CN115989330A - 用于处理灰分的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本文公开了用于处理灰分的系统和方法。例如，在某些实施方案中，所述方法包括将至少一部分灰分溶解在酸中。在一些实施方案中，酸是在反应器中产生的。在一些实施方案中，将至少一部分灰分溶解在酸中产生精制二氧化硅(SiO2)(例如，无定形二氧化硅、基本纯的二氧化硅和/或大量的二氧化硅)。根据某些实施方案，可以对灰分进行进一步处理(例如，使用电解提取、基于pH的沉淀和/或电解精炼)以获得代替精制二氧化硅或除精制二氧化硅之外的其他组分。
Description
相关申请
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2020年7月21日提交的美国临时专利申请第63/054,703号的优先权，其在此通过引用整体并入。
技术领域
一般地描述了用于处理灰分的方法和相关系统。
发明内容
本文公开了用于处理灰分的系统和方法。例如，在某些实施方案中，所述方法包括将至少一部分灰分溶解在酸中。在一些实施方案中，酸是在反应器中产生的。在一些实施方案中，将至少一部分灰分溶解在酸中产生精制二氧化硅(SiO2)(例如，无定形二氧化硅、基本纯的二氧化硅和/或大量的二氧化硅)。根据某些实施方案，可以对灰分进行进一步处理(例如，使用电解提取、基于pH的沉淀和/或电解精炼)以获得代替精制二氧化硅或除精制二氧化硅之外的其他组分。例如，在一些情况下，将至少一部分灰分溶解在酸中产生精制二氧化硅和酸浸出液，并且可以对酸浸出液进行电解提取以获得其他组分(例如，电镀金属)，所述其他组分可以任选地通过电解精炼进行进一步分离。类似地，在某些情况下，对酸浸出液进行电解提取还产生水溶液，并且向水溶液中添加碱可以使其他组分(例如，一种或更多种金属氢氧化物)沉淀。更进一步地，除了对酸浸出液进行电解提取之外或作为对酸浸出液进行电解提取的替代方案，在一些实施方案中，可以向精制二氧化硅中添加碱以形成碱性溶液和固体，可以向碱性溶液中添加酸以形成酸性溶液，并且可以对酸性溶液进行电解提取以获得其他组分(例如，电镀贵金属)。在某些实施方案中，碱是在反应器中产生的。
某些方面涉及方法。在一些实施方案中，所述方法包括将至少一部分灰分溶解在酸中以产生纯度大于或等于60重量％的精制二氧化硅。
当结合附图考虑时，本发明的其他优点和新特征将从以下本发明的多个非限制性实施方案的详细描述中变得明显。在本说明书和通过引用并入的文献包括冲突和/或不一致的公开内容的情况下，应以本说明书为准。
附图说明
将参照附图通过实例来描述本发明的非限制性实施方案，其中一些附图是示意性的并且不旨在按比例绘制。在附图中，所示出的每个相同或几乎相同的组成部分通常由单一附图标记表示。出于清楚的目的，并非在每个附图中都标记了每个组成部分，在图示不是使本领域普通技术人员理解本发明所必要的情况下，也未示出本发明的每个实施方案的每个组成部分。在附图中：
图1是根据某些实施方案的处理灰分的方法的示意图。
图2是根据某些实施方案的方法的流程图。
图3A示出了不同来源的城市固体废物焚烧炉(municipal solid wasteincinerator，MSWI)底灰(bottom ash，BA)中按丰度排序的元素。并非所有来源都对所有元素进行了分析。图例中注明了每个来源所分析的元素数量(N)。图3B示出了按价值(丰度×价格)排序的1kg BA中元素的相应累积价值。
图4A示出了酸和碱的电解生产。图4B示出了CaCO3溶解和Ca(OH)2沉淀的反应。
图5A示出了来自实验室规模反应器的沉淀产物。图5B是表明来自图5A的沉淀产物为Ca(OH)2的XRD。图5C示出了产生的Ca(OH)2的一种沉淀物形态和尺寸比例尺，同时图5D示出了另一种。图5E示出了起始天然石灰石、除去的杂质和最终的纯熟石灰。
图6绘制了各种元素(x轴)相对于元素溶解度为0.1mol/L时的pH(左侧y轴，深灰色圆圈)(空心符号由相似元素的溶解度常数近似得到)以及针对相对浓度调节的还原电势(右侧y轴，浅灰色圆圈)。在水平线以下，电化学水分解是有利的。
图7示出了根据某些实施方案的用于使用酸、碱和电力流来分离MSWI灰分的组分的方法的流程图。
图8示出了使用电感耦合等离子体发射(ICP)光谱仪的灰分的各个级分的组成分析。
图9是当将灰分用酸浸出时不溶性部分的代表性能量色散X射线检测器(EDS)谱。
图10是当将灰分用酸浸出时不溶性部分的X射线衍射(XRD)图。
图11是通过在4、5、7、13和14的pH值下对酸浸出液进行顺序沉淀而获得的沉淀物的照片。
图12是通过在相对于Ag/AgCl参比电极-0.75V下进行电解提取而回收的金属沉积物的代表性SEM图像。
图13是根据某些实施方案的用于从灰分中回收元素的合适的操作顺序的一个非限制性实例。
具体实施方式
本文公开了用于处理灰分的系统和方法。例如，在某些实施方案中，所述方法包括将至少一部分灰分溶解在酸中。在一些实施方案中，酸是在反应器中产生的。在一些实施方案中，将至少一部分灰分溶解在酸中产生精制二氧化硅(SiO2)(例如，无定形二氧化硅、基本纯的二氧化硅和/或大量的二氧化硅)。根据某些实施方案，可以对灰分进行进一步处理(例如，使用电解提取、基于pH的沉淀和/或电解精炼)以获得代替精制二氧化硅或除精制二氧化硅之外的其他组分。例如，在一些情况下，将至少一部分灰分溶解在酸中产生精制二氧化硅和酸浸出液，并且可以对酸浸出液进行电解提取以获得其他组分(例如，电镀金属)，所述其他组分可以任选地进行进一步分离(例如，通过电解精炼)。类似地，在某些情况下，对酸浸出液进行电解提取还产生水溶液，并且向水溶液中添加碱可以使其他组分(例如，一种或更多种金属氢氧化物)沉淀。更进一步地，除了对酸浸出液进行电解提取之外或作为对酸浸出液进行电解提取的替代方案，在一些实施方案中，可以向精制二氧化硅中添加碱以形成碱性溶液和固体，可以向碱性溶液中添加酸以形成酸性溶液，并且可以对酸性溶液进行电解提取以获得其他组分(例如，电镀贵金属)。在某些实施方案中，碱是在反应器中产生的。
某些方面与方法有关。
在一些实施方案中，所述方法包括将至少一部分灰分溶解在酸中以产生精制二氧化硅(SiO2)。术语“精制二氧化硅”在本文中通常用于指二氧化硅(SiO2)的质量百分比高于由其精制二氧化硅的灰分(例如，灰分)中存在的二氧化硅(SiO2)的材料。例如，在图1中，在一些情况下，所述方法包括将至少一部分灰分101溶解在酸102中以产生精制二氧化硅104。在某些实施方案中，将至少一部分物质(例如，灰分)溶解包括将至少一部分固体(例如，灰分)(例如，固体的至少25重量％、至少50重量％、至少75重量％、至少90重量％或全部)溶解以形成至少一种或更多种溶解的组分(例如，一种或更多种离子、元素和/或化合物)。在某些情况下，将至少一部分灰分溶解包括形成某些溶解的组分(例如，某些金属)，同时灰分的一些组分保持固体形式(例如，二氧化硅或二氧化硅的一部分)。在某些实施方案中，将至少一部分灰分溶解包括由不是二氧化硅的灰分组分(本文也称为非二氧化硅灰分组分)的至少25重量％、至少50重量％、至少75重量％、至少90重量％或全部形成溶解的组分。在一些情况下，本文所公开的固体包括结晶固体、无定形固体、纳米晶体固体和/或其混合物。
在某些实施方案中，灰分包括来自燃烧过程(例如，来自燃煤发电厂)的城市固体废物焚烧炉(MSWI)灰、底灰和/或飞灰。在一些实施方案中，灰分包含以下5种元素中的多于或等于3种(例如，多于或等于4种、或5种)：Si、Ca、Fe、Al和Na。在某些实施方案中，灰分以各自大于或等于0.01重量％、大于或等于0.1重量％、或者大于或等于1重量％的量包含5种元素(Si、Ca、Fe、Al和Na)中的多于或等于3种(例如，多于或等于4种、或5种)。根据一些实施方案，灰分以各自小于或等于50重量％、小于或等于40重量％、小于或等于30重量％、小于或等于20重量％、小于或等于10重量％、或者小于或等于5重量％的量包含5种元素(Si、Ca、Fe、Al和Na)中的多于或等于3种(例如，多于或等于4种、或5种)。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.01重量％且小于或等于50重量％、大于或等于0.1重量％且小于或等于40重量％、或者大于或等于1重量％且小于或等于40重量％)。
在某些实施方案中，灰分包含大于或等于0.1重量％的Si、大于或等于1重量％的Si、大于或等于2重量％的Si、大于或等于5重量％的Si、大于或等于10重量％的Si、或者大于或等于20重量％的Si。根据一些实施方案，灰分包含小于或等于50重量％的Si、小于或等于40重量％的Si、小于或等于30重量％的Si、小于或等于20重量％的Si、或者小于或等于10重量％的Si。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.1重量％且小于或等于50重量％的Si、大于或等于5重量％且小于或等于50重量％的Si、或者大于或等于20重量％且小于或等于40重量％的Si)。
在某些实施方案中，灰分包含大于或等于0.01重量％的Ca、大于或等于0.1重量％的Ca、大于或等于1重量％的Ca、大于或等于5重量％的Ca、或者大于或等于10重量％的Ca。根据一些实施方案，灰分包含小于或等于50重量％的Ca、小于或等于40重量％的Ca、小于或等于30重量％的Ca、小于或等于20重量％的Ca、小于或等于10重量％的Ca、或者小于或等于5重量％的Ca。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.01重量％且小于或等于50重量％的Ca、大于或等于5重量％且小于或等于40重量％的Ca、或者大于或等于10重量％且小于或等于30重量％的Ca)。
在某些实施方案中，灰分包含大于或等于0.01重量％的Fe、大于或等于0.1重量％的Fe、大于或等于1重量％的Fe、或者大于或等于2重量％的Fe。根据一些实施方案，灰分包含小于或等于30重量％的Fe、小于或等于20重量％的Fe、小于或等于10重量％的Fe、小于或等于5重量％的Fe、或者小于或等于1重量％的Fe。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.01重量％且小于或等于30重量％的Fe、大于或等于1重量％且小于或等于10重量％的Fe、或者大于或等于2重量％至小于或等于20重量％的Fe)。
在某些实施方案中，灰分包含大于或等于0.01重量％的Al、大于或等于0.1重量％的Al、大于或等于1重量％的Al、或者大于或等于2重量％的Al。根据一些实施方案，灰分包含小于或等于40重量％的Al、小于或等于30重量％的Al、小于或等于20重量％的Al、小于或等于10重量％的Al、或者小于或等于5重量％的Al。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.01重量％且小于或等于40重量％的Al、大于或等于1重量％且小于或等于10重量％的Al、或者大于或等于2重量％且小于或等于30重量％)。
