在全球工业化持续深化、矿产资源日趋枯竭与生态环境刚性约束不断收紧的双重背景下，工业固废资源化与有价金属循环利用已成为现代冶金工业高质量发展、践行循环经济理念的核心方向。提取冶金作为支撑基础设施建设、装备制造、新能源材料等关键领域的基础产业，在冶炼、加工、再生等全流程中会产生大量冶炼渣、电镀废渣、赤泥、废催化剂、浸出残渣、烟道灰、底渣与铁泥等固体废弃物。这类废弃物多属于一般工业固废或危险废物，长期堆存不仅占用大量土地资源，还易引发重金属流失造成土壤、水体与大气复合污染，同时内部赋存的铝、铁、镍、铬、锌、铅等有价金属无法得到有效利用，造成严重的资源浪费与经济损失。

传统金属回收技术主要包括碳热还原、湿法浸出、火法富集等，普遍存在工艺流程冗长、金属回收率偏低、能耗高、二次污染突出等短板，难以对复杂组分、低品位、多金属共生的冶金废弃物实现高效、绿色、高选择性处理。因此，开发环境友好、反应高效、适用范围广的新型绿色回收技术，成为破解冶金固废处置难题与提升资源利用效率的关键突破方向。

氢等离子体技术凭借高温高活性、清洁无碳、还原速率快、物料适应性强等独特优势，成为冶金废弃物中有价金属回收领域极具潜力的创新技术。氢等离子体可在极短时间内提供数千摄氏度的高温环境，氢离子具有强还原性，能够快速还原各类金属氧化物，实现金属的高效提取、分离与富集，同时避免传统碳热还原、湿法冶金带来的二氧化碳大量排放、酸碱废液污染等问题。近年来，国内外学者围绕氢等离子体回收铝、铁、镍、铬、锌、铅等金属开展了大量试验研究，覆盖底渣、铁泥、电镀废渣、赤泥、炉渣、烟尘、废催化剂、浸出残渣等多种典型冶金废弃物，在工艺参数优化、金属还原机理、产物纯度控制、能耗调控等方面取得了一系列重要进展，为该技术从实验室走向工业化应用奠定了基础。

本文系统梳理氢等离子体技术在各类冶金废弃物中有价金属回收的研究成果，详细阐述不同废弃物体系的处理工艺、金属回收效果、关键影响因素与技术特点，综合分析该技术的技术经济可行性、现存研究缺口与工业化挑战，展望其未来发展方向与应用前景，旨在为氢等离子体技术在废弃物金属回收领域的规模化应用提供理论参考与技术支撑，推动冶金工业向低碳、高效、循环利用转型。

提取冶金过程往往会产生一些废弃物，这些废弃物中仍含有某些有价值的金属，但由于成本过高等原因，通常不会对其进行进一步的金属提取处理。氢等离子体技术是一种极具前景的回收金属的方法，可用于从多种废料流中提取金属，包括底渣和铁泥（用于铝的回收）、ZnO/Pb₃O₄（用于锌和铅的回收）、废弃的镍基催化剂（用于镍的回收）、赤泥（用于铁的回收）、西门子-马丁烟道灰（用于锌、铅和铁的回收）、以CaO-FeO-SiO₂为基础的熔渣（用于锌、铅和铁的回收）、电镀废渣（用于镍、铬和锌的回收）以及镍浸出残渣（用于铁的回收和硫的去除）。

Mandal等人研究了从50：50混合的底渣和铁泥中提取铝的行为。通过优化诸如暴露时间、气氛和坩埚材料等工艺参数，获得了有前景的铝反应结果。同样，Ramachandran 和 Kikukawa 采用氢等离子体技术处理电镀废渣，成功实现铬、镍、锌等有价金属的同步回收，并将其富集为高纯度金属粉末，为电镀行业危废资源化提供了可行路径。Mohai 等人利用微波供电氢气等离子体，从冶金烟尘中选择性提取铅、锌、铁三种金属，展现出良好的金属分离潜力。Cheng 等人以CaO‑FeO‑SiO₂系炉渣为原料，借助氢等离子体实现锌、铅、铁的还原与气化，为多元金属协同回收提供了新思路。

Bhoi等人开发了一种使用氢气等离子体的连续液相还原工艺，该工艺将富含铁的赤泥（铝生产过程中产生的废弃物）转化为纯度为97.3%的铁金属。Jovičević-Klug等人在转移电弧等离子体中对赤泥进行还原也取得了类似的成功。他们能够获得含95%铁的金属相，并在10min内实现70%的金属化。Zulhan等人在间歇式非转移电弧热等离子体反应器中处理镍浸出残渣，仅需5s即可完成金属铁的还原，通过延长反应时间可将硫含量降至0.1%，同时铁基体中富集铬元素，产物可直接作为不锈钢原料使用，大幅提升固废利用附加值。Petit等人系统验证了氢气等离子体处理多类废料的通用性，证实该技术可从铁硅粉尘混合物中高效蒸发分离铅、锌等重金属。

