基于乙二醇-柠檬酸/过氧化氢体系从退役光伏组件中绿色回收与再生超细银粉

《Journal of Environmental Chemical Engineering》:Green Recovery and Regeneration of Ultrafine Silver Powder from End-of-Life Photovoltaic Modules via Ethylene Glycol–Citric Acid/H 2O 2 System

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年08月26日 来源:Journal of Environmental Chemical Engineering 7.5

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   摘要退役光伏组件是集中的二次银资源,但其回收仍通常依赖于强酸性或氧化性浸出体系。在本研究中,开发了一种温和的乙二醇 - 柠檬酸/双氧水 (EG–CA/H2O2) 体系,用于从预处理光伏废料中回收银并再生超细银粉。在优化条件下,99.8% 的银在 100 °C 下 55 min

  

摘要

退役光伏组件是集中的二次银资源,但其回收仍通常依赖于强酸性或氧化性浸出体系。在本研究中,开发了一种温和的乙二醇 - 柠檬酸/双氧水 (EG–CA/H2O2) 体系,用于从预处理光伏废料中回收银并再生超细银粉。在优化条件下,99.8% 的银在 100 °C 下 55 min 内浸出,随后进行高效的 AgCl 沉淀和银粉再生。机理分析表明,H2O2 氧化了金属银,而柠檬酸提供了酸度和溶解银物种可能的配位点。同时,EG–CA 氢键液体网络提供了有利于银溶解的介质,导致银快速浸出,表观活化能为 29.97 kJ mol-1。回收的银粉显示近乎球形的形貌,粒径为 440–800 nm,这与通常报道的光伏银浆应用粒径范围相当。贫银的 EG–CA 料液可重复使用 5 个循环,银浸出效率保持在 99% 以上。与传统的硝酸路线相比,提出的路线分别降低了全球变暖潜势,淡水生态毒性和人类非致癌毒性 71.0%,95.6% 和 76.7%。初步的可变成本和敏感性分析进一步确定了 EG–CA 重复使用循环和再生银粉价值作为控制过程经济潜力的关键因素。

引言

在追求中国碳达峰和碳中和战略目标的过程中,光伏发电作为清洁能源转型的关键组成部分已迅速扩张。随着光伏装机容量的持续增长,预计未来几年将有大量早期光伏组件进入退役阶段。据估计,到 2030 年中国将需要回收约 150 万吨废旧光伏组件,而全球光伏废料预计长期将急剧增加[1], [2], [3], [4]。废旧光伏组件含有有价值的金属,包括 Ag, Al, Cu 和 Si。最近的研究还探索了光伏衍生硅废料的高值化利用和储能材料的可扩展制备策略[5], [6], [7], [8]。其中,Ag 是最有价值的目标之一,因为它广泛用于晶体硅太阳能电池的前电极[9], [10], [11]。之前的研究报告称,光伏面板中的平均 Ag 含量可达 600 g t?1,这接近某些原生矿的银品位[12]。在此背景下,组件预处理后获得的含银光伏电池部分代表了评估从退役光伏组件中回收银的合适原料。
湿法冶金工艺仍然是从废旧光伏组件中回收银的主要路线。Click 等人 [13] 通过酸浸和超声从太阳能电池中回收了高纯度银。Savvilotidou 和 Gidarakos[14] 报道了从晶体硅和铜铟镓硒 (CIGS) 光伏面板中富集和回收银和铟。这些研究证明了基于酸的银回收的可行性,但也表明了当前湿法冶金路线对腐蚀性浸出介质的依赖。其他强酸和强碱体系也引发了对试剂消耗、设备腐蚀和废水处理的担忧[13], [14], [15], [16]。因此,最近的研究越来越多地集中在开发更绿色的浸出体系上,这些体系具有更低的化学消耗、更好的可回收性和减少的环境影响,用于退役光伏回收[10], [17], [18]。此外,许多报道的路线止步于银溶解,AgCl 沉淀或粗银回收,这提供了有限的产品升级。因为银粉是光伏银浆的主要导电成分,其粒径,形貌和微观结构强烈影响印刷行为,烧结活性,导电性和电池性能[19], [20]。因此,将回收的银转化为可控的超细银粉可以为光伏银回收提供额外的增值途径。
低共熔溶剂 (DESs) 和相关有机溶剂体系最近已被探索作为金属回收的替代介质。Zhang 等人 [21] 使用添加了 CuCl2 的氯化胆碱 - 尿素低共熔溶剂从晶体硅太阳能电池板中回收银。Huang 等人 [22] 报道了一种可回收的 BeCl–EG–CuCl? 体系用于从多晶硅光伏面板中回收银,显示出高的银浸出效率和良好的溶剂可回收性。这些 CuCl2 辅助体系是高效的,但引入额外的 Cu 物种可能会使下游银纯化和产品质量控制复杂化。Yang 等人 [23] 开发了一种氯化胆碱 - 草酸/双氧水 (ChCl–OA/H2O2) 体系用于废旧太阳能电池回收,显示了无金属盐氧化剂的双氧水辅助浸出的潜力。Lemoine 等人 [24] 也提出了一种基于 Ethaline 的低共熔溶剂路线用于光伏电池的循环银回收。这些研究证明了从光伏废料中辅助溶剂浸出银的可行性。然而,对于进一步将回收的银物种转化为超细银粉的集成路线,浸出介质不仅应有效地溶解金属银,还应尽量减少引入外来金属离子,简化下游纯化,并仍然适合料液重复使用。因此,一种无金属盐的有机介质结合清洁氧化剂将更有利于银回收和产品再生。
乙二醇 - 柠檬酸 (EG–CA) 体系为此目的提供了一个可能的平台,因为它们结合了温和的有机酸环境和氢键液体相。Zeng 等人 [25] 开发了一种 EG–CA 浸出体系用于废旧 LiNi?/?Co?/?Mn?/?O? 正极材料,其中 EG 和 CA 的协同作用实现了在温和有机酸条件下的高效金属浸出。受这种有机介质的启发,本研究引入 H2O2 作为清洁氧化剂以克服光伏电池中金属银的化学惰性。在这个 EG–CA/H2O2 体系中,H2O2 提供了将 Ag0 转化为溶解银物种的氧化驱动力,而 EG–CA 介质提供了酸度和可能促进银溶解和后续回收的液相环境。与 CuCl2 辅助体系相比,EG–CA/H2O2 路线避免了额外的过渡金属氧化剂,这有利于下游银纯化和银粉再生。因此,本工作中开发了一种 EG–CA/H2O2 路线用于从预处理的退役光伏电池中氧化浸出银和后续超细银粉再生。系统研究了关键操作参数对银浸出的影响,包括动力学和机理分析,料液重复使用评估,超细银粉再生以及所提出工艺的环境和经济评估。