在某些实施方案中，灰分包含大于或等于0.01重量％的Na、大于或等于0.1重量％的Na、大于或等于1重量％的Na、或者大于或等于2重量％的Na。根据一些实施方案，灰分包含小于或等于15重量％的Na、小于或等于10重量％的Na、或者小于或等于5重量％的Na。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.01重量％且小于或等于15重量％的Na、大于或等于1重量％且小于或等于5重量％的Na、或者大于或等于2重量％且小于或等于10重量％的Na)。
在一些实施方案中，灰分包含诸如硅和/或金属(例如，碱金属、碱土金属、周期表第3至13族中的金属、第一行过渡金属、贱金属、稀土金属、铂族元素、贵元素和/或后过渡金属)的组分。碱金属的实例包括Li、Na、K、Rb和Cs。碱土金属的实例包括Be、Mg、Ca、Sr和Ba。第一行过渡金属的实例包括Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni。贱金属的实例包括Cu、Zn、Al和Sn。稀土元素的实例包括Ce、Dy、Er、Eu、Gd、Ho、La、Lu、Nd、Pr、Pm、Sm、Sc、Tb、Tm、Yb和Y。铂族元素或贵元素的实例包括Ru、Rh、Pd、Re、Os、Ir、Pt、Au和Ag。后过渡金属的实例包括Ga、Ge、As、Se、Cd、In、Sb、Te、Tl、Pb、Bi、Po、以及Th和U。
在某些情况下，灰分包含一定浓度的一种或更多种这些组分。例如，在一些实施方案中，灰分中的一种或更多种这些组分的浓度为灰分总重量的大于或等于0.0001重量％、大于或等于0.001重量％、大于或等于0.01重量％、大于或等于0.1重量％、大于或等于1重量％、大于或等于3重量％、大于或等于5重量％、大于或等于10重量％、大于或等于15重量％、大于或等于20重量％、大于或等于25重量％、大于或等于30重量％、大于或等于35重量％、大于或等于40重量％、大于或等于50重量％、大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、或者大于或等于90重量％。在某些实施方案中，灰分中的一种或更多种这些组分的浓度为灰分总重量的小于或等于99重量％、小于或等于95重量％、小于或等于90重量％、小于或等于80重量％、小于或等于70重量％、小于或等于60重量％、小于或等于50重量％、小于或等于45重量％、小于或等于40重量％、小于或等于35重量％、小于或等于30重量％、小于或等于25重量％、小于或等于20重量％、小于或等于15重量％、小于或等于10重量％、小于或等于5重量％、小于或等于1重量％、小于或等于0.5重量％、或者小于或等于0.1重量％。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.0001重量％且小于或等于99重量％、大于或等于1重量％且小于或等于99重量％、大于或等于1重量％且小于或等于50重量％、大于或等于0.001重量％且小于或等于5重量％、或者大于或等于3重量％且小于或等于40重量％)。
在一些实施方案中，酸包括本文所公开的任何酸，例如在反应器中产生的酸。在以下中进一步详细地描述了在反应器中产生酸的方法：2019年1月16日提交的美国临时专利申请第62/793,294号；2019年2月1日提交的美国临时专利申请第62/800,220号；2019年3月14日提交的美国临时专利申请第62/818,604号；2019年8月15日提交的美国临时专利申请第62/887,143号；2020年1月16日提交的美国临时专利申请第62/962,061号；2020年5月1日提交的美国临时专利申请第63/018,696号；2020年7月21日提交的美国临时专利申请第63/054,683号；2020年1月16日提交的于2020年7月23日公布为WO 2020/150449的国际专利申请号PCT/US2020/013837；2020年3月13日提交的于2020年9月17日公布为WO 2020/186178的国际专利申请号PCT/US2020/022672；和2021年4月29日提交的国际专利申请号PCT/US2021/029918；其全部出于所有目的在此通过引用整体并入。合适的酸的实例包括HCl、HNO3和/或H2SO4。
根据某些实施方案，精制二氧化硅为基本纯的。例如，在一些实施方案中，精制二氧化硅几乎不具有除二氧化硅之外的组分。例如，在一些情况下，精制二氧化硅的纯度大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、大于或等于98重量％、或者大于或等于99重量％。在某些情况下，精制二氧化硅的纯度小于或等于100重量％、小于或等于99.9重量％、小于或等于99.5重量％、小于或等于99重量％、小于或等于98重量％、小于或等于95重量％、小于或等于90重量％、或者小于或等于80重量％。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于60重量％且小于或等于100重量％、大于或等于60重量％且小于或等于99.9重量％、大于或等于80重量％且小于或等于99.9重量％、或者大于或等于90重量％且小于或等于99.9重量％)。精制二氧化硅的“纯度”是指为SiO2的精制二氧化硅的百分比(按重量计)。
根据某些实施方案，精制二氧化硅基本上不含有毒杂质。例如，在一些情况下，精制二氧化硅具有小于或等于2重量％(或者小于或等于1重量％、小于或等于0.1重量％、小于或等于0.01重量％、小于或等于0.001重量％、或者小于或等于0.0005重量％)的有毒杂质。在某些情况下，精制二氧化硅具有大于或等于0.0001重量％的有毒杂质。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.0001重量％且小于或等于2重量％的有毒杂质)。有毒杂质的实例包括不适合于在垃圾填埋场中废弃(disposing)的杂质，例如汞、铅、镉、铬和砷。在一些情况下，精制二氧化硅具有小于或等于2重量％(或者小于或等于1重量％、小于或等于0.1重量％、小于或等于0.01重量％、小于或等于0.001重量％、或者小于或等于0.0005重量％，和/或大于或等于0.0001重量％)的汞。在一些情况下，精制二氧化硅具有小于或等于2重量％(或者小于或等于1重量％、小于或等于0.1重量％、小于或等于0.01重量％、小于或等于0.001重量％、或者小于或等于0.0005重量％，和/或大于或等于0.0001重量％)的铅。在一些情况下，精制二氧化硅具有小于或等于2重量％(或者小于或等于1重量％、小于或等于0.1重量％、小于或等于0.01重量％、小于或等于0.001重量％、或者小于或等于0.0005重量％，和/或大于或等于0.0001重量％)的镉。在一些情况下，精制二氧化硅具有小于或等于2重量％(或者小于或等于1重量％、小于或等于0.1重量％、小于或等于0.01重量％、小于或等于0.001重量％、或者小于或等于0.0005重量％，和/或大于或等于0.0001重量％)的铬。在一些情况下，精制二氧化硅具有小于或等于2重量％(或者小于或等于1重量％、小于或等于0.1重量％、小于或等于0.01重量％、小于或等于0.001重量％、或者小于或等于0.0005重量％，和/或大于或等于0.0001重量％)的砷。
根据一些实施方案，所述方法包括产生大量的精制二氧化硅。例如，在一些情况下，所述方法包括产生大于或等于10kg、大于或等于100kg、或者大于或等于1,000kg的精制二氧化硅。在某些情况下，所述方法包括产生小于或等于1,000,000kg、小于或等于100,000kg、小于或等于10,000kg、或者小于或等于1,000kg的精制二氧化硅。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于10kg且小于或等于100,000kg、或者大于或等于100kg且小于或等于10,000kg、或者大于或等于1,000kg且小于或等于10,000kg)。
根据一些实施方案，精制二氧化硅为固体。例如，在一些情况下，精制二氧化硅包括结晶固体、无定形固体、纳米晶体固体和/或其混合物。根据某些实施方案，精制二氧化硅包含大量的无定形二氧化硅。例如，在一些实施方案中，精制二氧化硅包含大于或等于10重量％、大于或等于20重量％、大于或等于30重量％、大于或等于40重量％、大于或等于50重量％、大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、或者大于或等于80重量％的无定形二氧化硅。在某些实施方案中，精制二氧化硅包含小于或等于95重量％、小于或等于90重量％、小于或等于80重量％、小于或等于70重量％、或者小于或等于60重量％的无定形二氧化硅。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于10重量％且小于或等于95重量％、大于或等于20重量％且小于或等于80重量％、大于或等于30重量％且小于或等于70重量％、大于或等于40重量％且小于或等于60重量％、大于或等于80重量％且小于或等于95重量％、或者大于或等于70重量％且小于或等于95重量％)。
根据一些实施方案，所述方法还包括在垃圾填埋场中废弃精制二氧化硅；使用精制二氧化硅作为水泥、混凝土和/或其他建筑材料中的组分；使用精制二氧化硅来制造玻璃；和/或使用精制二氧化硅作为干燥剂、作为增稠剂、和/或作为橡胶或塑料中的添加剂。
在一些实施方案中，将至少一部分灰分溶解在酸中产生精制二氧化硅和酸浸出液。例如，在图1中，在某些情况下，所述方法包括将至少一部分灰分101溶解在酸102中以产生精制二氧化硅104和酸浸出液103。
在某些实施方案中，所述方法还包括至少部分地将精制二氧化硅与酸浸出液分离(例如，使用离心和/或过滤，例如真空过滤和/或重力过滤)。在一些实施方案中，至少部分地将精制二氧化硅与酸浸出液分离包括产生第一分离部分和第二分离部分，其中与第二分离部分相比，第一分离部分具有相对大的所产生的精制二氧化硅的百分比(按重量计)，以及与第一分离部分相比，第二分离部分具有相对大的所产生的酸浸出液的百分比(按重量计)。例如，在一些情况下，第一分离部分包含溶解期间存在的二氧化硅的大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％。在一些实施方案中，第一分离部分包含溶解期间存在的二氧化硅的100重量％。在某些情况下，第二分离部分包含由溶解产生的酸浸出液的大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％。在一些实施方案中，第二分离部分包含由溶解产生的酸浸出液的100重量％。这些范围的组合也是可能的(例如，第一分离部分包含溶解期间存在的二氧化硅的大于或等于60重量％并且第二分离部分包含由溶解产生的酸浸出液的大于或等于60重量％)。例如，在将包含50克二氧化硅的灰分至少部分地溶解在酸中以产生50克二氧化硅和1,000克酸浸出液的情况下，如果第一分离部分包含大于或等于30克的二氧化硅以及第二分离部分包含大于或等于600克的酸浸出液，那么第一分离部分包含溶解期间存在的二氧化硅的大于或等于60重量％以及第二分离部分包含由溶解产生的酸浸出液的大于或等于60重量％。