Mandal 等人进一步采用功率30kVA交流电转移热等离子体装置，处理50：50配比的底灰（Al₂O₃ 22.05%）与铁渣（Al₂O₃ 24.11%）混合物料，气体流速控制为4L/min，反应时间设置10-80min，对比石墨与镁质坩埚的处理效果。结果表明，20min曝光时间、氮气气氛搭配石墨坩埚可实现最佳铝回收效率；氢气等离子体作用下铝元素易因蒸发损失，体系中会形成渣相与Fe-Al合金，石墨坩埚可形成碳饱和液态铁，进一步降低体系中氧化铝含量。

Ramachandran和Kikukawa等人对煅烧后的电镀污泥粉末（含Fe₂O₃ 17.7%、Cr₂O₃ 6.62%、NiO 2.58%、ZnO 2.19%），在功率为7-16kW，压力为0.07-0.16atm，进料速度为3.3-15mg/s的条件下，进行飞行中的直流非转移非等离子体处理。研究发现，粉末产品和沉积熔渣是由混合成分形成的，碳酸钙是主要成分。粉末产品中的铬/锆/镍含量高于进料粉末，其中大部分重金属（锌、铬和镍）集中在粉末产品中，重金属的回收是可行的。

Mohai等人对含铅7.7%、锌17.4%、铁31.1%的渣粉，在功率为1-7kW，气体流速为10L/min，进料速度为1.6-15.8g/h的条件下，进行飞行中的微波非热等离子体处理。研究发现，该试验反应生成了一种由铁、铅和锌组成的混合物。根据输入功率和进料速率，分析得出单位能耗为0.16-1.6kWh/g。在反应器壁收集的经过等离子处理的样品中，在1kWh/g时铁的含量高达53.1%。使用热壁装置可以将反应器壁上的样品中铁的含量提高到68.1%。在能耗为0.95kWh/g的情况下，铅的含量达到最大值（9.9%）。更高的能量会导致铅的部分分离。在XRD中检测到了金属铅。使用热壁反应器可以显著将铅的含量提高到12.4%，即使在0.13kWh/g时，由于热损失较少，铅含量也能达到这一数值。在能耗为0.95kWh/g的情况下，锌的含量达到最大值（36.7%）。锌转化为无定形状态或形成一层薄层。使用热壁反应器可以将锌的含量显著提高到51.5%，即使在0.13kWh/g时，由于热损失较少，锌含量也能达到这一数值。

Cheng等人对含锌和铅的残渣（CaO-Fe₂O₃-SiO₂为基础的熔渣，有或无硫添加），在功率为20-30kW，气体流速为40L/min氩气，保护气体为195L/min的氩气和氢气混合物，氢气与氩气的比例为1.6%-3.1%，进料量为753g/h的条件下，进行电感耦合等离子体处理。研究发现，ZnO、PbO和FeO从颗粒的中心向外转移到表面；在表面样品上，锌、铅和铁在氢等离子体作用下发生还原并蒸发；表面处锌/铅蒸汽的过饱和度增加。与颗粒中心相比，表面处的铅氧化物和锌氧化物含量较低（接近零），铅氧化物的烟化速率比锌氧化物快。还原速率随着氢气流量、输入功率和炉渣中的硫含量的增加而增加。

Wong等人对废弃的镍基催化剂粉末（含镍27%、含氧34.4%），在功率为10-15kW，温度>1500℃，压力为1atm的条件下，进行间歇式的交流电转移热等离子体处理120-180min。研究发现，在废弃催化剂中的有机焦油被转化为氢气、一氧化碳的合成气，并用作还原剂。在等离子体条件下的烧结过程能够生成镍，并且脱氧程度可高达25%的氧，而没有等离子体条件的工艺则无法还原氧化镍。

Petit等人对PbO+FeSi粉末以及ZnO+FeSi粉末，在功率为30kW，温度>1500℃，反应时间最长5min，氢气-氩气比例0-25%，总气体流量20L/min，进料量为0.1-0.9kg/h，铅含量1%-5%，电弧长度50mm的条件下，进行飞行过程中及熔池内直流传输的热等离子体处理。研究发现，使用FeSi+PbO时，在H₂-Ar等离子体作用下，铅的蒸发率高达70%，而使用Ar等离子体时仅为25%。铁的浓度增加与更多的氢气添加有关。对接近工业粉尘成分的处理实现了35%的铅蒸发率。使用FeSi+ZnO时，浸渍法下的锌蒸发率（35%）高于飞行法（10%）。对接近工业粉尘成分的处理实现45%的锌蒸发率。

