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如何高效回收电子废弃物中的金属?

更新日期:2024-06-20T08:06:48 | 人感兴趣
    随着5G时代来临,物联网和智能设备的普及,地球上的废弃电子产品越来越多,电子垃圾成为一个灾难。联合国最新统计显示,2019年全球产生的电子垃圾总量为5360万吨,5年内增加21%;预计2030年将达到7400万吨,即16年翻一番。根据最新公布的《2020年全球电子废弃物监测报告》,全球电子废弃物的回收和再利用率只有17.4%,其余大部分进了垃圾填埋场。全球电子废弃物统计伙伴(GESP)估计,2050年全球电子垃圾总量将达到1.2亿吨。

    以前的电子垃圾只是一些电动玩具、手机和家用电器等,随着电动汽车和芯片产业的普及和发展,以锂电池和电路板为主的新的废弃电器电子设备成为电子垃圾的主要增长点。

    以锂电池为例,基于对未来消费电子、新能源车及储能需求的判断,预计2021-2025年中国锂电池装机仍将维持快速增长,2025年锂电池装机量有望达到739GWh,其中消费电池100GWh,动力电池524GWh,储能电池115GWh。

    但大多锂电池10-15年将报废,如何回收利用,既是一个挑战,也蕴含巨大商机。

    电子废弃物含有有毒的添加剂和汞等有害物质,如果只是焚烧和填埋,会对环境和人体造成巨大危害。

    锂电池的回收还不是造成环境压力的唯一原因。开采锂电池所需的各种金属需要大量资源。开采一吨锂需要消耗50万加仑的水。在一些国家,因为开采锂矿,结果造成植被减少、气温升高,以及所在的国家保护区干旱日益严重等环保问题。

    如果能有效回收报废的千百万块锂电池,将有助于中和生产及回收锂电池所消耗的能源。电子废弃物中往往含有黄金、白银、铂、铜等稀金属和稀土等可回收的贵重材料。

    围绕废弃电子产品的回收,现已有一些企业正在布局这个产业。而一些科研实验室和高校的科研机构,也正在改进更有效的回收方法,技术在不断突破,最终能找到一个既标准化也很环保的回收技术,就能充分迎接锂电池需求量大增时代的到来。

    本期采访到中南大学特聘副教授。他的主要研究领域就是二次资源(废旧电路板、锂电池、铜矿)的高附加值利用、高温热力学相图以及计算流体力学在工业中的数值模拟(CFD)应用。

    在你的一些学术论文中,发现很多是关于研究元素的反应机理,这对废弃电子设备回收研究有什么帮助?

    特聘副教授:通过对相关元素在冶炼过程中反应机理、顺序以及分配行为的研究,奠定了电子废物回收的理论基础。同时,如果要改进高温金属回收的工艺,除了对机理有充分认识之外,还需要对冶金设备不断优化。

    比如,废印刷电路板中含有大量的铜和贵金属,可以与铜精矿一起在熔炼炉中进行加工。通过用研究相关废电路板金属元素在不同反应中随时间变化的行为,可获得各类金属在冶炼回收工艺中分配的动力学以及热力学数据,以便合理的选择分离或者富集方法来回收相关金属。

    例如,我在《可持续冶金》杂志(JournalofSustainableMetallurgy)的一篇论文中,通过研究铜冶炼过程中回收贵金属(金、银、铂、钯)的动力学行为,发现贵金属会迅速迁移到金属锍相中,而且不同气氛下(空气和氩气)金属在不同物相中的分配比不一样,但其在锍相中的浓度都遵循钯>铂>金>银的顺序。

    这些实验结果可用于更新与铜冶炼二次原材料加工相关的数据库,也可用于CFD模型以更精确地模拟贵金属在冶炼过程中的行为。

    在矿物工程《MineralsEngineering》杂志的一篇论文中,评估废印刷电路板的火法回收以及杂质元素砷、锑、铋的反应机理。目前从废印刷电路板中回收金属的最先进方法是先溶解,然后通过电解或湿法冶金方法回收。

    因此,研究表明较高的氧分压有助于更有效地将杂质元素从冰铜中去除到熔渣中,因为它们以氧化物形式存在于熔渣中。并且该研究可以防止后续电解中的杂质影响到贵金属回收。

    在危险材料杂志《JournalofHazardousMaterials》杂志的一篇论文中,我根据各金属的活度以及在不同条件下的赋存状态,提出了一种硫化焙烧加水浸的新工艺,该工艺在实验室中被证明可以有效的回收二次资源(废旧铜渣)中的有价金属(铜、镍、钴),并将其与铁高效清洁分离基于研究的金属元素机理和优化的实验结果,提出了一种新的冶炼厂址附近的回收工艺:一种组合式火法-湿法冶金工艺[4]。

    火法冶金用于金属回收有什么优势?你对此进行了哪些改进?

