浪费等于浪费：利用咖啡渣从电子废弃物中选择性提取黄金

《Journal of Environmental Management》：Waste treats waste: the gold selective extraction from electronic waste utilizing coffee grounds

　　

摘要

从电子废弃物（e-waste）中实现经济可行且环保的黄金回收仍是资源循环利用领域中的关键挑战。废弃咖啡渣（SCGs）是一种全球范围内大量存在的农业废弃物，通常被丢弃而未得到有效利用，导致了资源浪费和生态负担。为解决电子废弃物和废弃咖啡渣这两大资源浪费问题，本研究采用废弃咖啡渣作为功能性吸附剂，实现了卓越的黄金提取能力，并实现了从电子废弃物中环保地回收黄金。在pH值为1的条件下，废弃咖啡渣的黄金吸附能力达到每克4.29克（4.29 g/g），并且在存在竞争离子的情况下对Au(III)具有高选择性。这种优异的吸附性能归因于废弃咖啡渣的芳香结构，该结构既作为活性位点，又作为关键的电子供体。这些结构促进了黄金离子的吸附，同时为Au(III)的还原提供了电子，从而使黄金离子自发转化为金属黄金。技术经济分析验证了这一策略的显著经济可行性，其投入产出比为1386%，净利润可观。与传统黄金回收技术相比，所提出的方法实现了两种废弃物的协同增值，为电子废弃物的回收和废弃咖啡渣的升级利用提供了经济高效且环境可持续的解决方案。

引言

随着电气和电子设备（EEE）的生产持续增加，其平均使用寿命却在缩短，电子废弃物（e-waste）迅速成为全球增长最快的废弃物类型（Peng和Shehabi，2023；Sun等人，2018）。据《全球电子废弃物监测报告》的最新数据显示，2022年全球产生的电子废弃物达6200万吨，预计到2030年将增加到8000万吨以上（Lysaght等人，2026），目前的电子废弃物产生速度是其收集和回收速度的五倍，对环境和人类健康构成了重大风险（Chen等人，2021；Lèbre等人，2017；Zeng等人，2018）。同时，电子废弃物中还含有多种具有较高经济价值的金属，如黄金、银和钯（Mon等人，2016）。目前最常用的黄金回收方法包括工业火法冶金和湿法冶金工艺（Rezaee等人，2023；Zupanc等人，2023）。火法冶金需要高温处理且缺乏选择性，而湿法冶金则需要大量无机酸，这会导致二次污染（Cui和Zhang，2008；Li等人，2019）。尽管一些研究人员提出了经济且环保的生物冶金方法，但这些方法涉及微生物培养，且处理周期较长，限制了其大规模应用（Natarajan和Ting，2014；Trivedi等人，2022）。因此，亟需一种简单有效的回收方法，能够在保持较小环境影响的同时实现高程度的黄金提取。

最近，各种新型材料被用作Au(III)的吸附剂，例如金属有机框架（MOF）（Xue等人，2023）、共价有机框架（COF）（Zhao等人，2024；Liu等人，2024；Qiu等人，2023；Yang等人，2022；Zhang等人，2021；Zadehnazari等人，2024）、多孔芳香框架（Huang等人，2024；Luo等人，2022）、聚合物水凝胶（Wang等人，2024；Peydayesh等人，2024；Majumder等人，2024）、多孔聚合物（Shin等人，2024；Shi等人，2024；Li等人，2023；Hong等人，2020）以及二维材料（Qiang等人，2023；Li等人，2022；Zhao等人，2025；Qiu等人，2026）、热碳（Fu等人，2024）等。这些吸附剂在电子废弃物浸出液中显示出较高的吸附能力（室温下吸附范围为1.600至4.400克/克）和精确的选择性（>95%）。然而，在实际应用中应考虑吸附剂的成本和二次污染风险。例如，TpTsc COF的合成过程对化学品依赖性较高，不仅需要特定的单体，还需要大量高纯度溶剂进行多次洗涤，最终使化学成本高达20,450美元/千克（Zhang等人，2021）。虽然rGO的原材料成本相对较低（69美元/千克），但其前体GO是一种化学密集型材料，存在二次污染风险（Li等人，2022）。受可持续发展需求的推动，生物质衍生碳材料作为一种成本低廉且丰富的吸附剂受到了广泛关注。各种基于生物质的吸附剂——如N、S共掺杂的层状和介孔碳吸附剂（BNS-HPC）（Zhan等人，2024）、聚合物功能化的Lagerstroemia speciosa叶片粉末（PEI-LS）（Choudhary等人，2018）以及生物质衍生活性炭（AC）（Bediako等人，2024）——表现出300至1679毫克/克的黄金回收能力（表S1）。然而，未经复杂改性的原始生物质材料的吸附效率由于表面积有限和缺乏活性位点而始终不够理想。因此，发现一种无需化学改性即可自发实现超高黄金回收率的丰富生物质仍然是一个巨大的科学挑战。

