萃取剂，恢复了活性炭的吸附能力。富含表面活性剂类化合物的碱性废液可以重新用作皂化剂，从而提高了资源利用率。工艺优化表明，超声波显著加速了脱附和孔隙重新开放，使亚甲蓝（MB）的吸附能力从90.21 mg g^-1提高到了152.42 mg g^-1

材料

本研究中使用的SAC来自镍电解液净化过程，其吸附性能较差，亚甲蓝的吸附值为90.21 mg g^{-1₁₆H₁₈N₃ClS，98%）、磷酸二氢钠（Na₂HPO₄，99%）、磷酸二氢钾（KH₂PO₄，99.5%）和硫酸铜（CuSO₄·5H₂O）也用于实验。}

超声辅助的酸碱再生策略

为了实现从镍冶金过程中产生的SAC的高效再生，我们开发了一种两步工艺，结合了超声辅助的酸浸和随后的碱洗（图1a）。SAC中含有相当量的镍（0.88 wt%）、钙（0.63 wt%）和铁（0.17 wt%）（图1b），这些成分既代表了环境负担，也代表了有价值的可回收资源。SEM-EDS分析显示，SAC表面覆盖着大量的杂质，包括镍、钙和铁相关的杂质。

结论

本研究展示了一种超声辅助的两步再生策略，该策略恢复了镍湿法冶金过程中SAC的吸附性能，同时实现了有价值资源的回收。该过程在温和的条件下进行，不需要高温处理，并且减少了二次废物的产生。与传统再生技术相比，该方法具有多项优势。首先，利用声空化提供了快速、节能的再生方式。