    特聘副教授:火法冶金原理是通过高温从矿石中冶炼出金属或其化合物的过程,而湿法冶金原理是以相应溶剂,以化学反应原理,提取和分离矿石中的金属的过程。

    火法冶金处理是电子废弃物有效方式,以及传统回收废弃金属的方法。火法冶金工艺在从初级资源生产金属方面发挥了重要作用。同时,火法冶金可以在原有工厂设备基础上直接加以改进,将回收工艺大批量投入已有的生产设备,通过在原有大型冶炼设备的前端或尾端加入处理设备,能有助于冶炼废弃物的处理。

    由于火法冶金反应温度过高,一般在1000度左右,会消耗大量能源。针对传统冶炼厂采用焦煤炭作为热源,造成大量碳排放的情况,目前的冶炼厂也在改进,减少焦煤炭使用,转向天然气等相对清洁能源。同时,炼化金属拥有自热熔点,氧化时会产生热而不需要过度消耗能源。

    不过根据金属特性不同,可以选择不同的回收方式。也可以将两种方式结合使用:

    基于研究的金属元素机理和优化的实验结果,提出了一种新的冶炼厂址附近的回收工艺:一种组合式火法-湿法冶金工艺,有着广阔的工业运用场景。从有价金属铜、镍和钴的回收可以产生巨大的经济效益。不仅从烟气中回收了大部分余热,铜渣余热也可以收集,充分利用仍有潜在的经济价值。这种方式的收入可以来自废热收集和金属回收。

    计算流体力学(CFD)是一门交叉学科,目前在航空、航天、化工、冶金、建筑、环境等领域都有广泛应用。你用这个方法对于冶金流程研究有何帮助?

    特聘副教授:CFD(计算流体力学)技术的发展源于核武器、航空航天等一些高科技领域。随着计算机以及相关技术的迅速发展,特别是一些CFD商业软件的出现,CFD技术已在冶金、环境工程学等重要科学中发挥出越来越大的作用。

    利用CFD流体力学方法可以优化冶金过程。CFD技术利用流体力学、传热学、冶金反应工程学等多学科交叉模拟实际反应过程中难以检测和控制的环节,避免了传统的基于半经验、半理论方法对搅拌釜内多相流的预测缺陷,可节约成本、时间,以较小的代价达到优化反应设备、控制最佳反应过程的目。

    计算流体力学模拟可以运用于项目建设之前也可以针对项目建设之后。在项目建设之前,CFD模拟能够对设备选择,模拟调节设计尺寸,降低原型的实验测试,加快研发周期。

    项目建设之后,通过CFD模拟,通过模拟调整冶金各阶段供应条件,分管位置、熔体喷溅角度等参数,有助于以较少的费用和较短的时间,灵活地改进工程设计。并且能运用软件获得温度、浓度参数,有效预测改进后数值。

    尤其是对于投资大、周期长、难度高、高温现场测度较难的冶金工艺过程,特别是危险的、超越正常条件的、待开发的、不可见的或难以测试的冶金新工艺和新产品开发的优点更为突出。

    目前在工业4.0中,各种技术的发展方向朝着可视化、透明化、可预测性、智能化、自主化的发展。其中,全过程数字化和可视化是工业4.0的基点。而CFD运用迎合了工业4.0的基调,为冶金流程提供全方位的模拟与预测。

    你目前的主要研究领域是什么?

    特聘副教授:目前主要研究课题为二次资源(废旧电路板、锂电池、铜渣等矿)的高附加值利用反应机理研究,通过机理研究开发寻求新的工艺。除此之外,研究方向还聚焦在通过CFD等方法对相关设备进行优化,进一步提高反应效率。目前研究也有一部分研究聚焦金属元素全生命周期碳足迹分析。主要针对冶炼企业中某种特定的金属,在其生产运输的流程中进行能效评估,对生产的各个环节进行能量消耗统计,核算能耗及其碳足迹。
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