本综述针对传统热处理工艺能耗高、碳排放大的行业瓶颈，系统梳理焦耳热（Joule heating，JH）技术的基础原理、成套装备体系与调控策略，综述其在电子废弃物、废旧电池、塑料、废硅等二次资源高值化升级，土壤/废气污染治理及碳捕集利用领域研究进展。依托技术经济分析（TEA）与生命周期评价（LCA）量化其相较于传统工艺的经济与环境优势，剖析工程放大存在的技术难点与次生环境风险，提出未来发展方向，为电驱动固废资源化与环境修复技术落地提供理论与技术支撑。

标准引用格式：

Yuxin Liao, Artem Okulov, Aleksandar Mitrašinović, Dawei Yu*, Hong Qin, Qinghua Tian. Transforming waste into wealth: Joule heating for sustainable secondary resource upcycling and environmental remediation[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2026,14:124688. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jece.2026.124688

廖渝欣^a，Artem Okulov^b,c, Aleksandar Mitrašinović^d, 于大伟^a,*，秦红^a，田庆华^a（* 为通讯作者）；

a 中南大学资源循环研究院，湖南 长沙 410083

b M.N. Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg 620108, Russia

c Institute of Physics and Technology, Ural Federal University, Ekaterinburg 620002, Russia

d Institute of Technical Sciences of the Serbian Academy of Sciences and Arts, 35/IV Knez Mihailova, 11000, Belgrade, Serbia

发表信息：

Journal of Environmental Chemical Engineering (IF=7.5, JCR Q1)）]，2026，14：124688.

https://doi.org/10.1016/j.jece.2026.124688

联系邮箱：

dawei.yu@csu.edu.cn（于大伟）

伴随消费品迭代加速，电子垃圾、退役动力电池、粉煤灰、赤泥以及光伏、风电组件等新兴新能源固废大量产生，蕴藏巨大 “城市矿山” 资源潜力，但物料组分复杂，传统资源化技术存在明显短板。现有火法工艺依赖化石能源供热，依靠热传导实现物料升温，存在严重温度梯度、设备预热能耗高、碳排放突出的问题；湿法冶金消耗大量酸碱药剂，产生巨量废水，环境负荷沉重。面向 “双碳” 目标，发展可耦合可再生电力的电驱动热加工技术成为行业迫切需求，其中，焦耳加热技术则凭借响应速度快、效率高以及可控性精准等优势，成为传统高碳工艺的可行替代方案。然而，现有焦耳热相关综述多聚焦功能材料合成或者单一类废弃物回收，缺少对成套装备、多品类固废处理、环境修复的系统性梳理。基于此，本文系统总结焦耳热技术全链条研究现状，评估其优势、风险与工业化潜力，为固废绿色处置提供新思路。

1. 系统厘清直接焦耳热、间接闪速焦耳热的电热转化机理，完整解析电路控制系统、反应器、高速测温成套装备体系，横向对比微波、感应、炉式加热的技术差异，丰富电驱动固废热转化的理论研究体系；

2. 覆盖多元应用场景，全面归纳焦耳热在电子废弃物、废旧锂电池、塑料、废硅、含碳固废高值升级，重金属/有机污染治理、碳捕集与转化的研究进展，突破过往综述应用场景单一的局限；

3. 结合技术经济分析与生命周期评价，量化揭示焦耳热在能耗、水耗、温室气体排放、运行成本上相较传统火法湿法工艺的优势，同时关注金属挥发、氯化副产物、尾气排放等易被忽视的次生环境风险；

4.识别工程放大关键瓶颈，从反应器均温性、电极耐久性、复杂原料适应性、供电系统、技术成熟度多维度剖析现实制约，并提出未来发展方向，为工业化落地提供可参考技术框架。

