综述：变废为宝：焦耳加热用于可持续二次资源升级利用与环境修复

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Transforming Waste into Wealth: Joule Heating for Sustainable Secondary Resource Upcycling and Environmental Remediation

　　

摘要
各种加热技术已在工业生产中得到广泛应用，以提高能源效率并减少碳排放，从而加速向可持续能源系统的转变。其中，焦耳加热（JH）因其响应迅速、效率高和可控性精确而脱颖而出，为传统的碳密集型方法提供了可行的替代方案。本综述系统总结了 JH 的基本原理、设备系统和实际应用，重点关注二次资源的回收和利用——如电子废物（e-waste）、工业残留物、废旧电池、塑料和废硅——以及环境应用，包括从工业环境、受污染土壤和空气中去除有害污染物。还考察了 JH 在碳捕获与利用（CCU）中的新兴应用，突出了其在可持续 CO2 管理方面的潜力。通过技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）验证了 JH 相对于传统碳密集型和能源密集型过程的经济和环境效益。最后，综述讨论了工业规模化的技术挑战、提出的解决方案和未来发展趋势，为 JH 的实际应用奠定了理论和技术基础。

引言
在当代城市发展和工业格局中，消费品的迅速普及和技术周期的加速推动二次资源的显著积累 [1], [2]。除了公认的电子废物（e-waste）和塑料流之外，全球废物库存已扩展到包括一系列复杂的材料。这些范围从废旧电池到工业副产品，如粉煤灰（约 750 Mt/年）[3] 和红泥（超过 150 Mt/年）[4]，以及新兴的“绿色”废物，如退役的光伏组件和复合风力涡轮叶片 [5], [6]。尽管这些废物通常被视为环境负担，但它们代表了巨大的“城市矿山”储层。例如，2022 年全球电子废物达到 62 Mt，包含估计价值 620 亿美元的未回收自然资源 [1]，而全球塑料废物超过 400 Mt，其中目前只有 9% 被回收 [7]。此外，蓬勃发展的电动汽车市场预计将推动电池回收行业到 2028 年达到 200 亿美元的价值 [8]。然而，由于材料成分复杂和传统处理技术效率低下，这些资源的持续利用不足继续构成严重的环境和经济风险。

热处理是废物利用的基石，能够实现专门的路径，如有机分解的热解、金属提取的熔炼、矿物相变的煅烧和高纯度分离的蒸发 [9], [10], [11], [12]。尽管它们很重要，但绝大多数工业热处理依赖传统的加热方法，如化石燃料燃烧的炉子或间接电阻加热器 [13], [14]。这些系统基于从表面到核心的热传递机制运作，能量首先通过辐射传递到材料表面，然后通过传导缓慢迁移到中心 [15]。这种间接方法存在几个热力学瓶颈和环境风险。首先，依赖热扩散造成内部温度梯度，导致处理不均匀，并在核心达到目标温度之前可能出现表面降解 [16]。其次，能耗巨大，因为传统炉子中的热传递往往需要 extensive 预热 chamber 及其 atmosphere（accounting for 5-25% heat loss）[17], [18]。再加上通过炉壁和炉顶的显著热损失，例如锻造 chamber 炉高达 1200 MJ/m2 或在 950°C 运行的典型连续燃气炉中占 10-25%，随着温度进一步升高而倍增 [17], [18], [19]。因此，一次能源消耗远远超过实际传递到样品的有效热量。此外，这些化石密集型方法的碳足迹与全球碳中性要求和工业部门迫切的脱碳任务越来越不兼容 [20]。

认识到这些局限性，人们探索了提供定向能量传递的非传统加热策略。诸如微波加热（MH）等技术利用偶极旋转进行内部生热 [21]，而感应加热（IH）利用电磁场在导电磁性相中产生涡流 [22]。等离子体加热（PH）利用电离气体达到极端温度以实现危险废物玻璃化 [23]，激光加热（LH）提供高精度的能量以实现局部熔化 [24]。虽然这些方法在特定领域有效，但通常需要复杂昂贵的设备，或者受限于 feedstock 的介电或磁性性质 [21], [22]。相比之下，焦耳加热（JH）已成为二次资源回收和环境修复的一种变革性解决方案 [25]。该技术涉及直接通过目标材料或导电载体通电流，从而原位将电能转化为热能 [26]。这种体积加热机制规避了热传导的缺点，实现了超快加热速率（高达 105 °C/s）[27]。这种快速的热冲击促进了高价值元素的选择性回收和废物升级为高级材料（如石墨烯 [28]），具有卓越的能源效率。通过无缝整合可再生电力，JH 促进了回收行业的深度脱碳，将经济可行性与负责任的环境管理相结合 [29]。表 1 总结了 JH 与其他方法在关键技术参数方面的系统比较。