在某些实施方案中，第一分离部分包含大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％的精制二氧化硅。在一些实施方案中，第一分离部分包含100重量％的精制二氧化硅。在某些实施方案中，第二分离部分包含大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％的酸浸出液。在一些实施方案中，第二分离部分包含100重量％的酸浸出液。这些范围的组合也是可能的(例如，第一分离部分包含大于或等于60重量％的精制二氧化硅并且第二分离部分包含大于或等于60重量％的酸浸出液)。例如，如果第一分离部分重100克并且包含大于或等于60克的精制二氧化硅以及第二分离部分重100克并且包含大于或等于60克的酸浸出液，那么第一分离部分包含大于或等于60重量％的精制二氧化硅以及第二分离部分包含大于或等于60重量％的酸浸出液。
根据某些实施方案，可以对灰分进行进一步处理(例如，使用电解提取、基于pH的沉淀和/或电解精炼，例如，以任何顺序)以获得代替精制二氧化硅或除精制二氧化硅之外的其他组分。例如，在一些实施方案中，可以以任何顺序使酸浸出液经受电解提取、电解精炼和/或基于pH的沉淀。例如，在一些情况下，首先使酸浸出液经受电解提取(任选地随后经受电解精炼)，然后经受基于pH的沉淀。作为另一个实例，在某些情况下，首先使酸浸出液经受基于pH的沉淀，然后经受电解提取(任选地随后经受电解精炼)。不希望受理论束缚，认为在某些情况下，在基于pH的沉淀之前进行电解提取是有益的，例如，当沉淀的物质以少量(例如，灰分、酸浸出液和/或溶液的小于或等于10重量％、小于或等于5重量％、小于或等于3重量％或者小于或等于1重量％)存在时。
在一些实施方案中，进一步处理步骤包括顺序步骤。例如，在某些情况下，电解提取包括顺序步骤(例如，在一个电压下进行电解提取以获得一种金属，然后在不同的电压下进行电解提取以获得另一种金属)。在一些情况下，基于pH的沉淀包括顺序步骤(例如，在一个pH下使一种金属盐例如金属氢氧化物沉淀，然后在另一个pH下使另一种金属盐例如另一种金属氢氧化物沉淀)。在一些实施方案中，顺序的电解提取和/或顺序的基于pH的沉淀包括连续地降低电压和/或pH。在某些实施方案中，顺序的电解提取和/或顺序的基于pH的沉淀包括连续地增大电压和/或pH。
根据某些实施方案，所述方法还包括电解提取(例如，对酸浸出液进行电解提取)。在一些情况下，电解提取(例如，对酸浸出液进行电解提取)包括施加相对于标准氢电极大于或等于-5V、大于或等于-4V、大于或等于-3V、大于或等于-2V、大于或等于-1V、大于或等于-0.75V、大于或等于-0.5V、大于或等于-0.25V、或者大于或等于0V的电势。在某些情况下，电解提取(例如，对酸浸出液进行电解提取)包括施加相对于标准氢电极小于或等于2V、小于或等于1V、小于或等于0V、小于或等于-0.25V、小于或等于-0.5V、小于或等于-0.75V、小于或等于-1V、或者小于或等于-2V的电势。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于-5V且小于或等于2V或者大于或等于-3V且小于或等于2V)。
根据一些实施方案，施加电势包括施加恒定电势。在某些实施方案中，施加电势包括施加变化的电势(例如，时变电势、电势脉冲序列或逐步增大或减小的电势序列)。
在某些实施方案中，电解提取(和/或电解精炼)包括使用片状构造的导电电极。在一些实施方案中，电极具有比片状电极(包括网状、泡沫、织物或垫构造的电极)更高的每投影面积的表面积和/或更高的每克电极材料的表面积。在一些实施方案中，电极包含一种或更多种导电材料，例如金属、金属合金、金属碳化物、金属氧化物、金属氮化物、或碳。在一些实施方案中，电极包含纤维、晶须、纳米纤维、纳米管、或其他高表面积形态。在一些实施方案中，电极包含碳纳米纤维或碳纳米管。
在某些实施方案中，电解提取电极的比表面积大于或等于0.1m2/g、大于或等于0.5m2/g、大于或等于1m2/g、大于或等于5m2/g、或者大于或等于10m2/g。在一些实施方案中，电解提取电极的比表面积小于或等于1000m2/g、小于或等于500m2/g、小于或等于300m2/g、或者小于或等于200m2/g。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.1m2/g且小于或等于1000m2/g、大于或等于0.5m2/g且小于或等于500m2/g、大于或等于5m2/g且小于或等于300m2/g、或者大于或等于10m2/g且小于或等于200m2/g)。
在一些实施方案中，电解提取(和/或电解精炼)装置为流过式(flow-by)设计，其意味着酸浸出液至少在装置的一些部分中沿平行于电极平面的方向流动，同时由电极提供的电场至少在装置的一些部分中垂直于流动方向。所述装置包括一个或更多个保持在正电势的电极和一个或更多个保持在负电势的电极，酸浸出液流过所述电极。当使用多于一个电极时，电极各自保持在相同或不同的电势。
在一些实施方案中，电解提取(和/或电解精炼装置)为流通式(flow-through)设计，其意味着装置的至少电极为多孔的(非限制性实例为纤维的网状物、泡沫、织物和/或垫)，并且酸浸出液至少在装置的一些部分中沿垂直于所述电极平面的方向流动(例如，包括通过多孔电极)，同时由电极提供的电场至少在装置的一些部分中平行于流动方向。所述装置包括一个或更多个保持在正电势的电极和一个或更多个保持在负电势的电极，酸浸出液流过所述电极。当使用多于一个电极时，电极各自保持在相同或不同的电势。
在一些实施方案中，电解提取(和/或电解精炼装置)包括含有一个或更多个保持在正电势的电极和一个或更多个保持在负电势的电极的单室。在一些实施方案中，电解提取(和/或电解精炼)装置包括多于一个室(例如，1至20个、2至20个、1至10个、2至10个、2至5个、或1至5个室)，其各自含有一个或更多个保持在正电势的电极和一个或更多个保持在负电势的电极。在一些实施方案中，电解提取(和/或电解精炼)装置包括一个或更多个参比电极，相对于所述参比电极测量正电极和/或负电极的电势。在一些实施方案中，酸浸出液流过所述一个或多个室一次。在一些实施方案中，使酸浸出液再循环并流过所述一个或多个室两次或更多次。在一些实施方案中，酸浸出液在一个或更多个室中的同时搅拌(例如，如本文其他地方所公开的)。在一些实施方案中，酸浸出液通过所述一个或多个室的流动是连续的，在另一些实施方案中，所述流动是中断的，以允许酸浸出液在所述一个或多个室内比在连续流动的情况下停留更长的时间。
在一些实施方案中，对酸浸出液进行电解提取产生一种或更多种电镀金属。合适的电镀金属的实例包括Mn、Zn、Cr、Fe、Cd、Co、Ni、Pb、Cu、Bi、As、Ag和Hg。不希望受理论束缚，认为在使以微量存在于灰分中的金属沉淀方面，电解提取比基于pH的沉淀更有效。在某些情况下，一种或更多种电镀金属包括以灰分的小于或等于10重量％、小于或等于5重量％、小于或等于3重量％或者小于或等于1重量％的量存在的金属。在一些情况下，一种或更多种电镀金属包括以灰分的按重量计大于或等于1份/十亿份(ppb)、大于或等于1份/百万份(ppm)、或者大于或等于0.1重量％的量存在的金属。这些范围的组合也是可能的(例如，灰分的大于或等于1ppb且小于或等于10重量％、大于或等于1ppm且小于或等于1重量％、大于或等于1ppm且小于或等于3重量％、或者大于或等于0.1重量％且小于或等于5重量％)。
根据某些实施方案，对酸浸出液进行电解提取产生至少两种电镀金属(例如，至少3种、至少4种、至少5种；少于或等于10种、少于或等于8种、少于或等于6种；组合也是可能的)。不希望受理论束缚，认为在一些情况下，与一次电镀一种金属相比，电镀多种金属然后使用后续方法(例如电解精炼、再溶解、机械刮削和/或重力分离)来将它们分离更有效。在一些实施方案中，所述方法还包括对至少两种电镀金属进行电解精炼以至少部分地将至少一种电镀金属与余者分离。例如，在一些实施方案中，至少部分地将至少一种电镀金属与余者分离包括产生第一分离金属部分和第二分离金属部分，其中第一分离金属部分具有与第二分离部分中的量相比相对大的第一电镀金属的量(按重量计)，以及第二分离部分具有与第一分离部分中的量相比相对大的第二电镀金属的量。例如，在一些情况下，第一分离金属部分包含来自电镀金属的第一电镀金属的大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％。在一些实施方案中，第一分离金属部分包含来自电镀金属的第一电镀金属的100重量％。在某些情况下，第二分离金属部分包含来自电镀金属的第二电镀金属的大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％。在一些实施方案中，第二分离金属部分包含来自电镀金属的第二电镀金属的100重量％。这些范围的组合也是可能的(例如，第一分离金属部分包含来自电镀金属的第一电镀金属的大于或等于60重量％并且第二分离金属部分包含来自电镀金属的第二电镀金属的大于或等于60重量％)。例如，如果电镀金属包含100克第一电镀金属和100克第二电镀金属，并且第一分离金属部分包含大于或等于60克的第一电镀金属以及第二分离金属部分包含大于或等于60克的第二电镀金属，那么第一分离部分包含来自电镀金属的第一电镀金属的大于或等于60重量％以及第二分离金属部分包含来自电镀金属的第二电镀金属的大于或等于60重量％。
在某些实施方案中，第一分离金属部分包含大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％的第一电镀金属。在一些实施方案中，第一分离金属部分包含100重量％的第一电镀金属。在某些情况下，第二分离金属部分包含大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％的第二电镀金属。在一些实施方案中，第二分离金属部分包含100重量％的第二电镀金属。这些范围的组合也是可能的(例如，第一分离金属部分包含大于或等于60重量％的第一电镀金属并且第二分离金属部分包含大于或等于60重量％的第二电镀金属)。例如，如果第一分离金属部分重100克并且其中大于或等于60克(大于或等于60重量％)为第一电镀金属，同时第二分离金属部分也重100克并且其中大于或等于60克(大于或等于60重量％)为第二电镀金属。