咖啡渣（CGs）是日常生活中最常见的生物质形式之一。据Rabobank的数据统计，2026/27季全球咖啡产量预计将达到1.8亿袋（每袋60千克），创下历史新高。每生产一克咖啡，就会产生0.91克的废弃咖啡渣（SCGs）（Ren等人，2021）。大量废弃咖啡渣通过现场填埋和露天焚烧处理，导致土壤和空气污染（Lee等人，2024；Battista等人，2020；Bevilacqua等人，2024）。因此，迫切需要开发创新的处理技术，将这些废弃咖啡渣纳入新的应用领域。在本研究中，我们使用废弃咖啡渣从电子废弃物中实现了经济且环保的黄金回收（图1），在pH值为1的条件下从离子溶液中提取黄金时的回收率达到4.29克/克。在提取过程中，废弃咖啡渣将黄金离子还原为金属黄金，避免了后续吸附处理中的洗脱和沉淀步骤。此外，可以从复杂的中央处理单元（CPU）浸出液中选择性地提取黄金，选择性高达97.48%。最后，我们讨论了废弃咖啡渣回收的技术经济优势以及该过程的可扩展性。

章节片段

废弃咖啡渣

废弃咖啡渣（SCGs）免费从多家当地咖啡店收集。使用前，将收集到的咖啡渣研磨成细颗粒，并进行干燥处理以去除剩余水分，确保后续实验所需的材料性质稳定且一致。通过Beishide BSD-660M分析仪进行N₂吸附-解吸测量来评估废弃咖啡渣的孔结构。结果表明

废弃咖啡渣的高黄金吸附性能

首先，在室温下探讨了废弃咖啡渣从水溶液中捕获Au(III)的能力。通过将废弃咖啡渣与初始浓度范围为10至1500百万分之一（ppm）的Au(III)溶液搅拌，确定了废弃咖啡渣的吸附等温线。如图2a所示，吸附能力随浓度的增加而增加，并达到一个平台值。具体来说，1克废弃咖啡渣可以从10、50

结论

本研究展示了一种利用未经改性的废弃咖啡渣（SCGs）从电子废弃物（e-waste）中回收黄金的简便、经济且环保的方法。废弃咖啡渣在pH值为1的条件下表现出超高的黄金吸附能力，为4.29克/克，并且在复杂的CPU浸出液中具有97.48%的出色选择性，这使其非常适合当前电子废弃物回收过程中恶劣的浸出环境。废弃咖啡渣具有优异的固有还原性

CRediT作者贡献声明

Mengjiao Wu：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论、研究、数据分析、概念化、软件。Xiaoling Lei：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、方法论、研究、概念化。Lian Zou：撰写——审稿与编辑、方法论、数据分析。Xu Guo：方法论。Zihao Wei：方法论。Junlin Jia：方法论。Yi Huang：方法论。Shuai Wang：研究、资金获取、数据分析

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的研究工作。

致谢

本项工作得到了《上海科技创新行动计划》（23JC1401400）、国家自然科学基金（编号12435001）、华东科技大学的基本研究基金以及国家自然科学基金（22508351）的支持。

Mengjiao Wu|Xiaoling Lei|Lian Zou|Xu Guo|Zihao Wei|Junlin Jia|Yi Huang|Shuai Wang|Haiping Fang|Yu Qiang

华东科技大学原子控制与无机二维超材料应用重点实验室，中国上海，200237