目前，大多数综述侧重于 JH 在功能材料合成领域的应用（如石墨烯 [30]、单原子催化剂 [31] 和高熵合金等碳材料），或者局限于单一领域（例如废旧电池回收 [32]、废物转石墨烯 [33] 或脱碳应用 [34]）。目前缺乏对其在二次资源回收中的原料适应性、反应器匹配特性、回收机制、选择性产品调节以及在环境修复中更广泛应用潜力的全面讨论。

本综述涵盖了 JH 在各种工业废物、废旧电池、塑料、废硅和废碳回收中的应用，以及从土壤、大气和水中去除污染物的现有研究，同时也探讨了其环境和经济影响。此外，还批判性地讨论了 JH 技术在这些目标领域的局限性，包括与工程规模化、安全性、寿命和二次污染相关的挑战。

从基本原理和设备开始，综述系统介绍了 JH 在二次资源利用和环境修复中的应用，随后进行了技术和经济足迹分析，最后总结并展望了未来发展趋势。因此，本工作旨在实现以下目标：（1）为 JH 技术在更广泛的废物管理和环境修复场景中的应用提供反应器选择、技术路径和操作参数方面的指导。（2）深入调查 JH 技术在资源回收、利用和污染物去除过程中的经济效益、环境足迹和潜在局限性。

部分片段
基本原理
焦耳加热，也称为电阻加热或欧姆加热，发生在电流通过具有电阻的材料时，由于电荷载流子与材料原子结构之间的碰撞，导致电能转化为热能。产生的热量 (Q) 由焦耳定律量化：
Q=I2Rt
其中 I 是以安培为单位的电流，R 是以欧姆为单位的电阻，t 是以秒为单位的时间 [39]。
闪速焦耳加热（FJH）[27] 代表了一种普遍的

二次资源回收与升级
包括热解和碳热还原在内的热处理通常用于二次资源回收和废物升级。然而，传统加热模式通常受限于低能源效率和巨大的碳足迹，导致回收成本高昂和不良环境影响。相比之下，JH 由于其极高的加热效率，被用于从电子废物、废旧电池和工业废物中回收金属。除金属之外

环境应用
热技术利用热能来动员、破坏或固定环境介质中的污染物。在具体应用方面，氧化方法主导气体污染物的处理 [136]；解吸和燃烧是固体废物处理的优选 [137], [138]；而吸附通常用于水净化 [139], [140]。技术的选择取决于污染物的挥发性、基质的渗透性和现场限制等因素，现场

环境可持续性与技术经济分析
作为一项近年来新兴的技术，JH 已在二次资源的回收和升级以及环境修复中获得了广泛应用。该技术的环境足迹和经济可行性通常通过生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）进行评估。相对于传统加热方法和湿法冶金工艺，JH 具有独特优势，包括高能源转换效率，

总结与展望
作为一种电驱动的加热方法，JH 技术具有超高的电热转换效率、快速的加热/冷却速率和精确的可控性。因此，它已成为二次资源回收（包括金属、废电池、塑料、废硅和碳质材料）和环境修复（如污染物去除和 CCU）的有前景的策略。许多 LCA 和 TEA 研究验证了其显著的经济效益和

CRediT 作者贡献声明
Aleksandar Mitra?inovi?：写作 – 回顾和编辑。Dawei Yu：写作 – 回顾和编辑，监督，概念化。Yuxin Liao：写作 – 原始草稿，可视化，数据整理，概念化。Artem Okulov：写作 – 回顾和编辑。Hong Qin：验证。Qinghua Tian：监督。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金 [资助号 52274413, 52574406] 的支持。

Yuxin Liao|Artem Okulov|Aleksandar Mitra???ovi?|Dawei Yu|Hong Qin|Qinghua Tian
中南大学冶金与环境学院，中国长沙 410083