DOI：10.1016/j.seppur.2026.136891

全文概述

本文系統(tǒng)研究了利用快速焦耳加熱（FJH）技術(shù)實現(xiàn)鋁電解廢碳陰極（SCC）中碳與氟化物的閃蒸分離機制。研究揭示了樣品加熱容器（SHC）幾何結(jié)構(gòu)對分離效率的關(guān)鍵影響，發(fā)現(xiàn)管狀SHC因其能有效促進揮發(fā)物逸出并作為物理過濾器防止碳顆粒夾帶，表現(xiàn)出最優(yōu)分離性能。在最優(yōu)條件下（4次FJH循環(huán)、75%填充率、500A電流），可獲得純度達96.0%的碳基材料。文中還結(jié)合熱力學(xué)分析與多尺度表征手段，闡明了氟化物的閃蒸揮發(fā)與難熔氧化物的碳熱還原兩大分離機制，為復(fù)雜多組分固廢的資源化回收提供了新思路。

文章亮點

（1）結(jié)構(gòu)突破：首次揭示SHC結(jié)構(gòu)對FJH分離效果的決定性作用，管狀側(cè)向開孔設(shè)計兼具揮發(fā)物逃逸通道與碳顆粒過濾功能，解決碳夾帶難題。

（2）高效快速：單循環(huán)處理僅需數(shù)秒，相比傳統(tǒng)焙燒、真空蒸餾等方法，效率提升數(shù)個數(shù)量級，且無需化學(xué)添加劑。

（3）雙重機制：闡明閃蒸蒸發(fā)與碳熱還原協(xié)同作用的分離原理，實現(xiàn)氟化物與難熔氧化物的同步高效去除。

（4）高值回收：最優(yōu)條件下碳基體純度達96.0%，且石墨化程度提升、缺陷密度降低，為廢碳陰極高值化利用奠定基礎(chǔ)。

圖文解析

1、焦耳熱（FJH）分離系統(tǒng)

比較了五種不同結(jié)構(gòu)的SHC對分離效率的影響，管狀（#1）、不同尺寸樣品槽（#2、#3）、帶微孔蓋板的樣品槽（#4）、石墨紙折疊式（#5），結(jié)構(gòu)差異直接影響加熱速率與分離行為。

2、不同SHC的FJH處理結(jié)果及分離效率

圖中展示了使用不同SHC進行FJH處理后的實驗現(xiàn)象。管狀SHC（#1）處理后，大量白色物質(zhì)（主要為NaF）附著在收集板上，而其他結(jié)構(gòu)SHC處理后，既有白色物質(zhì)也有黑色物質(zhì)釋放，表明存在碳顆粒夾帶現(xiàn)象。實驗結(jié)果顯示，使用#1 SHC后，基材碳含量從63.6%提升至87.7%，且揮發(fā)物中碳含量極低（0.4%），實現(xiàn)了高選擇性分離。

3、FJH最佳工藝參數(shù)

展示了不同F(xiàn)JH循環(huán)次數(shù)、樣品填充比例和預(yù)設(shè)電流條件下的底物碳含量。隨著FJH循環(huán)次數(shù)增加，底物碳含量逐漸提高；在75%填充比例和500A預(yù)設(shè)電流條件下，底物碳含量達到最優(yōu)（96.0%）。原始樣品為粉末狀，1次循環(huán)后燒結(jié)為柱狀結(jié)構(gòu)（電解質(zhì)熔融粘結(jié)碳顆粒），2次循環(huán)后逐漸松散，8次循環(huán)后恢復(fù)粉末狀（電解質(zhì)完全分離）。

4、表征及分離機制驗證

圖（a）XRD結(jié)果顯示，隨循環(huán)次數(shù)增加，NaF、Al?O?衍射峰逐漸消失，8次循環(huán)后僅殘留CaF?，證實主要雜質(zhì)去除效果。圖（b）拉曼ID/IG比值從0.44降至0.18，表明石墨化程度提升、缺陷密度降低。

SEM-EDS表面掃描圖像結(jié)果顯示，原始SCC中C、O、F、Na、Al均勻分布；8次循環(huán)后O、F、Na、Al含量顯著降低，Si、Ca分布無明顯變化。直觀呈現(xiàn)元素分布變化，證實主要雜質(zhì)的高效去除及 Si、Ca的存留特性。

