热解对光伏电池板进行预处理
为了从光伏板中分离硅电池片,由乙烯醋酸乙烯酯(EVA)制成的粘合剂和由PET-PVA-PET制成的背板(TPT),通过热解分解。
所分离的硅电池片、铜丝、聚合物和玻璃的重量分别占 4.53、1.13、14.41 和 79.92 wt%(图1c),其中硅电池片中Ag和Al含量分别为2.82和73.33 mg/g。
硅电池片的SEM-EDS图像如图1d-1f所示。银以30 μm的条状形式存在于硅电池片表面,由微米粒子团簇而成(图1d),这与银电极的制造工艺有关。球状的铝电极位于硅电池片背面(图1e),其不仅以单质形式存在,还可能存在少量氧化铝钝化层。截面图显示 了层状维度上的元素分布 (图1f),其中O和N多分布在正面,说明抗反射层可能由氧化硅和氮化硅组成,且在实际样品中为深蓝色。硅电池片在两电极中间,可测量其厚度约170 μm。
图1. 光伏电池板TPT和EVA的TG曲线(a)和FT-IR光谱(b),热解产物(c),硅电池片正面(d)、背面(e)和侧面(f)的SEM-EDS图(来源:
Green Chem.
)
DES-H
2
O
2
体系的浸出过程
DES-H
2
O
2
水溶液系统的浸出性能以银的浸出效率进行分析,在以下考察因素下铝已达到完全浸出。众所周知,酸在金属浸出中发挥着重要作用,因此银浸出过程首先在不同的氯化胆碱-草酸浓度(0.5-3.5 mol/L)下研究,如图2a所示。随着氯化胆碱-草酸浓度从0.5 mol/L增加到2.0 mol/L,银的浸出效率明显提高,而随着浓度从2.0 mol/L上升到3.5 mol/L,浸出效率略有下降。银的浸出效率在氯化胆碱-草酸浓度为2.0 mol/L时达到84.85%,此时反应达到平衡。随后浸出效率的降低可能是由于粘度增加导致的传质性能的下降。因此,优选的氯化胆碱-草酸浓度为2.0 mol/L。
随着H
2
O
2
浓度的增加,银的浸出效率先升高后急剧下降。当H
2
O
2
浓度为2.0 mol/L时,最高浸出率为89.85%。浸出效率的突然下降可能是由于高浓度H
2
O
2
加速草酸的消耗。因此,选择2.0 mol/L作为合适的H
2
O
2
浓度。
固液比(S/L)对浸出效率的影响如图2c所示。S/L从1/25增加到1/100的时候,银的浸出率从5.58%上升到89.85%,而固液比继续增加至1/150时浸出率没有明显提高。当固液比为1/100时,已达到银的高效浸出,该条件下反应的活性物质已满足银的浸出。为了减少DES的用量,优选的固液比为1/100。
在上述优选条件下,浸出率随时间的变化趋势如图所示(图2d),银的浸出效率在浸出的前1 h内急剧升高,随着时间反应时间的延长,浸出效率达到90%以上。由于反应在2 h内几乎稳定,最佳浸出时间应控制在2 h,此时银的浸出效率为89.19%。
图2. 氯化胆碱-草酸浓度(a)、双氧水浓度(b)、液固比(c)和时间(d)对银浸出效率的影响(来源:
Green Chem.
)
银浸出过程的协同效应
采用对比实验鉴定了浸出体系中的有效物质,不同水溶液体系的金属浸出效率如图3a所示。在ChCl-H
2
O或OA-H
2
O体系中,Ag的浸出效率极低,而OA-H
2
O体系的Al浸出效率达到100%,说明草酸是Al浸出的主要活性物质。银在DES-H
2
O中的浸出率从几乎为零上升到45.17%,在DES-H
2
O
2
中持续增加到90%左右,说明了ChCl-OA和H
2
O
2
在银浸过程中均有重要作用。
1. H
2
O
2
中活化能的降低和氧化性的增强
过氧化氢是一种众所周知的氧化剂,其能在银的催化下分解,伴随着自由基和银离子释放(方程2). 硅电池片中银以微米形式存在。值得关注的是,浸出后硅电池片表面SEM图中观察到了一些纳米银团簇(图3b),表明该过程为纳米级的反应过程,纳米银上更多的活性位点与更大的比表面积都促进了银的氧化。此外,图3c比较了几个体系的酸度,草酸浓度相同时,DES-H
2
O
2
体系pH值最低。有趣的是,有研究表明银的氧化浸出速率在低pH值下加快,这解释了DES-H
2
O
2
体系中更高的银浸出效率。此外,作者还在DES-H
2
O
2
体系中检测到了超氧自由基(·O
2
-
),其对于体系氧化性的增强也极有可能促进银的氧化浸出过程(Fig. 3d)。总而言之,银可以直接被H
2
O
2
直接氧化,浸出的活化能减少,DES-H
2
O
2
体系中产生的氢离子(H
+
)和超氧自由基(·O
2
-
)在更低的pH环境下协同促进银的浸出(方程3和4)。动力学实验表明,银浸出的活化能伴随着溶液中H
2
O
2
的存在而降低(从123.521至24.133 kJ/mol),如文S2、表S2和S3、图S4和S5所示。
Ag + 2H
2
O
2
→Ag
+
+ ·O
2
-
+ 2H
2
O (2)
3Ag + 3H
2
O
2
+ 2H
+
→3Ag
+
+ ·O
2
-
+ 4H
2
O (3)
3Ag + 4H
+
+ ·O
2
-
→3Ag
+
+ 2H
2
O (4)
图3. 不同体系的银铝浸出效率(a)、DES-H
2
O
2
浸出后硅电池片表面的SEM图像(b)、不同体系的pH值(c)、DES-H
2
O
2
浸出体系的EPR谱图(d)(来源:
Green Chem.
)
2. DES中酸度的增强和络合物的形成
与氯化胆碱或草酸水溶液相比,DES的形成过程伴随着氢键的形成,推测其形成是银离子释放的关键因素。有研究表明,分子内氢键的相互作用能引发电子转移,尤其是在短链分子中,该效应更为明显。此外,DES混合物的熔点随着氢键强度的增加而降低,增强 草酸在DES水溶液中的溶解度,从而提高体系的酸性。相关研究表明,DES的强酸性也会促进金属浸出。综上所述,银被氢键网格包围,氢键间的电子转移作用促进了银的直接氧化,而酸性环境下其浸出过程被促进。此外,有文献指出HBA的络合能力也是金属浸出的关键。金属与DES中配体物质的快速络合促进了浸出反应向正向进行。
先对银配合物在体系中可能的存在形式进行讨论。一方面,银是一种典型的过渡金属,它具有未占据的d轨道,而酮氧的未成对电子可以使草酸成为合适的配体并与金属和Cl
-
络合。Ag
+
的 5s5p四个电子轨道都是空的,因此羧酸盐可以作为合适的配体与银形成络合物,其中两个银充当中心离子,与两个羧酸盐桥接,Ag和羧酸盐的二聚体结构已被一些研究进行报道。另一方面,Cl
-
存在于DES体系的氯化胆碱中,通常可以以氯化银的形式沉淀银离子。而在醇-氯化胆碱基的DES中,银会与过量Cl
-
形成 [AgCl