综述：废弃电气电子设备中稀土元素回收的技术路径：系统性映射综述

《Recycling》：Technological Pathways for Rare Earth Elements Recovery from WEEE: A Systematic Mapping Review Luca Taglieri, Pietro Romano, Francesco Vegliò, Alberto Gallifuoco and Luciano Fratocchi

　　

稀土元素（Rare Earth Elements, REEs）是众多低碳与数字技术不可或缺的关键材料，但其初级供应在地理空间上高度集中；废弃电气电子设备（Waste Electrical and Electronic Equipment, WEEE）可作为“城市矿山”，然而其回收路径仍较为碎片化。研究人员通过结构化文献综述，对 Scopus 和 Web of Science 收录的、以 WEEE 衍生原料为对象的 REE 回收研究进行了证据整合：共筛选148条文献记录，其中51篇论文满足纳入标准。检索与研究筛选过程的报告遵循 PRISMA 2020（Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses）规范。研究人员依据 WEEE 来源/组分、核心技术类别、工艺构型、目标 REE、性能报告、环境代理指标以及成熟度对每项研究进行编码，并结合循环性目标讨论研究空白。结果表明，研究高度集中于少数原料类型，即永磁体（22项研究）、荧光灯（16项）和电池（6项），而对多源混合物流的关注较为有限。湿法冶金（hydrometallurgy）路线占主导地位，而生物冶金（biometallurgy）方案探索不足。文献更常报告回收率而非选择性与环境指标，且大多数方案仍停留在概念验证成熟阶段。由于原料类型、工艺构型及报告指标存在显著异质性，研究结果采用定性方式综合（未进行 Meta-analysis）。该综述指出了未来研究的重点方向：面向多源原料及重稀土元素（Heavy Rare Earth Elements, HREEs）的原料开发、提高选择性并强化流程、统一性能报告规范，以及在生命周期（Life Cycle）与成本评估支持下推进规模化。

1. Introduction

文章首先界定稀土元素（Rare Earth Elements, REEs）的战略属性，指出其包括15种镧系元素以及钪和钇，是高性能永磁体、荧光粉、催化剂、抛光材料和电池材料中的关键组成，因此深度嵌入电动汽车、风力发电、消费电子、医疗器械以及国防航天系统等现代技术体系。研究强调，随着绿色转型与数字转型同步推进，全球对 REEs 的需求将持续快速上升，尤其在清洁能源应用场景中，至2040年需求可能增长4至7倍。欧盟（EU）范围内，稀土永磁相关需求到2030年和2050年也将显著增长，反映出风电和电动汽车平台扩张的资源压力。

在需求增长之外，正文特别强调重稀土元素（Heavy Rare Earth Elements, HREEs）尤其是镝（Dy）与铽（Tb）的功能关键性。文章指出，仅含轻稀土元素（Light Rare Earth Elements, LREEs）的 NdFeB 永磁体通常只能在约60 °C以下有效工作，而加入少量 Dy 或 Tb 后可显著提升热稳定性，使其适用于200–240 °C工况下的牵引电机与风力发电机。由此可见，虽然 HREEs 在报废产品中的浓度较低，但其战略不可替代性极高，同时回收难度也更大。

随后，作者从供应链安全角度分析了全球 REE 初级供给的高度集中格局，指出中国在采矿以及分离提纯环节占据主导地位，致使欧洲与北美下游产业暴露于供应与价格风险之中。基于这一背景，欧盟通过《关键原材料法案》（Critical Raw Materials Act, CRMA）提出到2030年的本土开采、加工、回收和单一国家依赖上限等量化目标，将循环经济和二次资源明确纳入供应链韧性框架。美国方面也通过关键矿产清单、能源部（DOE）战略、创新枢纽及相关资金项目推动 REE、磁体和电池回收技术发展。

文章进一步指出，WEEE 被视为 REEs 的战略性“城市矿山”，其原因在于电子、照明和交通设备中广泛嵌入 NdFeB/SmCo 磁体、灯用荧光粉、NiMH 电池以及特种玻璃陶瓷等含稀土部件，且部分 WEEE 组分中的 REE 平均品位可高于天然矿石一个数量级以上。然而，现实中 WEEE 回收面临显著障碍，包括物流体系碎片化、物料组成复杂、涂层/粘结剂/伴生组分干扰显著，以及既有收集拆解体系并未围绕 REE 回收进行设计。正因如此，尽管已有多种技术路径被提出，但其回收效率、选择性、试剂消耗、能耗、环境足迹和技术成熟度差异明显，而系统性的比较研究仍然不足。基于此，论文提出四个研究问题，分别聚焦原料来源、核心技术及其构型、技术与环境绩效，以及技术成熟度与政策目标之间的差距。