在一些实施方案中，对酸浸出液进行电解提取还产生水溶液(例如，除了电镀金属之外)。在某些情况下，所述方法包括向水溶液中添加碱。在一些情况下，碱包括本文所公开的任何碱，例如在反应器中产生的碱。合适的碱的实例包括NaOH、LiOH和/或KOH。在某些实施方案中，向水溶液中添加碱使一种或更多种金属盐(例如，金属氢氧化物)沉淀。根据一些实施方案，金属氢氧化物包括本文所公开的任何金属氢氧化物，例如氢氧化钙、氢氧化镁、氢氧化锶、氢氧化钡、氢氧化锰、铁氧化物、氢氧化钴、氢氧化镍、氢氧化锌、氢氧化锆、氢氧化铈、氢氧化钒、氢氧化钕、氢氧化镝、氢氧化镉、氢氧化铅、氢氧化硅、和/或氢氧化铝。在一些实施方案中，沉淀的氢氧化物为包含多于一种金属的混合氢氧化物(例如，本文所公开的任意两种金属氢氧化物的组合，例如Ca-Mg氢氧化物、Ba-Sr氢氧化物、Ni-Co氢氧化物等)。在一些情况下，使物质(例如，金属盐，例如金属氢氧化物)沉淀包括使两种或更多种溶解的离子、元素和/或化合物中的一些(例如，至少25重量％、至少50重量％、至少75重量％、至少90重量％、或全部)沉淀以形成固体。
根据某些实施方案，碱(例如，本文所公开的任何碱)包括沉淀剂。合适的沉淀剂的实例包括提供引起金属硝酸盐、金属硫酸盐、金属氯化物、金属碳酸盐、金属草酸盐或其他金属盐沉淀的阴离子的化合物。沉淀剂的实例包括CO2(例如，用于使碳酸盐，例如CaCO3或MgCO3沉淀)、硫酸根离子(例如，硫酸钠)(例如，用于使硫酸盐，例如CaSO4或MgSO4沉淀)、氟化物、氯化物、亚硫酸盐和/或磷酸盐。
根据某些实施方案，所述方法包括向精制二氧化硅中添加碱(例如，本文所公开的任何碱，例如在反应器中产生的碱)。在一些情况下，向精制二氧化硅中添加碱形成碱性溶液(例如，pH大于7的溶液，例如pH大于8的溶液)和固体。根据一些实施方案，所述方法包括至少部分地将固体与碱性溶液分离(例如，使用离心和/或过滤，例如真空过滤和/或重力过滤)以形成分离的碱性溶液。
在一些实施方案中，至少部分地将固体与碱性溶液分离包括产生第一分离部分和第二分离部分，其中与第二分离部分相比，第一分离部分具有相对大的所产生的固体的百分比(按重量计)，以及与第一分离部分相比，第二分离部分具有相对大的所产生的碱性溶液的百分比(按重量计)。例如，在一些情况下，第一分离部分包含由添加产生的固体的大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％。在一些实施方案中，第一分离部分包含由添加产生的固体的100重量％。在某些情况下，第二分离部分包含由添加产生的碱性溶液的大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％。在一些实施方案中，第二分离部分包含由添加产生的碱性溶液的100重量％。这些范围的组合也是可能的(例如，第一分离部分包含由添加产生的固体的大于或等于60重量％并且第二分离部分包含由添加产生的碱性溶液的大于或等于60重量％)。例如，如果向精制二氧化硅中添加碱产生100克固体和100克碱性溶液，并且第一分离部分包含大于或等于60克的固体以及第二分离部分包含大于或等于60克的碱性溶液，那么第一分离部分包含由添加产生的固体的大于或等于60重量％以及第二分离部分包含由添加产生的碱性溶液的大于或等于60重量％。
在一些实施方案中，第一分离部分包含大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％的固体。在一些实施方案中，第一分离部分包含100重量％的固体。在某些情况下，第二分离部分包含大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％的碱性溶液。在一些实施方案中，第一分离部分包含100重量％的碱性溶液。这些范围的组合也是可能的(例如，第一分离部分包含大于或等于60重量％的固体并且第二分离部分包含大于或等于60重量％的碱性溶液)。例如，如果第一分离部分重100克并且包含大于或等于60克的固体，以及第二分离部分重100克并且包含大于或等于60克的碱性溶液，那么第一分离部分包含大于或等于60重量％的固体以及第二分离部分包含大于或等于60重量％的碱性溶液。
在某些实施方案中，所述方法包括向分离的碱性溶液中添加酸(例如，本文所公开的任何酸，例如在反应器中产生的酸)以形成酸性溶液(例如，pH小于7例如小于或等于6的溶液)。
在一些实施方案中，所述方法包括对酸性溶液进行电解提取(例如，如本文其他地方所公开的)以产生一种或更多种电镀贵金属。可以使用电解提取进行镀覆的贵金属(例如，电镀贵金属)的实例包括金、银、铂、钯、铑和铱。在一些情况下，对酸性溶液进行电解提取产生至少两种电镀贵金属(例如，至少3种、至少4种、至少5种；少于或等于10种、少于或等于8种、少于或等于6种；组合也是可能的)。在某些情况下，所述方法还包括对至少两种电镀贵金属进行电解精炼以将至少一种电镀贵金属与余者分离。例如，在一些实施方案中，至少部分地将至少一种电镀贵金属与余者分离包括产生第一分离贵金属部分和第二分离贵金属部分，其中与第二分离贵金属部分相比，第一分离贵金属部分具有相对大的来自电镀贵金属的第一电镀贵金属的百分比(按重量计)，以及与第一分离贵金属部分相比，第二分离贵金属部分具有相对大的来自电镀贵金属的第二电镀贵金属的百分比(按重量计)。例如，在一些情况下，第一分离贵金属部分包含来自电镀贵金属的第一电镀贵金属的大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％。在一些实施方案中，第一分离贵金属部分包含来自电镀贵金属的第一电镀贵金属的100重量％。在某些情况下，第二分离贵金属部分包含来自电镀贵金属的第二电镀贵金属的大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％。在一些实施方案中，第二分离贵金属部分包含来自电镀贵金属的第二电镀贵金属的100重量％。这些范围的组合也是可能的(例如，第一分离贵金属部分包含来自电镀贵金属的第一电镀贵金属的大于或等于60重量％并且第二分离贵金属部分包含来自电镀贵金属的第二电镀贵金属的大于或等于60重量％)。例如，如果电镀贵金属包含100克第一电镀贵金属和100克第二电镀贵金属，并且第一分离贵金属部分包含大于或等于60克的第一电镀贵金属以及第二分离部分包含大于或等于60克的第二电镀贵金属，那么第一分离贵金属部分包含来自电镀贵金属的第一电镀贵金属的大于或等于60重量％以及第二分离贵金属部分包含来自电镀贵金属的第二电镀贵金属的大于或等于60重量％。
例如，在一些情况下，第一分离贵金属部分包含大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％的第一电镀贵金属。在一些实施方案中，第一分离贵金属部分包含100重量％的第一电镀贵金属。在某些情况下，第二分离贵金属部分包含大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％的第二电镀贵金属。在一些实施方案中，第二分离贵金属部分包含100重量％的第二电镀贵金属。这些范围的组合也是可能的(例如，第一分离贵金属部分包含大于或等于60重量％的第一电镀金属并且第二分离贵金属部分包含大于或等于60重量％的第二电镀贵金属)。例如，如果第一分离贵金属部分重100克并且包含大于或等于60克的第一电镀贵金属，以及第二分离贵金属部分重100克并且包含大于或等于60克的第二电镀贵金属，那么第一分离贵金属部分包含大于或等于60重量％的第一电镀贵金属以及第二分离贵金属部分包含大于或等于60重量％的第二电镀贵金属。
在一些实施方案中，所述方法包括在反应器中产生酸和/或碱。在一些实施方案中，反应器包括电化学反应器、氯碱反应器、非电解反应器(例如，酸燃烧器)和/或燃料电池(例如，H2/Cl2燃料电池)。在某些实施方案中，在反应器中产生的酸和/或碱在如本文其他地方所述使用时为未稀释的、稀释的和/或浓缩的。合适的反应器的实例公开于例如2019年1月16日提交的美国临时专利申请第62/793,294号；2019年2月1日提交的美国临时专利申请第62/800,220号；2019年3月14日提交的美国临时专利申请第62/818,604号；2019年8月15日提交的美国临时专利申请第62/887,143号；2020年1月16日提交的美国临时专利申请第62/962,061号；2020年5月1日提交的美国临时专利申请第63/018,696号；2020年7月21日提交的美国临时专利申请第63/054,683号；2020年1月16日提交的于2020年7月23日公布为WO2020/150449的国际专利申请号PCT/US2020/013837；2020年3月13日提交的于2020年9月17日公布为WO2020/186178的国际专利申请号PCT/US2020/022672；以及2021年4月29日提交的国际专利申请号PCT/US2021/029918；其全部出于所有目的在此通过引用整体并入。
在一些实施方案中，本文所公开的酸和/或酸性溶液的pH小于7、小于或等于6、小于或等于5、小于或等于4、小于或等于3、小于或等于2、小于或等于1、或者小于或等于0。在一些实施方案中，本文所公开的酸和/或酸性溶液的pH大于或等于-5、大于或等于-2、大于或等于0、大于或等于1、大于或等于2、大于或等于3、大于或等于4、或者大于或等于5。在某些情况下，本文所公开的酸和/或酸性溶液的pH为0。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于-5且小于7、大于或等于-2且小于或等于1、大于或等于0且小于或等于7、或者大于或等于0且小于或等于5)。
酸可以具有多个合适浓度中的任一者。在一些实施方案中，酸的浓度大于或等于0.000001M、大于或等于0.00001M、大于或等于0.0001M、大于或等于0.001M、大于或等于0.01M、大于或等于0.1M、大于或等于0.5M、大于或等于1M、大于或等于3M、大于或等于5M、大于或等于7M、或者大于或等于10M。在某些实施方案中，酸的浓度小于或等于12M、小于或等于10M、小于或等于7M、小于或等于5M、小于或等于3M、或者小于或等于1M。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.000001M且小于或等于12M或者大于或等于0.1M且小于或等于10M)。
在某些实施方案中，本文所公开的碱和/或碱性溶液的pH大于7、大于或等于8、大于或等于9、大于或等于10、大于或等于11、大于或等于12、大于或等于13、或者大于或等于14。根据某些实施方案，本文所公开的碱和/或碱性溶液的pH小于或等于19、小于或等于16、小于或等于14、小于或等于13、小于或等于12、小于或等于11、小于或等于10、小于或等于9、或者小于或等于8。在一些情况下，本文所公开的碱和/或碱性溶液的pH为14。这些范围的组合也是可能的(例如，大于7且小于或等于19、大于或等于9且小于或等于16、大于7且小于或等于14、或者大于或等于9且小于或等于14)。
