電子廢物的挑戰(zhàn)與歸趨：廢物-資源-再生材料-環(huán)境

許振明，牛 博

電子廢物的挑戰(zhàn)與歸趨：廢物-資源-再生材料-環(huán)境

許振明，牛 博

（上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

電子廢物中含有大量的賤、稀貴、稀散金屬、各種塑料，有的還有含鉛玻璃、阻燃劑、氟利昂（CFC-11）等毒害物質(zhì)。電子廢物既是重要的“二次資源”，又是“危險(xiǎn)廢物”，其資源化處理有別于金屬礦藏開采和危險(xiǎn)廢物處置，涉及到環(huán)境、資源等國計(jì)民生重要領(lǐng)域。電子廢物處理處置面臨的挑戰(zhàn)是如何實(shí)現(xiàn)綠色、高效、高值資源化循環(huán)再利用、信息化大數(shù)據(jù)管控。本文從電子廢物循環(huán)利用的資源性、再生材料的高值利用、處理技術(shù)與裝備的先進(jìn)性、污染控制的環(huán)境友好性出發(fā)，提出今后的研究方向及電子廢物的歸趨。

電子廢物；資源；材料；環(huán)境

隨著科技的發(fā)展，電子產(chǎn)品的數(shù)量正在急劇增加。與此同時(shí)，技術(shù)創(chuàng)新縮短了電子產(chǎn)品的生命周期，導(dǎo)致大量電子廢物的產(chǎn)生。目前，全球每年產(chǎn)生4 000萬～5 000萬t電子廢物，預(yù)計(jì)2021年電子廢物的產(chǎn)量將達(dá)約5 220萬t[1]。電子廢物種類繁多，包括印刷電路板、電視機(jī)、電冰箱、電腦、手機(jī)、電池等。從資源特性看，電子廢物含有大量的稀貴金屬(金、銀、鈀等)和一定數(shù)量的賤金屬銅、鐵、鋁等，其中貴金屬的含量是其天然礦藏含量的40倍左右，具有很高的回收價(jià)值[2]。同時(shí)，電子廢物也含有重金屬鉻、鎘、汞、鋅等和資源化過程中可產(chǎn)生二噁英的阻燃劑，如果處理不當(dāng)會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[3]。因此，電子廢物處理涉及到資源回收和環(huán)境污染的雙重問題。

電子廢物資源化處理有以下難點(diǎn)[4-5]：（1）電子廢物的種類多、數(shù)量大、分散，污染物多、雜，因此電子廢物收集、過程管理、污染控制方面管控難；（2）電子廢物是多物質(zhì)、多結(jié)構(gòu)的復(fù)合體，具有分離與純化、拆解-技術(shù)復(fù)合度高的特點(diǎn)；（3）電子廢物中含有低(非金屬材料)、中(賤金屬)、高值(稀、貴金屬)等材料，處理成本高，實(shí)現(xiàn)其回收價(jià)值難。因此，電子廢物處理處置面臨的挑戰(zhàn)是如何實(shí)現(xiàn)綠色、高效、高值資源化利用、大數(shù)據(jù)的信息化管控。本文從電子廢物循環(huán)利用的資源性、材料的高值利用、處理技術(shù)與裝備的先進(jìn)性、污染控制的環(huán)境友好性出發(fā)，提出今后該領(lǐng)域的發(fā)展動向—電子廢物如何環(huán)境友好、高效、高值資源化及大數(shù)據(jù)的信息化管控。

1 電子廢物的資源性

隨著城市化進(jìn)程的加快，形成了含重要礦產(chǎn)的大量城市廢物，即大量的資源從地下轉(zhuǎn)移到城市，這些城市廢物被稱為“城市礦山”。電子廢物是重要的城市礦山資源。同時(shí)，由于人類對自然資源的過度需求，資源和能源的短缺問題越來越嚴(yán)重。以鉑族金屬為例，世界上95%鉑族金屬與銅鎳硫化礦共生，分布極不均勻。我國鉑族金屬的礦產(chǎn)資源十分稀缺，2016年探明儲量約為365.5 t，占全球的0.5%。而世界鉑資源也十分稀缺，探明鉑族金屬僅8萬t[6]。世界各國都十分重視金屬二次資源的回收再利用。電子廢物含有多種稀貴金屬，如果能有效地回收其中的金屬，可以為解決供求矛盾提供非常重要的途徑。另外，相比于傳統(tǒng)原礦中提煉金屬，從電子廢物中回收金屬可以很大程度上減小環(huán)境的影響(減污、降碳等)，如表1[7]所示。因此，二次資源的開發(fā)，對碳中和和碳達(dá)峰具有重要的貢獻(xiàn)。