SCC組分飽和蒸氣壓曲線結(jié)果顯示，蒸氣壓順序為AlF?＜Na?AlF?＜NaF＜SiO?＜CaF?＜Al?O?，NaF、Na?AlF?在1600℃以下即可蒸餾，而CaF?、Al?O?蒸氣壓低，難以直接閃蒸分離。為分離機制提供熱力學(xué)依據(jù)，解釋了氟化物閃蒸與氧化物需碳熱還原的差異。

SiO?與Al?O?碳熱還原的ΔG-T曲線顯示，圖（a）SiO?結(jié)果顯示1522℃以上可通過多路徑還原生成Si或SiC，熱力學(xué)上優(yōu)先轉(zhuǎn)化為SiC。圖（b）Al?O?結(jié)果顯示，2000℃以上還原生成Al、AlO等氣態(tài)產(chǎn)物，為氧化物去除提供理論支撐。

總結(jié)與展望

本文通過系統(tǒng)研究FJH技術(shù)在鋁電解廢碳陰極資源化回收中的應(yīng)用，揭示了SHC幾何結(jié)構(gòu)對分離效率的關(guān)鍵影響，并優(yōu)化了處理參數(shù)以實現(xiàn)高效分離。研究不僅為復(fù)雜多組分固體廢物的FJH處理提供了新見解，還展示了該技術(shù)在環(huán)保與經(jīng)濟效益方面的顯著優(yōu)勢。未來工作可進一步探索SHC內(nèi)瞬態(tài)壓力動力學(xué)和流體動力學(xué)的定量分析，以及FJH技術(shù)在其他危險廢物回收中的應(yīng)用潛力。

通訊作者簡介

陳昱冉，鄭州大學(xué)直聘副教授，碩士生導(dǎo)師。2020年6月博士畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，2020年7月入職鄭州大學(xué)。主持或參與國家自然科學(xué)基金2項，省部級及市廳級基金6項。研究方向：1）鋁工業(yè)固廢處理及資源化利用；2）超聲波基礎(chǔ)理論及超聲團聚研究；3）微細(xì)礦物浮選工藝及設(shè)備。擔(dān)任《Seperation》期刊特刊編輯，擔(dān)任期刊《Frontiers in Chemistry》評審編輯，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文44篇，其中第一或通訊作者論文21篇，授權(quán)發(fā)明專利8項。

孔亞鵬，鄭州大學(xué)直聘研究員，博士生導(dǎo)師。2020年6月博士畢業(yè)于東北大學(xué)，2023年12月入職鄭州大學(xué)。圍繞稀有金屬熔鹽電化學(xué)冶金、綠色鋁冶金新技術(shù)、工業(yè)固廢資源化處理等方向，以第一作者/通訊作者發(fā)表論文十余篇；主持或參與國家自然科學(xué)青年基金、河南省重大科技專項、鄭州市協(xié)同創(chuàng)新重大科技專項等項目，形成的技術(shù)成果鋁電解槽雙端節(jié)能理論研究與關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)”獲中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎，參與的“半熔態(tài)銅鋁鑄軋復(fù)合關(guān)鍵成形技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化”項目成果獲2024年度中國產(chǎn)學(xué)研合作科技創(chuàng)新成果獎。

本文使用的焦耳加熱裝置是由合肥原位科技有限公司研發(fā)，感謝老師支持與認(rèn)可！

焦耳加熱裝置

焦耳加熱裝置是一種新型快速熱處理/合成的設(shè)備，該設(shè)備可使材料在極短（毫秒級/秒級）時間內(nèi)達到極高的溫度（1000~3000℃），升溫速率最快可達到10000k/s；通過對材料的極速升溫，可考察材料在極端環(huán)境、劇烈熱震情況下的物性改變，可通過極速升降溫制備納米尺度顆粒，單原子催化劑，高熵合金等。目前廣泛應(yīng)用在電池材料、催化劑、碳材料、陶瓷材料、金屬材料、塑料降解、生物質(zhì)等領(lǐng)域。