碱可以具有多个合适浓度中的任一者。在一些实施方案中，碱的浓度大于或等于0.000001M、大于或等于0.00001M、大于或等于0.0001M、大于或等于0.001M、大于或等于0.01M、大于或等于0.1M、大于或等于0.5M、大于或等于1M、大于或等于3M、大于或等于5M、大于或等于7M、大于或等于10M、大于或等于15M、或者大于或等于20M。在某些实施方案中，碱的浓度小于或等于25M、小于或等于20M、小于或等于15M、小于或等于10M、小于或等于7M、小于或等于5M、或者小于或等于3M。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.1M且小于或等于25M或者大于或等于0.1M且小于或等于10M)。
在某些实施方案中，添加至灰分(和/或本文所公开的另外的物质，例如酸浸出液)中的酸和/或碱的体积为每0.1克灰分(或其他物质)小于或等于10mL酸和/或碱、或者每1克灰分(或其他物质)小于或等于10mL酸和/或碱。在一些实施方案中，添加至灰分(和/或本文所公开的另外的物质)中的酸和/或碱的体积为每10克灰分(或其他物质)大于或等于10mL酸和/或碱、或者每1克灰分(或其他物质)大于或等于10mL酸和/或碱。这些范围的组合也是可能的(例如，每10克灰分(或其他物质)大于或等于10mL酸和/或碱且每0.1克灰分(或其他物质)小于或等于10mL酸和/或碱)。
在一些实施方案中，本文所公开的步骤(例如，溶解、添加碱、添加酸、沉淀等)可以在它们之间具有分离步骤(例如，使用离心和/或过滤，例如真空过滤和/或重力过滤)(例如，用于将固体与液体分离)。在某些情况下，分离步骤产生第一分离部分和第二分离部分，其中与第二分离部分相比，第一分离部分具有相对大的第一组分(例如，固体)的百分比(按重量计)，以及与第一分离部分相比，第二分离部分具有相对大的第二组分的百分比(按重量计)。例如，在一些情况下，第一分离部分包含来自预分离混合物的第一组分(例如，固体)的大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％。在一些实施方案中，第一分离部分包含来自预分离混合物的第一组分(例如，固体)的100重量％。在某些情况下，第二分离部分包含来自预分离混合物的第二组分(例如，液体)的大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％。在一些实施方案中，第二分离部分包含来自预分离混合物的第二组分(例如，液体)的100重量％。这些范围的组合也是可能的(例如，第一分离部分包含来自预分离混合物的第一组分(例如，固体)的大于或等于60重量％并且第二分离部分包含来自预分离混合物的第二组分(例如，液体)的大于或等于60重量％)。例如，如果预分离混合物包含100克第一组分和100克第二组分，并且第一分离部分包含大于或等于60克的第一组分以及第二分离部分包含大于或等于至60克的第二组分，那么第一分离部分包含来自预分离混合物的第一组分的大于或等于60重量％以及第二分离部分包含来自预分离混合物的第二组分的大于或等于60重量％。
在某些实施方案中，第一分离部分包含大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％的第一组分(例如，固体)。在一些实施方案中，第一分离部分包含100重量％的第一组分(例如，固体)。在某些情况下，第二分离部分包含大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％的第二组分(例如，液体)。在一些实施方案中，第二分离部分包含100重量％的第二组分(例如，液体)。这些范围的组合也是可能的(例如，第一分离部分包含大于或等于60重量％的第一组分(例如，固体)并且第二分离部分包含大于或等于60重量％的第二组分(例如，液体))。例如，如果第一分离部分重100克并且包含大于或等于60克的第一组分，以及第二分离部分重100克并且包含大于或等于60克的第二组分，那么第一分离部分包含大于或等于60重量％的第一组分以及第二分离部分包含大于或等于60重量％的第二组分。
在某些实施方案中，除pH之外的各种因素可能影响本文所公开的各种物质和/或组分的溶解度。例如，在一些实施方案中，温度影响一种或更多种物质和/或组分的溶解度。在一些实施方案中，一个或更多个步骤(例如，溶解步骤、沉淀步骤、电解提取、电解精炼、添加碱和/或添加酸)的温度可以各自独立地大于或等于-10℃、大于或等于-5℃、大于或等于0℃、大于或等于5℃、大于或等于10℃、大于或等于15℃、大于或等于20℃、大于或等于25℃、大于或等于30℃、大于或等于40℃、或者大于或等于50℃。在某些实施方案中，一个或更多个步骤(例如，溶解步骤、沉淀步骤、电解提取、电解精炼、添加碱和/或添加酸)的温度可以各自独立地小于或等于100℃、小于或等于90℃、小于或等于80℃、小于或等于70℃、小于或等于60℃、小于或等于50℃、小于或等于40℃、小于或等于30℃、小于或等于25℃、小于或等于20℃、小于或等于15℃、小于或等于10℃、小于或等于5℃、或者小于或等于0℃。在一些实施方案中，一个或更多个步骤(例如，溶解步骤、沉淀步骤、电解提取、电解精炼、添加碱和/或添加酸)的温度可以为室温。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于-10℃且小于或等于50℃、大于或等于-5℃且小于或等于10℃、大于或等于15℃且小于或等于25℃、大于或等于25℃且小于或等于60℃、或者大于或等于50℃且小于或等于100℃)。
在某些情况下，对于一些或全部步骤(例如，溶解步骤、沉淀步骤、电解提取、电解精炼、添加碱和/或添加酸)的温度大致相同(例如在5摄氏度内、在3摄氏度内、或在1摄氏度内)。在一些情况下，对于一些或全部步骤(例如，溶解步骤、沉淀步骤、电解提取、电解精炼、添加碱和/或添加酸)的温度是不同的(例如，相差大于5度、大于10度、或大于15度)。
根据某些实施方案，沉淀步骤的温度影响所形成的晶体的尺寸。例如，在一些情况下，较高的温度(例如，大于或等于50℃)产生较小的晶体，而较低的温度(例如，小于或等于15℃)产生较大的晶体。
在一些情况下，搅动(例如搅拌、声处理和/或摇动)影响一种或更多种物质(例如灰分、金属、金属氢氧化物和/或二氧化硅)和/或组分的溶解度。在某些情况下，一个或更多个步骤(例如，溶解步骤、沉淀步骤、电解提取、电解精炼、添加碱和/或添加酸)包括搅动。
在某些实施方案中，本文所公开的容器、装置、物质和/或组分以合适的速率进行搅拌。例如，在一些实施方案中，本文所公开的容器、装置、物质和/或组分以大于或等于0rpm、大于或等于50rpm、大于或等于100rpm、大于或等于200rpm、大于或等于300rpm、或者大于或等于400rpm的速率进行搅拌。在某些情况下，本文所公开的容器、装置、物质和/或组分以小于或等于500rpm、小于或等于400rpm、小于或等于300rpm、小于或等于200rpm、或者小于或等于100rpm的速率进行搅拌。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0rpm且小于或等于500rpm、或者大于或等于50rpm且小于或等于500rpm)。在一些情况下，不对本文所公开的容器、物质和/或组分进行搅拌。
根据一些实施方案，给定步骤(例如，溶解步骤、沉淀步骤、电解提取、电解精炼、添加碱和/或添加酸)所允许的时间量影响一种或更多种物质(例如，灰分、金属、金属氢氧化物和/或二氧化硅)和/或组分的溶解度。根据某些实施方案，一个或更多个步骤(例如，溶解步骤、沉淀步骤、电解提取、电解精炼、添加碱和/或添加酸)的时间可以各自独立地大于或等于1分钟、大于或等于5分钟、大于或等于10分钟、大于或等于15分钟、大于或等于30分钟、大于或等于1小时、大于或等于6小时、大于或等于12小时、或者大于或等于24小时。在一些实施方案中，一个或更多个步骤(例如，溶解步骤、沉淀步骤、电解提取、电解精炼、添加碱和/或添加酸)的时间可以各自独立地小于或等于48小时、小于或等于36小时、小于或等于24小时、小于或等于12小时、小于或等于6小时、小于或等于1小时、小于或等于30分钟、小于或等于15分钟、或者小于或等于5分钟。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于1分钟且小于或等于48小时、或者大于或等于5分钟且小于或等于30分钟)。
根据某些实施方案，沉淀步骤所允许的时间量影响所形成的晶体的尺寸。例如，在一些情况下，较短的沉淀时间(例如，小于或等于5分钟)产生较小的晶体，而较长的沉淀时间(例如，大于或等于10分钟)产生较大的晶体。
在一些实施方案中，所施加的电势影响一种或更多种物质和/或组分的溶解度。在一些实施方案中，一个或更多个溶解步骤和/或沉淀步骤期间施加的电势(例如，通过电解提取)相对于标准氢电极可以各自独立地大于或等于-5V、大于或等于-3V、大于或等于-1V、或者大于或等于0V。在某些实施方案中，一个或更多个溶解步骤和/或沉淀步骤期间施加的电势(例如，通过电解提取)相对于标准氢电极可以各自独立地小于或等于2V、小于或等于0V、或者小于或等于-2V。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于-5V且小于或等于2V或者大于或等于-3V且小于或等于2V)。
在一些实施方案中，所述方法包括运行反应器(例如，本文描述的任何反应器)。在某些情况下，运行反应器包括向反应器的电极施加电流。在一些实施方案中，运行反应器引起在反应器内发生的至少一种化学反应。
在一些实施方案中，所述方法和/或反应器至少部分地(例如，至少10％、至少25％、至少50％、至少75％、至少90％、或100％)由可再生电力(例如，太阳能、风能、和/或水力发电)供以动力。在某些情况下，所述方法和/或反应器具有比不包括反应器的基本类似的系统更低的净碳排放(例如，低至少10％、低至少25％、低至少50％、低至少75％、或低至少90％)。在一些情况下，所述方法和/或反应器具有净零碳排放。
在某些实施方案中，反应器被配置成提供液体溶剂流(例如，本文所公开的任何液体溶剂流)(例如，酸性和/或碱性)。在一些实施方案中，反应器被配置成向一个或更多个容器(例如，不对大气开放的容器)提供液体流。根据某些实施方案，一个或更多个容器被配置成用于使物质(例如，本文所公开的任何物质，例如灰分)和/或固体与液体溶剂流接触。例如，在图1中，在某些情况下，容器105被配置成用于使物质(例如，灰分101)与液体溶剂流(例如，包含酸102的液体溶剂流)接触。
在一些实施方案中，系统包括大于或等于1个、大于或等于2个、大于或等于3个、大于或等于4个、或者大于或等于5个容器。在一些情况下，系统包括小于或等于6个、小于或等于5个、小于或等于4个、小于或等于3个、或者小于或等于2个容器。这些范围的组合也是可能的(例如1至6个容器)。在某些实施方案中，一个或更多个容器与反应器流体连接。