表1 從廢舊電路板中回收金屬與傳統(tǒng)礦石冶煉金屬的環(huán)境影響比較（生命周期評價(jià)）

環(huán)境影響類型回收金屬 傳統(tǒng)冶煉金屬 全球氣候變暖潛值3813 6097 酸化潛值10 88 富營養(yǎng)化潛值2 651 化石燃料耗竭潛值39018 88244 淡水生態(tài)毒性潛值7 166223 人類毒性健康潛值72 241579 海水毒性潛值134636 4.7E+8 光化學(xué)臭氧層生成潛值0.7 7 陸地生態(tài)毒性潛值3 105

目前電子廢物資源化主要是借鑒從礦石中提取金屬的思路，采用冶金、化學(xué)、物理等技術(shù)，把混合金屬分離與純化成單質(zhì)金屬，從原材料出發(fā)，重新進(jìn)行新的循環(huán)。然而，電子廢物組分復(fù)雜，含金屬、非金屬材料及毒害物質(zhì)，與開采原礦不同；另外，回收(物理、化學(xué)、火法)時(shí)，排放大量污染物，環(huán)境負(fù)荷大；而且針對一種廢物進(jìn)行資源回收其工藝復(fù)雜，成本高。因此，要解決以上難點(diǎn)，需要尋求新的回收途徑：

（1）多種廢物組合式、一體化、協(xié)同再生利用，同時(shí)解決多種復(fù)雜廢物的回收問題，減少廢物處理工序和成本；（2）從“廢棄物→單元素回收”到“廢棄物→有價(jià)材料或產(chǎn)品”的技術(shù)。

圖1為電子廢物中的PVC塑料和廢棄液晶顯示屏（LCD）面板的協(xié)同回收示意圖。

圖1 PVC真空熱解回收銦過程中C、H、Cl、In的元素循環(huán)

PVC塑料(含C、H和Cl)和LCD面板中剝離產(chǎn)品(含In、C、H和O)似乎無關(guān)。然而，通過分析它們的元素組成，可以在這2種不同類型的廢物回收中建立聯(lián)系：利用PVC塑料真空氯化回收LCD機(jī)械剝離產(chǎn)品中的In[8]。熱解過程中PVC中的Cl元素以HCl的形式進(jìn)入氣相，并與LCD中的In元素發(fā)生氯化反應(yīng)，生成InCl3，實(shí)現(xiàn)In的回收。同時(shí)，PVC和LCD中C和H元素在熱解過程以烷烴和烯烴等有機(jī)物的形式，一部分被分子篩吸附生成碳纖維，一部分形成熱解氣和熱解油能源產(chǎn)品。因此，通過一種熱解技術(shù)就實(shí)現(xiàn)了PVC塑料和LCD中有價(jià)元素的最大化利用。

2 從電子廢物到再生材料

由于電子廢物含有多種金屬和金屬氧化物，要實(shí)現(xiàn)資源的完全分離回收，需要多步的分離與純化，勢必增加回收成本及帶來新的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。如果能利用廢物的多組分特點(diǎn)原位制備功能材料，可以實(shí)現(xiàn)廢物的高附加值利用。廢舊陶瓷電容器主要由BaTiO3、Ag、Pd、Ni和Sn等組成[9]。分析其化學(xué)組成，發(fā)現(xiàn)BaTiO3具有半導(dǎo)體性質(zhì)，其帶隙約為3.2 eV，可以作為光催化劑[10]。因此，作者所在團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)的資源分離，通過一步球磨廢舊陶瓷電容器和g-C3N4原位構(gòu)建了Nb-Pb摻雜BaTiO3/Ag-Pd-Sn-Ni@g-C3N4磁性核殼Z型異質(zhì)結(jié)，如圖2所示[11]。光催化活性實(shí)驗(yàn)表明，制備的異質(zhì)結(jié)具有優(yōu)異的光催化產(chǎn)氫和降解羅丹明B能力。今后，充分利用電子廢物的結(jié)構(gòu)和多組分特點(diǎn)，采用簡易方法設(shè)計(jì)和開發(fā)新型功能材料，可以實(shí)現(xiàn)電子廢物的高值化回收和功能材料的少流程、低成本制備。