章节摘要

材料,试剂和原料预处理

退役晶体硅光伏组件由华能太仓发电有限公司提供。去除前玻璃,乙烯 - 醋酸乙烯酯 (EVA) 封装剂,背板和框架后,获得的预处理含银光伏部分用作浸出实验的原料,如图 S1 所示。XRF 分析显示该部分主要由 Si 组成,检测到 Ag 作为目标有价值金属。Ag 含量为 0.9813 wt%,对应于大约

EG–CA/H2O2 体系的浸出性能和优化

首先评估了 EG–CA/H2O2 体系的银浸出性能,以确定控制预处理光伏碎片中金属银溶解的主要因素。根据表 S3 中的 L9(34) 正交结果,四个因素的影响顺序为等效 H2O2 用量 (R = 86.03) > 固液比 (R = 51.22) > 温度 (R = 30.58) > 反应时间 (R = 24.26)。这一排名表明 EG–CA/H2O2 体系中的银溶解主要受

结论

总之,本研究开发了一种无金属盐的 EG–CA/H2O2 体系用于从废旧晶体硅光伏电池中绿色回收银和再生超细银粉。机理结果表明 H2O2 氧化了金属银,柠檬酸提供了酸度和可能的配位点,EG–CA 氢键液体环境有利于溶解银物种的稳定。这种耦合溶解环境使得在优化条件下实现 99.8% 的银浸出

伦理声明

作者声明无竞争利益。

CRediT 作者贡献声明

姜晓翔 (Xiaoxiang Jiang): 资源,资金获取。 兰雪 (Xue Lan): 验证。 陈星 (Xing Chen): 资源。 郭飞红 (Feihong Guo): 监督,项目管理,资金获取。 韩雨扬 (Yuyang Han): 写作 - 原稿,验证,软件,研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。

致谢

作者感谢江苏省自然科学基金青年项目 (BK20200736) 和江苏省高校自然科学研究基金重大项目 (22KJA480001) 提供的支持。作者感谢利兹大学化学与工艺工程学院的 Jabbar Gardy 在语言编辑和校对方面的帮助。这项工作得到了国家自然科学基金委员会的资助 (资助号 52406251)。作者
韩雨扬 |郭飞红 |陈星 |兰雪 |姜晓翔
江苏省能源系统过程转换与排放控制技术工程实验室,南京师范大学能源科学与工程学院,南京,210042,中国
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