在某些实施方案中，反应器(例如，电化学反应器)提供液体溶剂流(例如，酸和/或碱)。在一些实施方案中，容器使物质(例如本文所公开的任何物质，例如灰分)与液体流接触。例如，在一些实施方案中，酸和/或碱从反应器流向容器(例如，容纳物质)。在一些实施方案中，所述方法包括使容器中的物质(例如本文所公开的任何物质，例如灰分)和/或固体与液体溶剂流接触。
在某些情况下，容器流体连接至一个或更多个另外的容器(例如，通过管道，例如管、通道、针或软管)。
根据一些实施方案，所述方法包括收集酸和/或碱。例如，在一些实施方案中，所述方法包括从产生酸和/或碱的反应器中移除酸和/或碱。收集酸和/或碱的合适方法的非限制性实例包括通过管道(例如，管、通道、针或软管)将酸和/或碱移至单独的容器中。收集酸和/或碱的其他合适的实例包括将酸和/或碱直接移至单独的容器(例如，通过可以移动以阻挡或允许流体扩散的面板连接至反应器的容器)中。在一些实施方案中，连续或分批收集酸和/或碱。在某些实施方案中，自动或手动收集酸和/或碱。
根据一些实施方案，所述方法包括储存酸和/或碱。例如，在某些实施方案中，在将酸和/或碱收集在单独的容器中之后，所述方法包括将酸和/或碱在单独的容器中保持至少一些时间。在一些实施方案中，所述方法包括将酸和/或碱储存大于或等于5分钟、大于或等于15分钟、大于或等于30分钟、大于或等于1小时、大于或等于5小时、大于或等于12小时、大于或等于1天、大于或等于2天、大于或等于3天、大于或等于1周、大于或等于2周、或者大于或等于1个月。在某些实施方案中，所述方法包括将酸和/或碱储存小于或等于1年、小于或等于6个月、小于或等于3个月、小于或等于2个月、小于或等于1个月、小于或等于2周、小于或等于1周、小于或等于3天、小于或等于2天、小于或等于1天、或者小于或等于12小时。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于5分钟且小于或等于1年、大于或等于5小时且小于或等于1天、或者大于或等于1周且小于或等于1年)。
在一些实施方案中，本文中描述的方法和/或系统具有一个或更多个优点，例如增加的物质纯度、增加的物质丰度、减少的废物(例如，减少的最终在垃圾填埋场中的物质的量)、和/或降低的成本(例如，通过回收物质)。
实施例1
本实施例描述了用于MSWI灰分的电化学处理的预测方法。
所提出的方法是用于处理MSWI灰分的水性电化学方法，仅由来自废物变能源(waste-to-energy，WTE)工厂的电力供以动力。该方法将使用电解反应器以共生产酸流和碱流以用于灰分的溶解、化学沉淀和电解提取。输入的材料仅包括水、电和低成本盐；输出的酸和碱允许将细颗粒状的富含矿物的底灰分离成从石灰到稀土元素到有价值的贱金属和贵金属的增值产品。该方法的共同益处包括允许电力输出间歇性的缓冲和不同步处理的内置化学能量储存，以及氢气的共生产以降低天然气消耗。除了提取稀释的有价值的元素之外，所提出的技术还可以将飞灰和底灰中的主要元素(包括Ca和Si)升级改造为有价值的产品，例如用于WTE工厂自身烟道气脱硫的熟石灰和用于水泥生产的硅酸钙。
城市固体废物处理是由于正在进行的城市化而加剧的日益增长的能源、环境和社会问题；到2050年，全球城市居民人口预计增加约35％。当将来自代表四个国家的五个不同来源的MSWI灰分的元素组成(在图3a中以元素浓度降低的顺序绘制)通过经由元素的相应价格进行换算时，基于纯元素的价值，各灰分的累计价值(图3b)在每kg灰分约0.30美元至约2.75美元的范围内。这超过了其他大量商品材料(例如平均美国售价为0.12美元/kg的普通波特兰水泥(OPC)或约0.10美元/kg的循环玻璃片)的价值。然而，大多数灰分目前被灰分填埋并且具有负价值；平均处理成本为约50美元/吨。虽然WTE工厂从电力销售中获得收入，但在减去约15％的用于工厂运行的电力之后的净收益仅为约0.055美元/kg灰分。通过直接使WTE电力流向灰分处理，可以潜在地实现大得多的价值。
解开MSWI灰分的矿物价值的障碍是迄今为止缺乏用于分离和纯化其中的元素的成本有效、环境友好的技术。所提出的技术是利用WTE电力的降低的价格，并且代替地使用其为灰分处理供电的创新解决方案。主要消耗品是水和电力。所提出的方法还将利用WTE工厂处的丰富的低等级热用于诸如干燥沉淀产物的功能。该方法将使用水性电化学来生产酸和碱以用于提取有价值的元素，然后使用化学沉淀和电解提取进行回收。其通过移除有价值的非金属并将关键材料(CM)浓缩来实施过程强化以用于更有效的回收。所提出的技术不产生新的危险废物，并且留下作为粉末或浆料的未收集的MSWI灰分。
所提出的技术将使用环境温度水性电解反应器来产生浓酸和浓碱的流，所述浓酸和浓碱的流被直接使用或储存以用于随后溶解BA中的组分以用于通过顺序沉淀和电解提取进行提取(图2)。该方法本质上是通用的和选择性的，因为利用酸流和碱流二者允许回收BA中几乎所有感兴趣的元素。有价值的沉淀产物包括熟石灰(Ca(OH)2)、水镁石(Mg(OH)2)、三水铝石(Al(OH)3)和稀土氢氧化物。仅熟石灰就具有0.15美元/kg的价值，原因在于其被WTE(和其他)发电厂消耗用于烟道气脱硫；所提出的技术将有助于减轻来自石灰石煅烧的CO2排放。在其他金属盐例如氯化物、硫酸盐或碳酸盐是期望的最终产物的情况下，低成本盐将提供用于沉淀的相应阴离子。有价值的电解提取产物包括各种金属。对于某些有价值的微量元素，在提取之前将通过溶剂提取或者(优选地)电动反渗透或电渗析将溶质浓缩。处理操作可以共同定位在WTE点上，或者远程在单独的工厂处或灰分填埋场(ashfill)处。当共同定位时，灰分的处理可以与焚烧同步进行，或者与材料储存不同时进行。
与现今MSWI灰分的近零价值或负价值相反，将可能以显著超过WTE电力价值的净正收益提取其包括的矿物价值，从而提供新的、更有利的价值主张，同时还减轻不断增长的灰分处理的环境负担，并且有利于美国关键材料保障。本文所公开的方法能够分离各种元素、细无机颗粒和被捕获在其他无机物中的金属颗粒。
碱性电解装置和氯碱工厂是在接近环境温度下工作并且利用水性电解质的大规模电解反应器的实例；前者用于生产氢(共生产的氧具有次要价值)，以及后者用于由NaCl生产氯气(副产物NaOH)，以用于各种氯化产品(例如聚氯乙烯，PVC)。本文所公开的方法使用这样的电解反应器或其他反应器，例如电渗析反应器，来代替生产酸和碱以用于提取和分离MSWI灰分(飞灰和底灰二者)中的元素。图4A示出了在电解装置中同时产生的酸(浅灰色)流和碱(深灰色)流，其中输入的电解质的pH＝7并且添加1M NaNO3作为支持电解质以增加溶液电导率并产生期望的无机酸(其在此为硝酸)。图4B示出了随后的反应，如CaCO3溶解在阴极(左)产生的酸中，以及Ca(OH)2在阳极(右)产生的碱中沉淀。图5A示出了所得沉淀物，XRD表明所得沉淀物为单相Ca(OH)2并且具有一系列可控的形态和尺寸(图5C和5D)。图5E示出了钙基于pH的高选择性；容易将高纯度Ca(OH)2与天然石灰石中的其他成分分离。
由于焚烧已经“煅烧”了大部分金属盐，因此未风化的灰分主要呈金属氧化物(以及一些硫酸盐、氯化物和磷酸盐)的形式。通过电解，酸和碱的类型和pH是可调的。输出的pH主要由反应器动力学和电解质流量来确定，同时酸和碱组成由电解质盐来确定。在图4和5的时候，盐NaNO3产生硝酸，类似地NaCl产生盐酸，Na2SO4产生硫酸，NaF产生氢氟酸，以及NaNO3与NaCl的1:3混合物产生适合于溶解贵金属的王水。所产生的相应碱可以只通过改变盐阳离子而选择为NaOH、KOH或其他。
因此，以这种方法可以产生多种酸和碱，从而在设计解决MSWI灰分中可获得的所有期望元素的方法方面实现大的灵活性。选择性提取元素遵循图2所示的一般方案。通过将在酸和碱二者中的溶解与通过化学沉淀和电解提取的选择性提取相结合，可以分离单个元素或紧密相关的元素组。此外，通过将酸和碱单独储存在低成本的罐(对于酸为聚合物以及对于碱为软钢)中，可以将电解与溶解和沉淀分离。通过这种化学品储存能力提供的灵活性可以具有操作和经济优势。虽然WTE工厂目前运行约24/7，但如果例如输出电力的需求和价格是可变的，则具有不同步操作的能力可以允许改善的效率。
所提出的技术将首次提供这样的路径：将MSWI灰分成本有效地分离成一系列适合市场销售的产品，其中累积价值远超过当前来自MSW焚烧的电力和向低价值市场(例如用于道路建造中的混凝土或填料的SCM)的销售灰分的组合价值。本文所公开的方法可以使典型WTE工厂的产品收益潜在地增加8至12倍。
其他影响包括未来灰分填埋场的体积和环境成本的大大降低。使用本方法，甚至灰分中最大量、最低单位价值的成分Si也可以被分离并纯化(作为SiO2)以用于建筑或作为清洁的灰分填埋场。灰分的第二大量组分Ca可以作为熟石灰回收。飞灰和底灰二者中的大部分钙来源于其作为在MSW焚烧炉中用于烟道气洗涤的消耗品的用途。通过以其优选形式(氢氧化钙)回收并再利用这种钙，所提出的技术将直接有利于焚烧炉的经济性，并减少由新石灰石的煅烧所排放的CO2。所述技术的该特定方面可以具有超越MSW处理的深远影响，因为石灰广泛用于所有种类的燃烧发电厂，并且含钙灰分是每一者的副产物。所提出的方法的另一个优势是其直接解决了当前WTE行业的痛点，包括低的电力价格和高的灰分废弃成本。
根据图3A至3B，通过对已知存在于灰分中的特定组分的化学分析和电化学分析来了解方法策略。图6绘制了对于以电化学序排序的灰分中感兴趣的元素(水平轴)，高于其金属氢氧化物将沉淀的pH(深灰色数据点)。对应于右侧垂直刻度的浅灰色数据点示出了每种金属的针对其在底灰中的相对浓度而调节的电解提取电势。对于垂直线右侧的那些元素，水性电解提取通常是可能的。垂直线附近的元素可以通过沉淀或电解提取来提取。基于这些数据，用于处理MSWI灰分的似乎可能的操作顺序示于图1和6中。作为SiO2存在的硅既是灰分中最丰富的元素，并且又是独特的，在于其在高pH而不是低pH下溶解。可以使用强碱将二氧化硅选择性地浸出并用酸使其沉淀，或者其可以在用酸浸出其他灰分成分的同时保持不溶。在任一情况下，灰分成分的剩余部分溶解在酸溶液中。(在该状态下可以有利于排除难以溶解的Au和PGM并且相反地例如使用HCl-HNO3将它们浓缩为固体以用于稍后提取。)
接着，通过水性电解提取将经酸溶解的金属分离。通过在高还原电势(图6的右侧)下开始，并且工作至低电势以顺序提取金属来获得选择性。如果选择性差，则可以考虑电解精炼或其他化学分离。锰可以根据EMD(电解二氧化锰)工艺电解提取为MnO2。
电解提取之后，通过增大pH，图6左侧中的溶解的元素将顺序地沉淀，例如作为氢氧化物。金属氢氧化物是有吸引力的产物，因为阴离子(OH-)可以仅由水裂解产生并且不需要任何其他输入材料。当用于合成其他无机化合物时，氢氧化物还在随后的热解中清洁地分解。垂直线附近的元素(例如Al、Zr和Ti)可以被电解提取或作为氢氧化物沉淀。在高pH下，在pH>9下容易地沉淀Mg氢氧化物，然后在pH>11下沉淀Ca、Ba和Sr的氢氧化物。由于碱土金属的主要经济价值来自Ca(图3B)，例如，作为Ca(OH)2，因此微量的Ba和Sr是可以接受的。
