印度巴巴原子能研究中心CEJGAS：0.05秒升至3270 K 瞬时焦耳加热将废树脂转化为乱层石墨烯并回收稀土铈

通讯作者Kinshuk Dasgupta通讯单位印度巴巴原子能研究中心BARC论文DOI10.1016/j.cejgas.2026.1000951. 背景稀土元素支撑新能源、电子、催化、国防和先进制造等关键产业但其供应链集中、分离纯化复杂推动了从二次资源中回收稀土的需求。离子交换树脂常用于稀土吸附和分离服役后却会形成含金属残留的聚合物固废传统填埋或焚烧不仅资源损失明显也带来环境和处置压力。瞬时焦耳加热FJH能在毫秒级实现局部超高温既可将含碳废物转化为乱层石墨烯也可能利用金属元素与碳基体在高温下挥发行为的差异实现材料升级与关键金属回收的耦合。2. 论文概要2026年7月10日印度巴巴原子能研究中心BARC研究团队在国际期刊《Chemical Engineering Journal: Green and Sustainable》发表研究以负载 Ce 的 Amberlite XAD-16 离子交换树脂为模型体系将树脂珠与 5 wt% 炭黑混合后置于自制 FJH 装置中在 180 mF 电容、200 V 充电电压、1 s 放电和四次闪蒸条件下处理 0.5 g 样品。样品表面温度在 0.05 s 内超过 3270 K有限元模拟显示内部峰值温度可达约 4290 K使聚合物完全裂解并重排为乱层石墨烯同时使 Ce 挥发并被冷阱捕获。最终产物中 ICP-AES 和 XPS 均未检出 Ce石墨烯表现出低缺陷和乱层特征ID/IG 0.12 ± 0.04I2D/IG 3.01 ± 0.20层间距为 3.41 ± 0.03 Å在 0.01 Pa 真空下Ce 回收率达到 71 ± 2.20%。3. 图文解读图1 FJH 同步升级废树脂并回收稀土的概念图该图给出了研究的总体闭环含稀土残留的废离子交换树脂经 FJH 处理后碳骨架被转化为乱层石墨烯Ce 等稀土元素在超高温下挥发并进入冷阱回收。核心价值在于把“树脂固废处置”和“稀土二次资源回收”压缩到同一个秒级热过程。图2 FJH 装置与样品制备流程装置由电容组、铜电极、石英管、真空泵和水冷冷阱组成样品制备则是将 Ce 负载树脂与炭黑混合提高初始导电性后进行闪蒸。这里的工程关键点是炭黑保证电流通路真空和冷阱负责把挥发 Ce 快速带离热区并捕获降低其重新吸附到石墨烯表面的可能性。图3 FJH 电压温度过程、文献参数对比与温度场模拟过程窗口显示电容充至 200 V 后快速放电样品表面温度在 0.05 s 内升至约 3270 K与既有废物 FJH 升级研究相比本工作采用更高电压和更高电容并通过四次闪蒸保证转化完全。有限元结果进一步表明样品内部温度可接近 4290 K而石英管温度保持在约 1000 K说明热量高度局域化有利于反应充分和装置复用。图4 FJH 过程照片、拉曼光谱与 TS1/TS2 面扫描闪蒸照片中的放气现象对应树脂裂解和非碳组分去除拉曼光谱中 D、G、2D 以及 TS1/TS2 峰共同证明石墨烯化和乱层堆垛。单次闪蒸虽然局部已出现乱层石墨烯信号但面扫描仍不均一到第四次闪蒸TS1/TS2 区域基本转为绿色说明多次热脉冲是实现全样品均匀转化的必要条件。图5 石墨烯 SEM、HRTEM、XRD 与乱层结构示意SEM 显示闪蒸次数增加后产物由较小颗粒/片段逐步转向更明显的片层形貌HRTEM 和 SAED 证实产物为少层结构。XRD 中 (002) 峰偏离 Bernal 石墨位置层间距扩大至约 3.41 Å结合乱层结构示意图说明该产物不是普通石墨而是层间耦合较弱、易分散且更具反应活性的乱层石墨烯。图6 分子动力学模拟揭示聚苯乙烯向石墨烯转化机制分子动力学模拟表明聚苯乙烯类结构在 1000-2500 K 下主要保持无序裂解状态而在 3000 K 以上开始快速重排为片状 sp2 碳网络在 3500 K 保温过程中缺陷随时间减少。单链演化路径显示聚合物先断链为小片段和单体再进一步脱氢、裂解并重组为石墨烯片层这解释了实验中的放气现象和高温成片机制。图7 Ce 挥发、冷阱捕获与回收率Ce 的蒸气压随温度升高而显著增加使其在 FJH 条件下可从碳基体中选择性挥发ICP-AES 谱图显示冷阱中出现 Ce 信号而石墨烯中未检出 Ce证明“净化石墨烯”和“捕获稀土”同步发生。回收率随真空度提高而上升在 0.01 Pa 下达到 71 ± 2.20%但尚未实现定量回收后续仍需优化传质、冷凝和捕获效率。4. 总结展望这项工作将稀土吸附树脂的末端处置转化为“高值碳材料制备 关键金属回收”的耦合工艺证明 FJH 可以在无需溶剂和催化剂的条件下将废离子交换树脂升级为高结晶度乱层石墨烯并同步实现 Ce 的彻底脱除和部分回收。其科学意义在于揭示了聚合物在毫秒级超高温下断键、脱氢和 sp2 重排的路径工程意义则在于为树脂固废减量、稀土二次资源利用和石墨烯低成本制备提供了同一平台。未来的关键问题包括混合稀土体系的选择性回收、不同树脂和真实工业杂质的适应性、连续化反应器放大、氢气副产物管理、冷阱捕获效率提升以及全过程能耗、成本和生命周期评价若 Ce 回收率能进一步提升并保持石墨烯质量稳定FJH 有望成为连接固废资源化与关键金属循环的重要技术路线。文献信息Simultaneous recovery of adsorbed rare earth elements and upcycling ofspent ion exchange resins into graphene via flash joule heating. Chemical Engineering Journal: Green and Sustainable2026DOI: 10.1016/j.cejgas.2026.100095.