Bhoi等人对赤泥颗粒（含Fe₂O₃ 53.6%）+焦炭混合物，在功率为10-12kW，温度>1500℃，反应时间最长5min，氢气-氩气比例0-25%，总气体流量20L/min，氢气流量5L/min，进料量10g/min的条件下，进行连续液相还原+直接电弧热等离子体反应+电磁搅拌处理。研究发现，试验生成含量为97.3%铁的金属。Jovičević-Klug等人对赤泥（含铁量28.96%），在电流为200-800A，氢气-氩气比例为10%，处理时间为1-15min，压力900mbar的条件下，进行间歇式转移式弧光热等离子体处理。研究发现，氧化铁在最初1min内发生了热分解，并且少量被还原成2%的铁。在10min的还原过程中（使用高纯度铁，其含铁量为95%），其金属化率达到了70%。在10min的还原过程中，通过蒸发造成的铁损失仅为7%。赤泥的还原机制为：Fe₂O₃→钛磁铁矿→Al₂FeO₄→Fe。

Zulhan等人对镍浸出残渣（含铁39.48%，含硫1.55%），在功率为1.02-2.88kW，氢气-氩气比例为80%，氢气流量为4L/min，反应时间5-180s的条件下，进行飞歇式非转移弧热等离子体处理。研究发现，在处理5s后，金属就已经被还原。每次还原过程中的铁纯度都高于88%。一般来说，还原时间的延长能够使金属相中更多的硫得以去除，例如在180s时硫含量为0.1%。由于样品未能充分暴露于氢等离子体中，炉渣中的平均FeO含量较高（64.4%的FeO）。较高的铬含量（最高可达6%）对作为不锈钢原材料是有益的。

3.1 技术经济可行性

本节系统梳理氢等离子体技术在金属回收领域的技术经济研究成果，总结国内外热等离子体中试项目的运行经验与经济性结论，为工业化应用提供参考。

20世纪70年代和80年代期间，曾设想并测试了几座利用热等离子体的中试工厂，这些试验结果为该技术的经济性提供了参考。Tsvetkov描述了一种由哈贝克工业与材料科学研究所开发的氢等离子体电解法，该方法能够从各自的氧化物中制取钨和钼。作者报告称，使用氢等离子体路线来生产钨粉所消耗的氢量比标准路线少1.5倍，所消耗的电能少1.8倍，但在当前市场环境下的技术经济评估尚未进行。贝里菲尔德钢铁公司开发了一种降膜反应器，该反应器使用氢和天然气非转移弧等离子体来生产铁和铁钒。在20世纪70年代末，一个0.5MWe的降膜等离子体反应器满足了贝里菲尔德钢铁公司所有的铁钒需求，占当时美国需求的10%。然而，尽管最初取得了成功，但早期的这些中试项目都没有达到大规模商业化的成熟阶段。造成这种情况的原因有几个，但高电能消耗和等离子体喷枪的高维护成本往往是主要原因。Bhat报道称，在最初的试点项目中，等离子炬每运行100h就需要进行一次维护。

技术经济研究仍在评估氢气等离子体熔炼用于钢铁生产的技术可行性，这是由可再生电力供应的增加以及减少工业排放的压力所推动的。这些研究得出了不同的结论。Hiebler和Plaul发现，氢气等离子体熔炼还原工艺能够比综合高炉-转炉喷吹氧（BF-BOF）工艺生产钢铁的成本低20%，这是因为人力、资本和材料成本更低。Mayel等人也发现，单阶段等离子体炼钢工艺可能比BF-BOF工艺更便宜，但前提是需要将减排二氧化碳的成本考虑在内。与BF-BOF工艺相比，达到收支平衡的价格为每吨二氧化碳25欧元。Mayer还发现，单阶段等离子体炼钢工艺可能比氢气直接还原-电弧炉工艺更便宜，原因是电力需求更低。然而，必须强调的是，Mayer并未进行全面的物质和能量流动计算，而是通过避免矿石的预处理步骤来证明其较低的电力需求是合理的。Badr对此提出了异议，他指出，由于高辐射能量损失，增加的耐火材料磨损，以及氢气成本高等原因，等离子体熔炼的经济效益相较于类似的低排放炼钢工艺并没有显示出显著优势。Badr的分析得到了更严谨的热力学物质和能量流动计算的支持，应被视为最为准确的评估。尽管存在相互矛盾的评估结果，但鉴于“氧化铁”部分所讨论的苏钢试点工厂的情况，氢气等离子体在钢铁生产中的商业应用仍有市场前景。