将系统地研究和优化过程顺序。在以上实施例中，用于支持电解质的盐在电解提取或沉淀期间不被消耗，并且可以在回收元素之后返回使用。对于一些金属，金属氯化物、硫酸盐、碳酸盐或其他金属盐可能优于氢氧化物。有利于这样的金属盐的沉淀的条件容易确定，并且可以提供另外的选择性程度。建议低成本的碱金属盐作为阴离子的来源。对于CaCO3的电解溶解和作为Ca(OH)2的回收，已经证实了>86％的质量效率。
如下评估仅用WTE电力为所提出的方法供以动力的可行性。首先，由灰分的组成容易计算出单位灰分的溶解和沉淀所需的酸([H+])或碱([OH-])的量。裂解化学计量当量的水所需的电能由电解反应器的法拉第输出确定，由于反应器的低效率而打折扣。该分析表明，对于1kg灰分的溶解和沉淀，需要约1kWh的电力。向该能源预算中添加电解提取中消耗的电力。电解提取过程中的一般能量消耗为3kWh/kg。对于按质量计约11％的包含图6右半部分的元素的灰分，电解提取需要约0.34Wh/kg灰分。当从典型的WTE工厂的净电力输出(每kg所产生的灰分约2.2kWh)中减去组合的这些能量需求时，留下可用于为工厂运行的平衡供以动力的约0.86kWh/kg灰分。
将构建由图4和5中的反应器改进的电解装置以允许电解质的流通以及单独收集酸和碱。最低目标浓度为pH 0和14(1M浓度的[H+]和[OH-])。单独地，在溶解度测试中将使用高至5M的HCl和NaOH浓度，因为这些可容易地从现有的氯碱反应器中获得。将开发用于高度浓缩溶液的模型以指导用于溶解工业来源的灰分样品的酸/碱的选择。将开发用于浓缩溶液中的多种金属的溶解度模型。将开发用于>1M总浓度的SiO2和其他碱溶性金属的方法。将开发用于将酸溶性灰分成分溶解至>1M总浓度的方法。将开发用于溶解代表性底灰中的>90％的贵金属的方法。
将开发这样的顺序沉淀反应器和协议：其可以定量评估从溶解的灰分溶液中的金属盐沉淀的效率和选择性以达到适合于95％的CM和90％的其他金属的目标回收率的精度。将表征SiO2和其他碱溶性/酸不溶性金属的沉淀。将表征Ca、Mg和其他金属的氢氧化物的沉淀。将表征稀土元素作为氢氧化物的沉淀。将评估难降解金属作为其他金属盐的沉淀。
将在实验上和理论上评估从溶解的灰分中电解提取各种金属的效率和选择性。将构建能够定量对溶解的MSWI灰分进行电解提取的效率和选择性的顺序电解提取装置。将评估三个主要控制变量的影响：用于表面改性的添加剂、波形电流和同时电解提取。将研究用于表面改性的添加剂的影响。目的是对表面进行改性以抑制析氢反应，从而实现高法拉第效率。可能存在捕获氢的可能。将研究波形电流的影响。脉冲或调频沉积提高了能量效率，其中脉动边界层可以抑制形态不稳定性。将使用相场建模和实验来分析波形对贱金属、低浓度金属和铂族金属(PGM)的电沉积的影响。将研究同时电解提取的影响。将使用第一性原理建模和实验来评估低浓度和高浓度下同时存在的混合金属的电解提取。对电极电势给予控制以实现该目标。将使用计算建模和实验测试二者评估进行电解精炼以分离具有相似还原电势的金属。
对在2019年燃烧177,040吨MSW，产生105,000MWh电力并且产生42,598吨灰分(以及4802吨回收的燃烧后金属)的工厂进行成本分析。15％的电力生产用于内部运行。假设剩余的85％以0.05美元/kWh的PPA价格销售，以及灰分以每吨约50美元的成本进行垃圾填埋，则净收益为2.33MM美元、或每kg所产生的灰分0.055美元。该分析使用了这样的简化假设：回收灰分产品的未来分配和销售成本将带来相当于目前50美元/吨的灰分废弃成本的成本。
从灰分中回收元素的理论上可实现的价值是巨大的。图3A示出了来自若干全球来源的MSWI灰分的元素构成，当将其按元素价格换算时，产生了文献中报道的从每kg灰分约0.30美元到多至约2.75美元的灰分组成的累积价值，参见图3B。注意各灰分中超过90％的价值来自前五种最丰富的元素。
提取成本如下估算。每年产生足够摩尔的酸以溶解和沉淀43千吨灰分的水电解设施的成本为约6.4MM美元。该估算基于公开的大规模水电解的成本信息。假设的电解装置资本支出为900美元/MW，并且运行效率为52kWh/kg H2。注意，每摩尔通过电解装置产生的H2产生两摩尔碱和四摩尔酸(图4B)。假设以95％的容量因子运行，与MSWI焚烧炉的数据并行。灰分组成取图3A中示出的那些的平均值。估算总工厂资本支出约电解装置设施的资本支出的三倍，或20MM美元，并假设7年内的直线折旧(带来2.9MM美元/年的折旧成本)。还假设所产生的全部电力都用于提取和回收，具有来自电力销售的零收益，这为提取和回收的成本增加2.13MM美元的成本(以0.05美元/kWh计算)。然后每年处理43千吨灰分的净成本为0.12美元/kg灰分，这大大地低于0.30美元/kg至2.75美元/kg的隐含灰分价值。该初步分析提出了有意义的价值主张。对于在此建模的规模的工厂，0.50美元/kg的灰分销售将产生为可由电力销售实现的净收益的7.7倍的净收益；1美元/kg的灰分销售将产生12倍的电力收益。由于共生产的氢气的补充而减少的天然气消耗或者由于重新捕获而减少的石灰消耗将进一步降低操作WTE设施的成本并且增强价值主张。
实施例2
本实施例描述了MSWI灰分的电化学处理的方法。将所述灰分分离成不同的部分，并使用电感耦合等离子体发射(ICP)光谱仪对各部分进行化学分析，从而产生灰分的各分离部分的组成分析，如图8所示。在这些部分中，选择一个标记“砂A”以用于通过以下步骤进行电化学处理。将10g灰分添加至100mL的1M HCl中，并在不搅拌的情况下在25℃下保持24小时以将灰分浸出。然后使用真空过滤将灰分的不溶性部分与酸浸出液分离。
然后通过ICP分析酸浸出液。灰分中检测到的各种元素的浓度以重量ppm为单位和以毫摩尔浓度为单位示于下表1中。
表1.酸浸出液的ICP分析
| Ag | Al | B | Ba | Bi | Ca | Cd | Co | Cr | Cu | Fe | Ga | |
| ppm | 27.7 | 3909.4 | 22.1 | 3.3 | 4.2 | 13250.1 | 2.2 | 12.8 | 6.7 | 82.6 | 3085.6 | 14.7 |
| mMol | 0.26 | 144.90 | 2.04 | 0.02 | 0.02 | 331.25 | 0.02 | 0.46 | 0.13 | 1.30 | 55.30 | 0.21 |
| In | K | Li | Mg | Mn | Na | Ni | Pb | Sr | Tl | Zn | ||
| ppm | 25.9 | 369.2 | 66.63 | 1421.1 | 86.2 | 596.58 | 12.3 | 108.7 | 30.5 | 52.3 | 566.8 | |
| mMol | 0.23 | 9.44 | 16.00 | 58.47 | 1.57 | 43.25 | 0.21 | 0.52 | 0.35 | 0.26 | 8.67 |
在过滤之后将灰分的不溶性部分干燥，并在配备有能量色散X射线检测器(EDS)的二次电子显微镜(SEM)中进行分析。灰分的不溶性部分的代表性EDS谱示于图9中，并且相应的组成示于下表2中。
表2.灰分的不溶性部分的组成
| 元素 | 原子％ | 重量％ |
| O | 63.5 | 48.5 |
| Na | 1.3 | 1.5 |
| Mg | 0.6 | 0.7 |
| Al | 4.1 | 5.2 |
| Si | 24.8 | 33.3 |
| S | 0.7 | 1.1 |
| Cl | 2.1 | 3.5 |
| K | 0.5 | 1.0 |
| Ca | 0.9 | 1.7 |
| Ti | 0.9 | 2.0 |
| Fe | 0.5 | 1.2 |
| Cu | 0.1 | 0.4 |
在检测到的元素中，发现浸出的灰分的81.7重量％包含Si和O，同时18.3重量％包含除Si和O之外的元素。对浸出的灰分的不溶性部分进行X射线衍射分析，来自其的衍射图示于图10中。该分析表明，除了一些铝(其是样品保持架的一部分，而不是灰分样品的一部分)之外，检测到的唯一结晶相为结晶SiO2。此外，发现在样品中存在的SiO2中，10％为结晶的并且90％为无定形的。注意，在一些实施方案中，无定形二氧化硅是用于水泥制剂的二氧化硅的优选形式。
使用以下步骤对酸浸出液的一部分进行沉淀实验。在不搅拌的情况下将5mL酸浸出液保持在25℃下。向溶液中滴加0.01M、1M或10M NaOH以达到目标pH(通过pH传感器测量)。使沉淀反应发生超过24小时。使用真空过滤将沉淀物与剩余溶液分离，用去离子水冲洗，并干燥。然后将剩余溶液的pH升高至下一个目标pH，保持24小时，并通过真空过滤收集在所述目标pH下新沉淀的固体，用去离子水冲洗，并干燥。重复该步骤。
在4、5、7、13和14的顺序更高的pH下通过此顺序沉淀的过程获得的沉淀物示于图11中。将这些沉淀物中的每一者再溶解在10mL的5％HNO3溶液中，并通过ICP进行分析以确定沉淀物的组成。看出随着pH的增加，沉淀物中最高浓度的元素从Fe和Al变为包括Zn和Ca，并且在13和14的最高pH值下，其主要为Ca。因此，这证实了所描述的过程使元素选择性沉淀的能力。
然后经由电解提取将酸浸出液的一部分用于材料回收。将15mL酸浸出液保持在水浴中保持在60℃下的玻璃烧杯中，并用磁力搅拌棒以200rpm进行搅拌。使用铂丝作为工作电极和对电极二者。在相对于Ag/AgCl参比的固定电势下进行电解提取，在各电势设定下持续1小时的时间。然后移除电极，在DI水中冲洗，并干燥以用于随后分析。
通过在相对于Ag/AgCl参比电极-0.75V下进行电解提取回收的金属沉积物的实例示于图12的SEM图像中。在各选择的电势下进行电解提取之后，通过溶解在10mL的5％ HNO3溶液中将沉积物从铂丝中移除，并通过ICP进行分析。在相对于Ag/AgCl参比-0.5V至-1.25V(-0.5V、-0.75V、-0.9V、-1.1V和-1.25V)的五个电势中的每一者下电解提取的元素的组成示于表3中。
表3.在不同电势下电解提取的元素的组成
看出，随着负电势的不断增加，电解提取的金属的组成变化。随着负电势的不断增加，最高浓度的金属从Cu变为Cu和Pb，变为Cu、Pb、Ni和Zn，变为大多数Zn和一些Ni。因此，这证实了该方法从灰分的酸浸出液中选择性地电解提取元素的能力。
基于本实施例中的实验，建立了在某些实施方案中用于从灰分中回收元素的合适操作顺序的非限制性实例，如图13所示。首先，可以用酸(例如，HCl)将灰分浸出。然后，可使酸浸出液在相对于Ag/AgCl-0.75V下经受电解提取以回收Cu和Pb。然后，可以在相对于Ag/AgCl-1.25V下对剩余的酸浸出液进行电解提取，以回收Zn和Ni。然后，可以使剩余的酸浸出液经受顺序地沉淀，在pH＝3下沉淀以回收Al和Fe，在pH＝8下沉淀以回收Fe和Zn(Zn的尚未被电解提取的部分)，在pH＝11下沉淀以回收Mg，以及最后在pH＝14下沉淀以回收Ca。
