废旧碳阴极是铝电解过程中产生的危险固体废物，其核心难题在于高价值石墨化碳与有害氟化物紧密结合，传统火法处理（如焙烧、真空蒸馏）虽能实现分离，但普遍存在能耗高、流程长、易造成二次污染等问题。近年来，快速焦耳加热技术因具备毫秒级超高温、快速升温和能量高效利用等优势，在材料合成与回收领域崭露头角，然而其在复杂多组分固废（如废旧碳阴极）闪蒸分离中的应用机理尚不明确，特别是样品加热容器几何结构对分离效率的影响长期被忽视。2026年1月17日，郑州大学孔亚鹏、陈昱冉团队在期刊Separation and Purification Technology上发表了题为“Unveiling the mechanism of flash evaporation separation in spent carbon cathodes via fast joule heating”的研究论文。本研究揭示了快速焦耳加热技术用于废旧碳阴极闪蒸分离的内在机制。研究者通过系统比较五种不同结构的样品加热容器，明确了侧向开孔的管式结构在促进挥发物高效逸出并物理拦截碳颗粒方面的关键作用；进而优化了循环次数、装填密度和电流等工艺参数；综合运用X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱、扫描电镜-能谱及热力学计算，阐明了氟化物的闪蒸挥发与难熔氧化物的碳热还原两条并行分离路径，最终实现了碳基体纯度达96.0%的高效分离。图1：原始样品（a）和SCC灰渣（b）的XRD结果
图2：不同类型的SHC
图3：不同结构SHC在FJH处理过程中的温度分布图
图4：使用不同SHC时的现象
图5：FJH处理后基体和挥发物的收率（a）与碳含量（b）
图6：使用#1和#2 SHC进行FJH处理后基体（a）和挥发物（b）的XRD图谱
图7：不同参数条件下FJH处理后基体的碳含量（a. FJH循环次数；b. 样品装填比例；c. 电流）
图8：FJH处理后基体的状态（a. 原始样品；b. 1次FJH；c. 2次FJH；d. 8次FJH）
图9：不同循环次数FJH处理后SCC的XRD图谱（a）和拉曼光谱（b）
图10：不同循环次数FJH处理后SCC的XPS分析（a-c. 全谱；d-f. C 1s精细谱；g-i. O 1s精细谱）
图11：原始SCC样品和八次热处理后SCC的SEM-EDS面扫图像
图12：不同位置EDS点扫的元素含量
图13：SCC中各组分的饱和蒸气压随温度变化曲线
图14：标准压力下SiO₂（a）和Al₂O₃（b）与碳反应的温度-ΔG曲线
图15：不同结构SHC分离SCC差异的对比
总之，本研究通过优选侧向开孔管式样品加热容器，构建了一种耦合瞬态超高温闪蒸与物理过滤的快速焦耳加热分离策略。其机制基于双路径协同：一是利用毫秒级高温促使挥发性氟化物（NaF、Na₃AlF₆）闪蒸；二是借助碳基体与极端高温环境，驱动难熔氧化物（Al₂O₃、SiO₂）发生碳热还原转化为气态物种迁移。在优化条件（4循环、75%装填密度、500A电流）下，该策略实现了废旧碳阴极中碳基体的高效提纯（纯度96.0%），且处理速度较传统火法提升数个数量级。这一工作不仅为危险固废的绿色资源化提供了创新技术途径，也深化了对极端非平衡条件下多组分分离科学规律的理解。未来可探索该策略在其它复杂废物体系（如冶金渣、电子废弃物）中的普适性，并开展瞬态反应腔内多物理场耦合的定量模拟以进一步优化设计。文献信息：Yuran Chen, Youlin Hou, Yapeng Kong, Yangyang Fan, Xiangning Bu, Xuemin Liang. Unveiling the mechanism of flash evaporation separation in spent carbon cathodes via fast joule heating. Separation and Purification Technology, 2026, 136891, ISSN 1383-5866. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.136891.
焦耳高温加热技术（如闪蒸与快速焦耳热技术）是材料科学领域的一项革命性突破。其技术基石是焦耳定律，通过施加瞬时大电流，可在毫秒至秒级时间内将材料加热至3000℃的超高温。这种无与伦比的升温速率与精准控温能力，实现了对材料制备过程的极限调控，为新材料合成与性能研究开辟了新路径。相较于马弗炉、管式炉等传统方法，该技术在效率和可控性上实现了革命性跨越。