关于其他铁合金的技术经济可行性，Dalaker和Hovig发现，利用氢气等离子体技术（在减少二氧化碳排放额度的情况下）来生产铁锰合金，其成本效益可与当前工艺相媲美。对于一座新建的氢气等离子体铁锰合金工厂而言，如果氢气的购买价格为2欧元/千克，那么要实现与传统铁锰合金生产成本相当，关键的碳排放价格为79.5欧元/吨。尽管在2023年的大部分时间里，欧盟的碳排放配额交易价格都高于这一关键价格，但达拉克和霍维格强调，关键的碳排放价格对氢气价格极其敏感。在某些情况下，关键排放价格甚至达到了148.0欧元/吨。

虽然氢气等离子体的关键经济优势在于其能够减少无法通过氢气还原的金属氧化物，但此类途径的科技经济研究却很少。相对于铁合金的生产而言，还原稳定氧化物的技术成熟度仍然较低。随着技术的成熟，应对各种金属生产途径进行全面的科技技术评估。

3.2 研究方向与建议

目前氢气等离子体在提取冶金领域的应用状况已朝着正确的方向发展，众多研究揭示了其在不同金属上的应用前景。在还原用途上，氢气等离子体在铁矿石和氧化铁的应用已得到广泛应用，相较于其他金属氧化物，其在铁矿石中的应用更为普遍，而且关于氢气等离子体用于从矿石中生产铁的相关知识已相当成熟。尽管已有大量关于氢气等离子体用于金属氧化物还原的研究，但对于氢气等离子体用于还原复杂矿石的理解却非常有限，其在铁矿石中的应用仍在研究之中。未来的研究还需要尝试利用氢气等离子体进行稀土金属的生产，以支持更先进的应用。稀土和战略金属的提取往往需要高温或强还原剂。氢气等离子体的独特特性可能提供一种可持续的解决方案。目前的理解是，氢气等离子体能够有效地从高纯度矿石或纯氧化物中生产金属。一些研究还证明了其处理低质量矿石或废料中金属的能力。基于对几种纯金属氧化物在氢等离子体作用下还原反应的成功研究，通过控制工艺参数，可以从复杂氧化物矿石中提取出多种金属，并且有可能从同一种复杂矿石中提取出多种金属。这一工艺的发展能够使采掘冶金业的格局变得更加可持续且低排放。这种方法也适用于废物处理，以回收有价值的金属。

目前关于利用氢等离子体处理废物的研究仍然有限，尽管现有的研究已经表明氢等离子体在处理更复杂原料时回收金属的潜力。利用氢等离子体对氧化物金属还原和所产金属的精炼进行综合研究也是有可能实现的，这将有助于揭示氢等离子体用在提取冶金业中的便捷工艺，该工艺有可能在工业规模上得以实施，并通过仅几个简单的工艺步骤就能生产出精炼金属。

此外，试验设置方面需要更系统和标准化的方法。正在研究的等离子体生成方法的差异常常妨碍不同研究之间的直接比较。建立一个更一致的试验框架可以提高结果的可靠性和可重复性。目前要确定更好的等离子体源是相当困难的，因为很少有论文直接对几种等离子体源进行比较。一般来说，交流和直流等离子体源在输入功率方面比微波等离子体更强，能够产生更均匀的氢等离子体，并且反应程度更高。证明非转移型等离子弧比转移型等离子弧具有一定的优势，因为它能提供更高的等离子体弧穿透力，这有利于将等离子体气体大量引入进料中，从而提高反应程度。就结果的可重复性而言，非转移弧等离子体具有明显的优势，因为它是一种更简单的方法，许多现有的等离子炬都采用了非转移弧系统，并且很容易用于提取冶金领域的应用。除了等离子体源之外，一种在飞行过程中同时注入氧化物原料和氢等离子体的等离子体处理方法在未来可能会得到更广泛的应用，因为该方法可以实现更长的反应时间，从而提高还原度和氢的利用率，因为样品的表面积较大。此外，这种方法在工业规模上实施起来在经济上也是可行的，因为它比批量处理具有更高的生产效率。就规模扩大的可能性而言，虽然实验室规模的试验展示了氢等离子体技术的可行性，但将这些发现应用于工业规模的应用则需要进行全面的技术经济评估。了解在更大规模上实施氢等离子体技术的成本效益、能源效率和实际挑战至关重要。这需要对等离子体反应器的可扩展性、资源消耗以及整个过程的经济可行性进行深入研究。此外，还需要进一步的研究来解决在提取冶金中使用氢等离子体时的热量利用或热量损失最小化问题。因为等离子体提供了强烈的且局部化的加热，所以难以实现有效的热量回收，尤其是在更大规模的情况下。因此，冶金学家和等离子体物理学家之间的跨学科合作变得必要，以填补现有的知识空白，并为提取冶金中氢等离子体技术的成功规模化铺平道路。