虽然本文已经描述并举例说明了本发明的数个实施方案，但本领域普通技术人员将容易想到用于执行本文描述的功能和/或获得本文描述的结果和/或一个或更多个优点的多种其他方式和/或结构，并且每个这样的变型和/或修改都被认为在本发明的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易地理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置均旨在是示例性的，并且实际的参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用本发明的教导的具体的一种或多种应用。本领域技术人员将认识到或仅使用常规实验就能够确定本文描述的本发明的具体实施方案的许多等同方案。因此，应理解，前述实施方案仅作为实例呈现，并且在所附权利要求及其等同方案的范围内，本发明可以以除具体描述和要求保护之外的方式实施。本发明涉及本文描述的每个单独特征、系统、制品、材料和/或方法。此外，如果这样的特征、系统、制品、材料和/或方法不相互矛盾，则两个或更多个这样的特征、系统、制品、材料和/或方法的任意组合包括在本发明的范围内。
除非明确地指出相反，否则如本文在说明书和权利要求书中使用的没有数量词修饰的名词应理解为意指“至少一者”。
如本文在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应理解成意指如此连接的要素中的“任一者或两者”，即要素在一些情况下共同存在，而在另一些情况下分别存在。除非明确地指出相反，否则可以任选地存在除通过“和/或”子句具体指出的要素之外的其他要素，无论其与具体指出的那些要素相关或不相关。因此，作为非限制性实例，当与开放式语言例如“包含/包括”结合使用时，提及“A和/或B”在一个实施方案中可以指A而没有B(任选地包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中可以指B而没有A(任选地包括除A之外的要素)；在又一个实施方案中可以指A和B二者(任选地包括其他要素)；等等。
如本文在说明书中和权利要求书中使用的“或”应理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当分离列表中的项目时，“或”或者“和/或”应被解释为包括性的，即包括多个要素或要素列表中的至少一个，但也包括其中的多于一个，并且任选地包括另外的未列举项目。仅明确指出相反的术语，例如“仅其一”或“恰好其一”，或者当在权利要求中使用时“由......组成”将指包括多个要素或要素列表中的恰好一个要素。一般而言，当前面有排他性术语(例如“任一”、“其一”、“仅其一”或“恰好其一”)时，如本文所使用的术语“或”仅应被解释为指示排他性替代方案(即“一者或另一者，但并非二者”)。当在权利要求中使用时，“基本上由......组成”应具有如在专利法领域中所使用的其通常含义。
如本文在说明书中和在权利要求中所使用的，短语“至少一者”在提及一个或更多个要素的列表时应被理解为意指从要素列表中的任一个或更多个要素中选择的至少一个要素，但不一定包括要素列表内具体列出的各个和每个要素中的至少一者，并且不排除要素列表中的要素的任何组合。该定义还允许可以任选地存在除在短语“至少一个”所提及的要素列表中具体指出的要素之外的要素，无论其与具体指出的那些要素相关或不相关。因此，作为非限制性实例，“A和B中的至少一者”(或等同地，“A或B中的至少一者”，或等同地，“A和/或B中的至少一者”)在一个实施方案中可以指至少一个A，任选地包括多于一个A，而不存在B(并且任选地包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中，可以指至少一个B，任选地包括多于一个B，而不存在A(并且任选地包括除A之外的要素)；在又一个实施方案中，可以指至少一个A，任选地包括多于一个A，以及至少一个B，任选地包括多于一个B(并且任选地包括其它要素)；等等。
在权利要求中以及在以上说明书中，所有过渡性短语例如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”等均被理解为开放式的，即意指包括但不限于。仅过渡短语“由……组成”和“基本上由……组成”应当分别是封闭式或半封闭式的过渡短语，如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节中所阐述的。
Claims (30)
1.一种方法，包括将至少一部分灰分溶解在酸中以产生纯度大于或等于60重量％的精制二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述精制二氧化硅的纯度大于或等于80重量％。
3.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述精制二氧化硅的纯度大于或等于90重量％。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述精制二氧化硅的纯度小于或等于99.9重量％。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述精制二氧化硅包含小于或等于2重量％的有毒杂质。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述有毒杂质包括汞、铅、镉、铬和/或砷。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中将至少一部分灰分溶解在酸中产生大于或等于10kg的精制二氧化硅。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中将至少一部分灰分溶解在酸中产生小于或等于1,000,000kg的精制二氧化硅。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述精制二氧化硅包含大于或等于10重量％的无定形二氧化硅。
10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述精制二氧化硅包含小于或等于95重量％的无定形二氧化硅。
11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述精制二氧化硅包含大于或等于40重量％的无定形二氧化硅。
12.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述精制二氧化硅包含大于或等于80重量％的无定形二氧化硅。
13.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述方法还包括在垃圾填埋场中废弃所述精制二氧化硅；使用所述精制二氧化硅作为水泥、混凝土和/或建筑材料中的组分；使用所述精制二氧化硅来制造玻璃；和/或使用所述精制二氧化硅作为干燥剂、增稠剂、和/或橡胶和/或塑料中的添加剂。
14.根据任一前述权利要求所述的方法，其中将至少一部分灰分溶解在酸中产生所述精制二氧化硅和酸浸出液，以及其中所述方法还包括至少部分地将所述精制二氧化硅从所述酸浸出液分离。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法还包括对所述酸浸出液进行电解提取以产生一种或更多种电镀金属。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述一种或更多种电镀金属包括以所述灰分的小于或等于10重量％的量存在的金属。
17.根据权利要求15至16中任一项所述的方法，其中所述一种或更多种电镀金属包括以所述灰分的小于或等于1重量％的量存在的金属。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中所述一种或更多种电镀金属包括以所述灰分的大于或等于1份/十亿份(ppb)的量存在的金属。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中所述一种或更多种电镀金属包括Mn、Zn、Cr、Fe、Cd、Co、Ni、Pb、Cu、Bi、As、Ag、和/或Hg。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，其中对所述酸浸出液进行电解提取产生至少两种电镀金属，以及其中所述方法还包括对所述至少两种电镀金属进行电解精炼以至少部分地将至少一种电镀金属从余者分离。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的方法，其中所述电解提取和/或所述电解精炼包括使用多孔电极。
22.根据权利要求15至21中任一项所述的方法，其中所述电解提取和/或所述电解精炼包括使用流过式装置。
23.根据权利要求15至21中任一项所述的方法，其中所述电解提取和/或所述电解精炼包括使用流通式装置。
24.根据权利要求15至23中任一项所述的方法，其中对所述酸浸出液进行电解提取还产生水溶液，以及其中所述方法还包括向所述水溶液中添加碱以使一种或更多种金属氢氧化物沉淀。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述一种或更多种金属氢氧化物包括氢氧化钙、氢氧化镁、氢氧化锶、氢氧化钡、氢氧化锰、铁氧化物、氢氧化钴、氢氧化镍、氢氧化锌、氢氧化锆、氢氧化铈、氢氧化钒、氢氧化钕、氢氧化镝、氢氧化镉、氢氧化铅、氢氧化硅、和/或氢氧化铝。
26.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述方法还包括向所述精制二氧化硅中添加碱以形成碱性溶液和固体，至少部分地将所述固体从所述碱性溶液分离以形成分离的碱性溶液，向所述分离的碱性溶液中添加酸以形成酸性溶液，以及对所述酸性溶液进行电解提取以产生一种或更多种电镀贵金属。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述一种或更多种电镀贵金属包括金、银、铂、钯、铑、和/或铱。
28.根据权利要求26至27中任一项所述的方法，其中对所述酸性溶液进行电解提取产生至少两种电镀贵金属，以及其中所述方法还包括对所述至少两种电镀贵金属进行电解精炼以将至少一种电镀贵金属从余者分离。
29.根据权利要求24至28中任一项所述的方法，其中所述碱是在反应器中产生的。
30.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述酸是在反应器中产生的。
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