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    如何高效回收電子廢棄物中的金屬?

    發布時間:2022/8/7 21:43:17 | 人感興趣
        隨著5G時代來臨,物聯網和智能設備的普及,地球上的廢棄電子產品越來越多,電子垃圾成為一個災難。聯合國最新統計顯示,2019年全球產生的電子垃圾總量為5360萬噸,5年內增加21%;預計2030年將達到7400萬噸,即16年翻一番。根據最新公布的《2020年全球電子廢棄物監測報告》,全球電子廢棄物的回收和再利用率只有17.4%,其余大部分進了垃圾填埋場。全球電子廢棄物統計伙伴(GESP)估計,2050年全球電子垃圾總量將達到1.2億噸。

        以前的電子垃圾只是一些電動玩具、手機和家用電器等,隨著電動汽車和芯片產業的普及和發展,以鋰電池和電路板為主的新的廢棄電器電子設備成為電子垃圾的主要增長點。

        以鋰電池為例,基于對未來消費電子、新能源車及儲能需求的判斷,預計2021-2025年中國鋰電池裝機仍將維持快速增長,2025年鋰電池裝機量有望達到739GWh,其中消費電池100GWh,動力電池524GWh,儲能電池115GWh。

        但大多鋰電池10-15年將報廢,如何回收利用,既是一個挑戰,也蘊含巨大商機。

        電子廢棄物含有有毒的添加劑和汞等有害物質,如果只是焚燒和填埋,會對環境和人體造成巨大危害。

        鋰電池的回收還不是造成環境壓力的唯一原因。開采鋰電池所需的各種金屬需要大量資源。開采一噸鋰需要消耗50萬加侖的水。在一些國家,因為開采鋰礦,結果造成植被減少、氣溫升高,以及所在的國家保護區干旱日益嚴重等環保問題。

        如果能有效回收報廢的千百萬塊鋰電池,將有助于中和生產及回收鋰電池所消耗的能源。電子廢棄物中往往含有黃金、白銀、鉑、銅等稀金屬和稀土等可回收的貴重材料。

        圍繞廢棄電子產品的回收,現已有一些企業正在布局這個產業。而一些科研實驗室和高校的科研機構,也正在改進更有效的回收方法,技術在不斷突破,最終能找到一個既標準化也很環保的回收技術,就能充分迎接鋰電池需求量大增時代的到來。

        本期采訪到中南大學特聘副教授。他的主要研究領域就是二次資源(廢舊電路板、鋰電池、銅礦)的高附加值利用、高溫熱力學相圖以及計算流體力學在工業中的數值模擬(CFD)應用。

        在你的一些學術論文中,發現很多是關于研究元素的反應機理,這對廢棄電子設備回收研究有什么幫助?

        特聘副教授:通過對相關元素在冶煉過程中反應機理、順序以及分配行為的研究,奠定了電子廢物回收的理論基礎。同時,如果要改進高溫金屬回收的工藝,除了對機理有充分認識之外,還需要對冶金設備不斷優化。

        比如,廢印刷電路板中含有大量的銅和貴金屬,可以與銅精礦一起在熔煉爐中進行加工。通過用研究相關廢電路板金屬元素在不同反應中隨時間變化的行為,可獲得各類金屬在冶煉回收工藝中分配的動力學以及熱力學數據,以便合理的選擇分離或者富集方法來回收相關金屬。

        例如,我在《可持續冶金》雜志(JournalofSustainableMetallurgy)的一篇論文中,通過研究銅冶煉過程中回收貴金屬(金、銀、鉑、鈀)的動力學行為,發現貴金屬會迅速遷移到金屬锍相中,而且不同氣氛下(空氣和氬氣)金屬在不同物相中的分配比不一樣,但其在锍相中的濃度都遵循鈀>鉑>金>銀的順序。

        這些實驗結果可用于更新與銅冶煉二次原材料加工相關的數據庫,也可用于CFD模型以更精確地模擬貴金屬在冶煉過程中的行為。

        在礦物工程《MineralsEngineering》雜志的一篇論文中,評估廢印刷電路板的火法回收以及雜質元素砷、銻、鉍的反應機理。目前從廢印刷電路板中回收金屬的最先進方法是先溶解,然后通過電解或濕法冶金方法回收。

        因此,研究表明較高的氧分壓有助于更有效地將雜質元素從冰銅中去除到熔渣中,因為它們以氧化物形式存在于熔渣中。并且該研究可以防止后續電解中的雜質影響到貴金屬回收。

        在危險材料雜志《JournalofHazardousMaterials》雜志的一篇論文中,我根據各金屬的活度以及在不同條件下的賦存狀態,提出了一種硫化焙燒加水浸的新工藝,該工藝在實驗室中被證明可以有效的回收二次資源(廢舊銅渣)中的有價金屬(銅、鎳、鈷),并將其與鐵高效清潔分離基于研究的金屬元素機理和優化的實驗結果,提出了一種新的冶煉廠址附近的回收工藝:一種組合式火法-濕法冶金工藝[4]。

        火法冶金用于金屬回收有什么優勢?你對此進行了哪些改進?

