《Chemical Engineering Journal Advances》：An Integrated Cross-Scale Computational Approach for Understanding and Optimizing Continuous-Flow Extraction of Precious Metals
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从二次资源中提取铂族金属（PGMs）对于可持续资源循环至关重要，但过程设计通常依赖经验方法，因为缺乏多尺度理解。本研究开发了一种结合分子动力学（MD）和计算流体动力学（CFD）的集成计算框架，以系统地研究和优化连续流钯（Pd）萃取。MD模拟阐明了原子尺度相互作
从二次资源中提取铂族金属（PGMs）对于可持续资源循环至关重要，但过程设计通常依赖经验方法，因为缺乏多尺度理解。本研究开发了一种结合分子动力学（MD）和计算流体动力学（CFD）的集成计算框架，以系统地研究和优化连续流钯（Pd）萃取。MD模拟阐明了原子尺度相互作用，揭示了Pd离子与二异戊基硫化物（萃取剂）的硫原子之间的强配位键合，并量化了有机相中的传输性质，如粘度和热导率。CFD模拟揭示了心形微通道中的流型和涡动力学如何控制相混合和界面接触——这是控制萃取效率的关键因素。通过将分子选择性与设备尺度流体动力学联系起来，这种跨尺度方法表明高效回收需要选择性萃取剂和强化混合条件。该方法为共优化配体设计和工艺参数提供了理性工具，推动了可持续贵金属回收技术的发展。
**论文解读：集成跨尺度计算方法在连续流贵金属萃取中的应用**
贵金属（PMs）如铂族金属（PGMs）在电子废物（e-waste）中的浓度远高于天然矿石，构成了所谓的“城市矿山”，其回收对可持续资源管理、环境保护和经济循环至关重要。然而，传统火法和湿法冶金方法面临高能耗、有毒废弃物排放及复杂稀溶液中选择性不足等挑战。近年来，先进分离材料（如共价有机框架（COFs）、金属有机框架（MOFs））和连续流操作展现了潜力，但过程设计仍依赖经验方法，缺乏从分子尺度到设备尺度的多尺度理解。为此，研究人员提出并实现了一种结合分子动力学（MD）和计算流体动力学（CFD）的集成跨尺度计算框架，以系统研究并优化连续流钯（Pd）萃取。该研究通过链接分子选择性与设备尺度水动力学，证明了高效回收需同时依赖选择性萃取剂和强化混合条件，为配体设计和工艺参数的共优化提供了理性工具，推动了可持续贵金属回收技术发展。论文发表在《Chemical Engineering Journal Advances》。
**关键技术与方法**
研究人员采用了两种主要计算方法：分子动力学（MD）和计算流体动力学（CFD）。MD模拟使用LAMMPS软件包和ReaxFF反应力场，构建周期性非晶胞系统，包含Pd离子、萃取剂二异戊基硫化物及溶剂异辛醇，模拟不同有机相/水相（O/A）比下的原子尺度相互作用，通过径向分布函数（RDF）和均方位移（MSD）分析配位结构和传输性质。CFD模拟使用ANSYS Fluent软件的体积流体（VOF）模型，模拟心形微通道中的两相流动，采用k-ω SST模型及低雷诺数修正，分析流型、涡动力学及混合机制。MD提供分子尺度参数（如粘度、扩散系数）约束CFD，CFD解析水动力学环境。
**研究结果**
**3.1 分子动力学模拟的原子尺度洞察**
- **3.1.1 传输性质：粘度和热导率**
MD研究显示，在333K和高O/A比条件下，有机相粘度显著高于低O/A比，可能是由于局部Pd原子聚集增加了动量传递阻力。热导率随温度升高和O/A比降低而增加，表明金属配合物分散可适度改善传热能力。
- **3.1.2 结构性质和动态性质：RDF和MSD**
在333K下，RDF分析直接证明Pd与硫原子（来自二异戊基硫化物）的配位键显著强于与氧原子（来自异辛醇）的配位，低O/A比时两者差异更大。MSD显示Pd原子扩散极弱，均方位移饱和于约10??2，表现为局部振动，表明被动分子扩散无法维持萃取，需对流界面更新。
**3.2 CFD模拟的宏观流动动力学**
- **3.2.1 流型和相分布**
低O/A比（油入口0.4445 m/s，水入口0.889 m/s）下形成典型弹状流，存在大段交替流体，混合不完全；高O/A比（全部入口0.578 m/s）下改进为分层流，但仍存在显著相分离。
- **3.2.2 涡动力学和混合机制**
通过Q-准则识别涡结构，低O/A比下涡分布不均，集中在弹尾和剪切层；高O/A比下涡更有序且沿流向延伸。涡的拉伸和折叠作用是促进界面积再生的主要机制。
- **3.2.3 流动状态的无量纲表征**
雷诺数（Re）计算确认所有条件下流动均为层流（Re均低于2000），粘性主导。毛细管数（Ca）分别为0.507（低O/A）和0.439（高O/A），均低于1，表明界面张力占优，混合依赖几何诱导的涡拉伸。MD导出的粘度范围（0.23–0.67 mPa·s）独立支持低粘性有机相特征。
**3.3 集成多尺度分析**
MD提供的Pd–S强配位、低扩散系数及低粘度信息约束了CFD解释：CFD揭示的水动力学环境是混合受限的。两者结合表明，高效萃取需要“正确化学”（选择性、快速配体）和“正确水动力学”（强化混合）的协同优化。跨尺度链接通过无量纲数（Re、Ca）实现，可追溯至分子或流体起源。
**讨论与结论**
讨论部分强调该框架的实际意义：可预测性替代经验优化，同时评估萃取剂的化学选择性和水动力学兼容性，并适用于其他金属（如Pt、Rh、Au）和不同通道几何。结论指出，本研究的集成MD-CFD框架系统揭示了分子尺度约束与设备尺度流动诊断的相互依赖关系，为开发超越经验试错的可持续贵金属回收工艺提供了理性途径。