2. Methodology

方法部分采用 Seuring 和 Gold 提出的四步内容分析框架，包括材料收集、描述性分析、类别选择与材料评价，并以 PRISMA 2020（Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses）规范报告检索与筛选流程。研究未进行方案注册，但在方法透明性方面给出了较完整说明。

在材料收集阶段，作者以 Scopus 为主数据库，并使用 “rare earth* recovery” 作为题名、摘要和关键词检索式，同时以 Web of Science 进行稳健性检验。检索限定为英文期刊论文和综述。经过全文审查后，最终从148条记录中纳入51篇研究。纳入标准要求文献必须明确针对 WEEE 衍生原料，而非原生矿、非 WEEE 废弃物或纯模拟体系；同时必须对工艺技术进行足够描述，并至少报告一种性能指标，如回收率、选择性、技术成熟度（Technology Readiness Level, TRL）或环境影响。若研究仅停留于理论分析、未使用真实 WEEE 原料，则被排除。作者还对全文排除原因进行了归类，显示最主要的排除原因是原料并非真正来自 WEEE。

描述性分析部分显示，相关研究发表于2002至2025年之间，且近五年显著增长，反映出地缘政治、资源安全和关键原材料政策驱动下的研究升温。51篇文献中包含9篇综述和42篇研究论文，分布于37种期刊，呈现明显的跨学科分散特征，涉及化学工程、冶金、材料、环境科学以及资源管理等多个领域。作者认为，这种分散性说明该主题尚未形成统一的评价框架与共享指标体系。

在类别选择阶段，研究围绕四类核心编码维度展开：WEEE 来源或组分、核心回收技术类型及其预处理/后处理构型、目标稀土元素类别、技术与环境绩效，以及依据 ISO 标准划分的 TRL 1–9 成熟度等级。材料评价阶段则由所有作者独立编码，并在有分歧时通过讨论达成一致。由于原料、工艺与指标高度异质，全文采用定性综合而未实施荟萃分析。

3. Findings

研究结果首先回答了原料来源问题。文献显示，学界研究主要集中在特定部件或特定富集组分，而非混合 WEEE 物流。最受关注的三类原料分别为永磁体（22篇）、荧光灯（16篇）和电池（6篇），真正面向多源混合原料的研究仅有2篇。作者指出，永磁体尤其是 NdFeB/SmCo 磁体受到高度关注，与其在数字化和绿色转型中的关键地位密切相关；相关研究还扩展至离子液体、低共熔溶剂以及新型流程配置等内容。不过，在针对永磁体的研究中，仅有约一半明确追溯了其原始报废产品来源，如电动汽车、硬盘、手机或风电设备。相较而言，荧光粉研究多聚焦回收率与选择性，NiMH 电池研究则更偏重预处理与电解液管理。

在核心技术方面，文章将路径分为湿法冶金（hydrometallurgy）、火法冶金（pyrometallurgy）和生物冶金（biometallurgy）三大类，并进一步分析单一技术、混合技术、与预处理/后处理耦合的方案，以及不同技术间的比较研究。结果表明，湿法冶金绝对占主导，共出现于47篇文献中，且自2016年后增长迅速；火法冶金仅11篇，自2011年后零散出现；生物冶金更少，仅4篇，且自2016年后才开始出现。混合技术方案共5篇，其中4篇为“火法+湿法”组合，1篇为“生物+湿法”组合，说明湿法步骤在综合流程中具有核心地位。

预处理与后处理方面，只有12篇研究明确讨论与核心提取步骤相结合的预处理或后处理。预处理以焙烧和机械活化最常见，目的在于提升后续浸出溶解性；微波预处理涉及很少；而针对磁体废料的氢处理（Hydrogen Processing of Magnet Scrap, HPMS）仅见1篇。后处理则明显不足，仅1篇涉及膜分离。不同核心技术的直接比较研究也非常有限，只有4篇文献进行了跨技术家族比较，且主要集中于2020–2022年。

关于目标稀土元素与产出特征，45篇研究报道的是混合 REEs 回收，仅6篇聚焦单一元素，其中5篇针对 Nd。总体上，研究偏向 LREEs，这与永磁体作为主要原料来源密切相关；HREEs 研究相对不足，主要涉及永磁体中的 Dy、Tb 以及灯用荧光粉中的 Y、Tb、Eu。作者指出，HREE 回收的主要挑战包括真实 WEEE 物流中品位低且波动大、Fe/Co/Ni/Ca/Al/P 等大量伴生元素共溶导致选择性下降与试剂消耗上升，以及为获得单一高纯稀土而必须设置多级分离步骤。因此，未来研究应更明确聚焦富 HREE 原料，并改进高选择性分离策略。