图1 焦耳加热（JH）在二次资源回收与环境修复领域面向全球可持续发展的应用及未来展望

图1为焦耳加热面向全球可持续发展的应用及未来发展全景图，展示了传统化石燃料加热带来资源与环境双重压力；焦耳加热则可对接光伏、风电等可再生电力，实现二次资源回收、环境修复、碳捕获利用，未来将朝着大型化、智能化、自动化装备方向发展，支撑环境修复与废弃物向高值金属、硅基材料、碳材料的转化。

图2实现 JH 高效运行所需的设备配置：a，JH 回路控制系统示意图；b，JH 的四种典型放电配置；c，典型电容放电与直流放电的温度 - 时间曲线；d，通用 JH 反应腔示意图；e，JH 过程中红外测温与热电偶的示意图，以及实测温度 - 时间曲线；f，基于光电倍增管（PMT）的测温系统示意图

图2展示了焦耳加热的基本设备配置，该套系统由供电回路、反应器、高速测温模块三部分组成，分为电容脉冲放电与直流连续放电两种模式。电容放电可实现毫秒级超高速升降温，实现闪速热冲击；直流放电适用于长时间连续反应，两种模式可针对不同废弃物反应需求灵活选用，是实现废弃物快速热转化的硬件基础。

图3 JH从电子废弃物与工业废料中回收关键金属和稀土元素

图3展示了典型的焦耳热从电子废弃物与工业固废回收关键金属与稀土元素原理图。a 为闪速焦耳热城市采矿金属蒸发分离系统，依靠瞬时超高温实现贵金属蒸发冷凝回收；b 展示电热氯化过程高岭石晶体结构演变，实现锂、镓选择性氯化挥发；c 为粉煤灰经闪速焦耳热活化提升稀土浸出效率工艺，证实焦耳热作为预处理手段可以大幅提升稀稀土提取效率。

图4 JH 对危险废物的解毒处理

图4展示了焦耳热处置危险废弃物解毒示意图。依托焦耳热超高温条件，一方面依靠蒸发冷凝实现重金属分离回收，矿化 PFAS、HCBD 等持久性有机污染物；另一方面原位合成金属基催化材料，降解水体有机污染物，达成危废解毒同步制备功能碳材料的 “以废治废” 效果。

图5 JH 的碳捕集与利用

图 5 是焦耳热用于碳捕集与利用的原理图。涵盖甲烷干重整、CO₂电还原催化剂结构调控、直接空气捕集吸附剂再生、CO₂衍生碳制备电池负极等多条技术路线，证明焦耳热能够覆盖 CO₂捕获-催化转化-高值利用全流程，为 CO₂可持续管理提供技术方案。

图6 焦耳加热在二次资源利用领域的LCA与TEA分析

图6为焦耳热二次资源利用的生命周期评价与技术经济分析结果图。从水耗、能耗、碳排放、处理成本等角度，对比焦耳热与湿法、火法等传统工艺处理废旧电池、塑料、赤泥等固废的综合表现。结果表明焦耳热可有效降低资源消耗与环境排放，但现有评价多由实验室数据外推，受电力来源、系统边界、生产规模影响，可为后续工业化综合评估提供参考依据。

焦耳热技术凭借电热转换效率高、升降温速率极快、工艺可控性强的特点，可直接利用可再生电力，在二次资源升级利用、污染场地修复、CO₂捕获转化领域展现巨大应用潜力。生命周期评价与技术经济分析表明，相比传统火法、湿法冶金，焦耳热能够显著降低能源消耗、药剂消耗、水资源消耗与温室气体排放。

同时该技术工业化仍面临多重挑战：大尺度反应器存在温度分布不均，极端工况下电极易损耗失效，复杂工业废料物性波动大对控制系统提出高要求，不同细分应用技术成熟度差异显著；工艺过程还需要管控金属挥发、有毒尾气、氯化副产物带来的次生环境风险。

后续可借助机器学习实现原料自适应脉冲参数调控，深度耦合风光清洁能源；拓展新能源退役组件、部分医疗固废等新处理对象；建立多维度环境影响评估体系；通过产学研协同推进中试示范，助力城市矿山开发，服务资源循环与双碳战略目标。