氢等离子体技术作为高温、清洁、高效、高选择性的新一代绿色冶金方法，在工业废弃物有价金属回收与资源化利用领域展现出广阔的应用前景。传统冶金工艺产生的大量固废制约行业高质量发展，而氢等离子体凭借其独特的高温还原特性、强反应活性与无碳清洁属性，为解决这一行业难题提供了有效技术路径。该技术具备极强的原料适应性，能够兼容底渣、铁泥、电镀废渣、赤泥、冶金炉渣、烟道灰、废弃催化剂、镍浸出残渣等几乎所有典型冶金废弃物，可对其中赋存的多种有价金属实现高效还原、定向分离与高纯度富集。在最优工艺条件下，部分体系可制备出纯度超过97%的金属产品，同时兼具反应速率快、工艺流程短、可实现金属选择性回收、能够深度脱硫与脱氧等多重优势，从根本上弥补了传统碳热还原、湿法浸出、常规火法富集等技术在处理复杂低品位废料时回收率低、能耗高、污染大、流程冗长等短板，有效破解了工业固废堆存占地、重金属污染风险高、资源利用率低等长期存在的行业痛点，为冶金工业固废减量化、资源化与高值化利用提供了可靠的技术支撑。

大量实验室与小试规模的试验研究充分证实，氢等离子体回收金属的效果高度依赖工艺参数的精准调控。通过系统优化等离子体输入功率、反应气氛组成、氢气与载气比例、物料处理时间、连续或间歇进料方式、反应器结构类型以及坩埚材质等关键条件，能够显著提升金属还原效率、产物纯度与回收稳定性。其中，飞行式进料处理、非转移弧等离子体、热壁反应器等工艺形式，因反应接触面积大、氢利用率高、能量损耗低、可连续运行等特点，更契合工业化大规模生产的实际需求，能够有效提升整体处理效率与经济效益，为该技术从实验室走向工程化应用奠定了重要基础。在技术经济层面，随着全球可再生电力装机规模持续扩大、绿氢成本逐步下降以及碳减排政策与碳交易机制不断完善，氢等离子体技术的成本竞争力正在快速提升。在钢铁、铁合金等主流冶金领域，相关研究已表明其在计入碳减排收益后，可实现与传统高炉‑转炉工艺、氢直接还原工艺相当甚至更优的经济潜力。尽管现阶段该技术仍面临单位电能消耗偏高、核心设备维护成本较高、高温热量回收困难等挑战，但随着装备迭代、工艺优化与规模化效应显现，这些制约因素均可通过技术升级与工程改进逐步缓解。

与此同时，当前氢等离子体在废弃物有价金属回收领域仍存在诸多关键科学问题与技术瓶颈亟待突破。现有研究多集中于单一金属氧化物或简单废料体系，对于复杂矿石、多金属共生固废、低品位混合废料的还原机理、相平衡演化、金属间交互作用以及选择性调控机制仍缺乏系统深入的认知；在稀土金属、战略关键金属等高端材料所需元素的回收方面，相关研究几乎处于起步阶段，难以满足新能源、电子信息、高端制造等领域对战略资源保障的需求；在试验方法层面，不同研究采用的等离子体源类型、功率范围、气氛条件、检测标准差异显著，缺乏统一规范的试验框架与评价体系，导致研究结果难以横向对比、数据复用性差；不同等离子体源在冶金还原场景下的性能差异、适用范围与优劣对比尚未形成明确结论。

面向未来，为推动氢等离子体技术真正走向工业规模化应用，亟需聚焦复杂原料高效处理、稀土及战略金属绿色提取、工艺参数标准化、高温热量高效回收利用、大型反应器设计与稳定运行等核心方向开展持续攻关。同时，应大力加强冶金工程、等离子体物理、材料化学、环境工程等多学科交叉融合，构建从基础机理、小试验证、中试放大到工业示范的全链条研发体系，完善全生命周期技术经济与环境效益评价，加快突破关键装备与核心工艺，推动氢等离子体技术从实验室研究迈向产业化、规模化应用。