圖2 利用廢舊陶瓷電容器直接構(gòu)建異質(zhì)結(jié)光催化劑

3 電子廢物處理的技術(shù)與裝備

基于電子廢物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多物料組分等特點(diǎn)，為了高效、精準(zhǔn)資源化，電子廢物必須進(jìn)行預(yù)拆解和精準(zhǔn)分類，需要開發(fā)出自動化、智能化先進(jìn)的技術(shù)和裝備。目前，對于多引腳電子元器件復(fù)雜電路板，主要采用人工烘烤方式進(jìn)行器件脫焊與拆解，該過程釋放大量含低熔點(diǎn)金屬的有機(jī)廢氣，危害人體健康，嚴(yán)重污染環(huán)境[12]。對于超薄多層液晶面板，目前無拆解、無銦富集的技術(shù)，不能進(jìn)行偏光膜、玻璃、液晶、銦、錫之間的分離與富集。為此，對這些人工難拆解、易引排放污染物、人體健康有影響的部件，需要機(jī)器人代替人工，要開發(fā)出綠色-自動-智能拆解技術(shù)與裝備。例如，開發(fā)出超薄多層液晶面板物理法自動分離與富銦技術(shù)，基于液晶面板多層結(jié)構(gòu)及不同物質(zhì)的分布特征，發(fā)明了智能識別、機(jī)械臂自動加料、液晶、玻璃、偏光膜自動分離富集的物理分離方法與裝備，如圖 3所示，液晶屏解離率達(dá)到 100%，銦利用率(回收率)大于 90%，其成果達(dá)到國際先進(jìn)水平[13]。

因此，要實(shí)現(xiàn)電子廢物的高效回收，其處理技術(shù)與裝備發(fā)展方向?yàn)椋褐悄懿鸾?精準(zhǔn)識選-高效循環(huán)利用。但上述工藝仍處于起步階段，存在著許多難點(diǎn)，比如技術(shù)和裝備的不規(guī)范、非標(biāo)性，“逆向拆解”比“正向裝配”更復(fù)雜。另外，在設(shè)備工藝的設(shè)計(jì)中，應(yīng)多關(guān)注以下幾點(diǎn)：對關(guān)鍵環(huán)節(jié)、部件智能拆解以避免人體暴露；拆解與污染物同步收存實(shí)現(xiàn)減排；機(jī)械臂輔助實(shí)現(xiàn)高效拆解。

圖3 超薄多層液晶面板物理法富集銦技術(shù)與裝備

4 電子廢物資源化過程污染控制

電子廢物既是重要的“二次資源”，又是“危險(xiǎn)廢物”。在處理過程中會釋放出多種污染物，如重金屬、粉塵和揮發(fā)性有機(jī)物等[14-15]，如圖4所示，這些污染物會在環(huán)境介質(zhì)中(大氣、土壤和水)發(fā)生遷移、轉(zhuǎn)化和歸趨。另外，不同處理技術(shù)與污染物的釋放種類、釋放規(guī)律存在著關(guān)聯(lián)性。目前的技術(shù)難點(diǎn)是存在多種污染物的耦合問題不清，生態(tài)影響機(jī)理不明。為了揭示污染物的釋放及耦合機(jī)制，可以采用現(xiàn)場監(jiān)測并結(jié)合數(shù)值模擬方法。最后建立多維度、多尺度的復(fù)合污染物排放清單，對電子廢物資源化過程中多種污染物的排放進(jìn)行全面掌握與控制，從而降低二次污染。

圖4 電子廢物處理過程多種污染物的遷移、轉(zhuǎn)化和歸趨

5 電子廢物信息化大數(shù)據(jù)管控

電子廢物種類多、數(shù)量大、流通無序、實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏、處理技術(shù)參差不齊。如果基于電子廢物的物質(zhì)流、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等大數(shù)據(jù)，搭建出電子廢物的信息化管理平臺，將會高效的實(shí)現(xiàn)電子廢物收集、過程管理、污染控制方面管控。圖5為典型的電子廢物信息化平臺。

通過分析城市礦產(chǎn)基地污染物動態(tài)排放清單，構(gòu)建污染物排放監(jiān)測網(wǎng)。通過集成多種電子廢物智能拆解-再制造升級技術(shù)，形成低中高值電子廢物綠色-智能處理技術(shù)體系，構(gòu)建環(huán)保管家大數(shù)據(jù)平臺，并指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)超大城市城市礦產(chǎn)類固廢實(shí)時(shí)追蹤監(jiān)控、污染物實(shí)時(shí)監(jiān)測反饋、固廢處理技術(shù)精準(zhǔn)決策，完善互聯(lián)網(wǎng)回收交易新模式，打造“互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)+再生資源回收交易”平臺，有效提高了電子廢物的有序流通效率及資源利用價(jià)值。

6 結(jié)語

本文從電子廢物循環(huán)利用的資源性、再生材料的高值利用、處理技術(shù)與裝備的先進(jìn)性、污染控制的環(huán)境友好性和電子廢物的大數(shù)據(jù)信息化管控方面討論電子廢物的處理與處置，并提出今后研究方向：（1）多種電子廢物的協(xié)同再生利用，實(shí)現(xiàn)有價(jià)元素的最大化利用以及回收成本的最小化；（2）由電子廢物多組分到高附加值材料的原位制備，實(shí)現(xiàn)電子廢物的高值化回收和功能材料的少流程、低成本制備；（3）開發(fā)先進(jìn)的技術(shù)與裝備達(dá)到智能拆解-精準(zhǔn)識選-高效循環(huán)利用；（4）揭示電子廢物處理過程多種污染物的釋放、遷移與轉(zhuǎn)化規(guī)律，全面掌握與控制污染物的排放；（5）構(gòu)建電子廢物信息化大數(shù)據(jù)管控平臺，實(shí)現(xiàn)污染監(jiān)測-實(shí)時(shí)追蹤-廢物處理技術(shù)精準(zhǔn)決策功能的環(huán)保管家服務(wù)模式。