        特聘副教授:火法冶金原理是通過高溫從礦石中冶煉出金屬或其化合物的過程,而濕法冶金原理是以相應溶劑,以化學反應原理,提取和分離礦石中的金屬的過程。

        火法冶金處理是電子廢棄物有效方式,以及傳統回收廢棄金屬的方法?;鸱ㄒ苯鸸に囋趶某跫壻Y源生產金屬方面發揮了重要作用。同時,火法冶金可以在原有工廠設備基礎上直接加以改進,將回收工藝大批量投入已有的生產設備,通過在原有大型冶煉設備的前端或尾端加入處理設備,能有助于冶煉廢棄物的處理。

        由于火法冶金反應溫度過高,一般在1000度左右,會消耗大量能源。針對傳統冶煉廠采用焦煤炭作為熱源,造成大量碳排放的情況,目前的冶煉廠也在改進,減少焦煤炭使用,轉向天然氣等相對清潔能源。同時,煉化金屬擁有自熱熔點,氧化時會產生熱而不需要過度消耗能源。

        不過根據金屬特性不同,可以選擇不同的回收方式。也可以將兩種方式結合使用:

        基于研究的金屬元素機理和優化的實驗結果,提出了一種新的冶煉廠址附近的回收工藝:一種組合式火法-濕法冶金工藝,有著廣闊的工業運用場景。從有價金屬銅、鎳和鈷的回收可以產生巨大的經濟效益。不僅從煙氣中回收了大部分余熱,銅渣余熱也可以收集,充分利用仍有潛在的經濟價值。這種方式的收入可以來自廢熱收集和金屬回收。

        計算流體力學(CFD)是一門交叉學科,目前在航空、航天、化工、冶金、建筑、環境等領域都有廣泛應用。你用這個方法對于冶金流程研究有何幫助?

        特聘副教授:CFD(計算流體力學)技術的發展源于核武器、航空航天等一些高科技領域。隨著計算機以及相關技術的迅速發展,特別是一些CFD商業軟件的出現,CFD技術已在冶金、環境工程學等重要科學中發揮出越來越大的作用。

        利用CFD流體力學方法可以優化冶金過程。CFD技術利用流體力學、傳熱學、冶金反應工程學等多學科交叉模擬實際反應過程中難以檢測和控制的環節,避免了傳統的基于半經驗、半理論方法對攪拌釜內多相流的預測缺陷,可節約成本、時間,以較小的代價達到優化反應設備、控制最佳反應過程的目。

        計算流體力學模擬可以運用于項目建設之前也可以針對項目建設之后。在項目建設之前,CFD模擬能夠對設備選擇,模擬調節設計尺寸,降低原型的實驗測試,加快研發周期。

        項目建設之后,通過CFD模擬,通過模擬調整冶金各階段供應條件,分管位置、熔體噴濺角度等參數,有助于以較少的費用和較短的時間,靈活地改進工程設計。并且能運用軟件獲得溫度、濃度參數,有效預測改進后數值。

        尤其是對于投資大、周期長、難度高、高溫現場測度較難的冶金工藝過程,特別是危險的、超越正常條件的、待開發的、不可見的或難以測試的冶金新工藝和新產品開發的優點更為突出。

        目前在工業4.0中,各種技術的發展方向朝著可視化、透明化、可預測性、智能化、自主化的發展。其中,全過程數字化和可視化是工業4.0的基點。而CFD運用迎合了工業4.0的基調,為冶金流程提供全方位的模擬與預測。

        你目前的主要研究領域是什么?

        特聘副教授:目前主要研究課題為二次資源(廢舊電路板、鋰電池、銅渣等礦)的高附加值利用反應機理研究,通過機理研究開發尋求新的工藝。除此之外,研究方向還聚焦在通過CFD等方法對相關設備進行優化,進一步提高反應效率。目前研究也有一部分研究聚焦金屬元素全生命周期碳足跡分析。主要針對冶煉企業中某種特定的金屬,在其生產運輸的流程中進行能效評估,對生產的各個環節進行能量消耗統計,核算能耗及其碳足跡。
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