技术绩效分析显示，回收率和选择性是最常用的两类指标，但报告方式存在显著不一致。就回收率而言，只有少数研究给出定量数据，且多集中于湿法冶金路线；已报告者普遍宣称 REE 回收率超过90%。火法和技术集成流程中定量回收率报告明显偏少。作者因此认为，湿法冶金不仅因回收效率较高而占优，还因其工艺柔性更强、适配异质 WEEE 原料能力更好，并易于与溶剂萃取、选择性沉淀等成熟分离步骤集成。

从下游分离与纯化看，湿法体系中最常见的手段为选择性沉淀、溶剂萃取、离子交换、功能化吸附剂、膜分离及结晶等。其中，沉淀法具有工艺简单和低成本优势，适合粗回收；溶剂萃取则在过渡金属去除、LREEs/HREEs 分级及产品纯度控制方面更具优势，但伴随更高的化学品消耗与流程复杂度。火法路线通常更多承担相组成转化或中间富集作用，最终仍需接续湿法分离以实现单体 REE 提纯。生物冶金则显示出较高选择性和较低环境负荷潜力，但受限于动力学慢、对杂质敏感、连续运行证据不足等问题，TRL 水平较低。

选择性指标虽较常出现，但多数文献仅以“高”“中高”等定性表述，缺乏统一定义，可能对应沉淀纯度、分离因子或分配系数等不同概念，因此无法开展严格的跨研究定量对比。文章据此提出，未来应统一报告单个 REE 的质量回收率、产品纯度、关键分离步骤的分离因子、单位回收 REE 的试剂消耗与能耗、流程时间及阶段数，以及明确的验证环境与尺度信息。

环境绩效方面，作者主要从能耗与化学品消耗两个维度进行评估。综合文献与工艺知识判断，湿法冶金与火法冶金大多表现为中到高能耗，而生物冶金多为低到中低能耗。化学品使用也呈类似格局：湿法和火法通常环境负担更重，但部分研究尝试通过试剂回流与循环使用降低影响。作者特别指出，由于部分论文同时覆盖多种技术家族，因此统计表中的技术出现次数可能超过总文献数。

在技术成熟度方面，仅38篇文献提供了足以判定 TRL 的信息，其中22篇处于 TRL 3，即分析性与实验性概念验证阶段；只有11篇达到相关环境中的部分验证水平。整体来看，湿法冶金成熟度相对更高，而生物冶金仍主要停留在实验室阶段。作者认为，当前技术版图与政策层面要求的规模化、稳健化、经济可行的回收体系之间存在明显错位。除回收效率与选择性外，真实工业应用还必须综合考虑原料适应性、流程集成复杂度、成本可行性、处理时间及工业化潜力。

文章最后在结果讨论中总结出当前“城市矿山”开发的几项核心短板：其一，多数研究基于高度选择化的单一原料，与实际拆解体系中混杂且杂质丰富的物流不符；其二，文献显著偏向 LREEs，HREEs 尤其是高战略价值元素的回收研究不足；其三，实验室高回收率并不等同于闭环循环体系，因为产品规格、试剂闭路循环和残渣资源化证据仍然有限；其四，TRL 3–4 占主导表明从实验室到工业示范之间存在明显放大鸿沟；其五，缺乏统一化绩效指标严重阻碍了技术路线之间的稳健比较与投资决策支撑。

4. Conclusions

结论部分对全文发现进行了归纳，并据此提出未来研究方向（Future Research Avenues, FRAs）。围绕原料问题，作者建议加强多源混合 WEEE 原料研究，同时更加关注富含 HREEs 的荧光灯等组分。围绕核心技术，文章认为湿法冶金虽最成熟，但生物冶金在环境绩效和选择性方面更具潜力，因此需要增加跨技术比较研究、预处理与后处理耦合研究，以及对 HPMS 和新型混合流程的探索。

围绕技术绩效，作者强调未来研究应提供更多定量回收率数据，特别是针对火法冶金和生物冶金路线；同时应更精确量化选择性，而非仅作区间性或定性描述。对生物冶金而言，加快生物浸出动力学是关键。围绕环境与经济维度，文章建议采用生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）以及生命周期成本（Life Cycle Cost, LCC）方法，以支持闭环化学品策略、替代溶剂开发与工业投资决策。围绕技术成熟度，作者强调必须通过中试和全规模示范推动 TRL 从3–4提升至5以上，并与欧盟战略项目形成联动。

最后，文章将未来研究重点凝练为五项可操作方向：推进多源混合原料研究；强化 HREE 定向回收；开发强化型混合流程；开展连续化中试、闭路试剂管理及生命周期集成评估；建立统一的绩效报告标准。作者同时承认，该综述受数据库、关键词、语言范围及灰色文献未纳入等限制，但认为这些局限并不改变其核心结论，即当前 WEEE 中 REEs 回收研究虽快速增长，但仍呈现原料单一化、技术碎片化、指标不统一和成熟度不足等问题，尚不足以全面支撑关键原材料循环经济目标的实现。