[1] 楊文濤, 陶天一, 白皓, 等.電子廢物機(jī)械–物理協(xié)同強(qiáng)化資源化利用的研究進(jìn)展[J]. 過程工程學(xué)報(bào), 2020, 20 (12): 1363-1376.

[2] Lu Y, Xu Z. Precious metals recovery from waste printed circuit boards: A review for current status and perspective[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2016, 113: 28-39.

[3] Awasthi A K, Wang M, Awasthi M K, et al. Environmental pollution and human body burden from improper recycling of e-waste in China: A short-review[J]. Environmental Pollution, 2018, 243: 1310-1316.

[4] Zhang L, Xu Z. A review of current progress of recycling technologies for metals from waste electrical and electronic equipment[J]. Journal of Cleaner Production, 2016, 127: 19-36.

[5] Wang J, Xu Z. Disposing and recycling waste printed circuit boards: disconnecting, resource recovery, and pollution control[J]. Environmental science & technology, 2015, 49 (2): 721-733.

[6] 楊慶山, 蘭石琨. 我國汽車尾氣凈化催化劑的研究現(xiàn)狀[J]. 金屬材料與冶金工程, 2013, 41(1): 53-59.

[7] Xue M, Kendall A, Xu Z, et al. Waste management of printed wiring boards: a life cycle assessment of the metals recycling chain from liberation through refining[J]. Environmental science & technology, 2015, 49(2): 940-947.

[8] Zhang L, Xu Z. C, H, Cl, and In Element Cycle in Wastes: Vacuum Pyrolysis of PVC Plastic To Recover Indium in LCD Panels and Prepare Carbon Coating[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2017, 5(10): 8918-8929.

[9] Pan M J, Randall C A. A brief introduction to ceramic capacitors[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2010, 26(3): 44-50.

[10] Sharma D, Upadhyay S, Satsangi V R, et al. Nanostructured BaTiO3/Cu2O heterojunction with improved photoelectrochemical activity for H2evolution: experimental and first-principles analysis[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2016, 189:75-85.

[11] Niu B, Cao S E, Xiao Y, et al. Utilizing E-Waste for Construction of Magnetic and Core–Shell Z-Scheme Photocatalysts: An Effective Approach to E-Waste Recycling[J]. Environmental Science & Technology, 2021, 55(2): 1279-1289.

[12] Wang J, Guo J, Xu Z. An environmentally friendly technology of disassembling electronic components from waste printed circuit boards[J]. Waste management, 2016, 53: 218-224.

[13] Zhang L, Wu B, Chen Y, et al. Treatment of liquid crystals and recycling indium for stripping product gained by mechanical stripping process from waste liquid crystal display panels[J]. Journal of Cleaner Production, 2017, 162: 1472-1481.

[14] Sun H, Niu B, Guo J, et al. Unveiling the Release Mechanism of Pollutants during the Crushing Process of Waste Printed Circuit Boards[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2020, 8(38): 14540-14548.

[15] Guo J, Luo X, Tan S, et al. Thermal degradation and pollutant emission from waste printed circuit boards mounted with electronic components[J]. Journal of Hazardous Materials, 2020, 382: 121038.

Challenges and Trends in E-waste: Waste, Resources,Materials and Environment

XUZhen-ming, NIU Bo

（School of Environmental Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China）

E-waste contains many cheap, rare, scattered metals and various valuable plastics, as well as leaded glass, flame retardants, Freon (CFC-11) and other toxic substances. E-waste is not only an important “secondary resource”, but also a “hazardous waste”. The recycling treatment of e-waste is different from metal mining and hazardous waste disposal, which relates to the environment, resources and other important fields of national economy and people’s livelihood. The challenge of e-waste treatment and disposal is how to achieve green, efficient, high-value resource utilization as well as information management and control. In this paper, the future research direction and the trend of e-waste are put forward from the perspective of the recycling resource of e-waste, the high value utilization of materials, the advanced treatment technology and equipment, and the environmental friendliness of pollution control.

e-waste; resources; materials; environment

X70

A

1674-3261(2021)04-0211-05

10.15916/j.issn1674-3261.2021.04.001

2021-06-16

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2019YFC1904400)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51778360，51534005)

許振明(1965-)，男，上海人，教授，博士生導(dǎo)師。

責(zé)任編校：劉亞兵