廢棄線路板中金屬循環(huán)利用技術(shù)研究進(jìn)展

張世鏢 李健 趙國惠 王秀美 張修超 趙俊蔚

摘要：廢棄線路板是廢棄電子產(chǎn)品的核心部件，其主要由貴金屬、有色金屬、重金屬、溴化阻燃劑和樹脂等組成。廢棄線路板內(nèi)金屬的循環(huán)利用不僅有利于實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)，還能降低其對環(huán)境產(chǎn)生的危害。概述了從廢棄線路板中回收金屬的技術(shù)，包括機(jī)械處理技術(shù)、火法冶金技術(shù)、濕法冶金技術(shù)及生物冶金技術(shù)，并對不同技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析;生物冶金技術(shù)處理廢棄線路板具有良好的應(yīng)用前景，有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，為廢棄線路板低成本、環(huán)保、高效循環(huán)利用提供保障，解決了廢棄線路板循環(huán)利用過程中存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：廢棄線路板;金屬;循環(huán)利用;火法冶金;濕法冶金;生物冶金

中圖分類號：TD952X705文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）03-0079-04doi：10.11792/hj20210317

引言

隨著科技的發(fā)展，電子產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快，導(dǎo)致全球每年產(chǎn)生大量的電子廢棄物，而其中最難處理的核心組件印刷線路板（下稱“線路板”）的數(shù)量也急劇增加[1]。常規(guī)電子廢棄物中，線路板產(chǎn)量占總量的3%～6%[2]。盡管不同類型廢棄線路板的實(shí)際組分存在差異，但通常由約28%金屬和72%非金屬組成[3]。在金屬組分中，含有較多的有色金屬（如Cu、Pb、Zn、Ni、Sn等）及貴金屬（如Au、Ag、Pd、Pt等）[4]。此外，廢棄線路板中存在的重金屬（如As、Hg、Cd、Cr、Pb等）和非金屬組分（如溴化阻燃劑、樹脂等）若處理不當(dāng)，會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生較大影響[5]。由于廢棄線路板中含有色金屬、貴金屬及其他有害組分，因此將廢棄線路板通過安全、環(huán)保技術(shù)轉(zhuǎn)化為可用資源，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)金屬等寶貴資源的循環(huán)利用，同時(shí)還能降低其對環(huán)境的影響。

為使廢棄線路板中金屬資源能夠有效回收及循環(huán)利用，降低其處理不當(dāng)而引起的環(huán)境污染問題，國內(nèi)外學(xué)者在傳統(tǒng)冶金技術(shù)基礎(chǔ)上提出了多種廢棄線路板處理工藝技術(shù)，主要包括機(jī)械處理、基于焙燒及熔煉的火法冶金、基于酸或堿等化學(xué)浸出的濕法冶金、基于微生物的生物冶金等技術(shù)[6]。本文對上述幾種工藝技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)分析，并對比了各技術(shù)的特點(diǎn)，為廢棄線路板中金屬的綜合回收提供參考。

1廢棄線路板中金屬循環(huán)利用技術(shù)

廢棄線路板中金屬的回收大致可分為兩步，分別為預(yù)處理和金屬分離回收，其基本流程如圖1所示。廢棄線路板中金屬的回收一般采用機(jī)械處理、火法冶金、濕法冶金、生物冶金等技術(shù)或多種技術(shù)的聯(lián)合。

1.1機(jī)械處理技術(shù)

機(jī)械處理技術(shù)是根據(jù)廢棄線路板中各組成材料的密度、導(dǎo)電性、磁性和韌性等物理性能的差異而對其進(jìn)行分選，最終實(shí)現(xiàn)組分的分離。機(jī)械處理技術(shù)包括拆解、破碎和分選等，而分選中的重選、磁選、渦流分離、靜電分離、空氣分離和跳汰等技術(shù)已被廣泛應(yīng)用[7]。

通過拆解回收可以重復(fù)使用的電子部件，剩余部分進(jìn)行破碎，然后再進(jìn)行分選，從而獲得能夠進(jìn)一步處理的金屬混合顆粒及非金屬粉末。破碎是處理廢棄線路板非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，廢棄線路板的破碎程度不僅直接影響能源消耗，還會(huì)對后續(xù)分選指標(biāo)有較大影響。在破碎過程中，常用設(shè)備主要包括剪切研磨機(jī)、錘碎機(jī)、錘磨機(jī)及旋轉(zhuǎn)破碎機(jī)等[8]。王順順[9]研究表明，當(dāng)廢棄線路板破碎到0.66mm時(shí)，可實(shí)現(xiàn)金屬和非金屬的完全解離。分選是根據(jù)材料物理性能的差異而實(shí)現(xiàn)分別分離的目的，常用設(shè)備包括磁選機(jī)、渦流分選機(jī)、靜電分選機(jī)、風(fēng)力分選機(jī)和旋風(fēng)分離器等。分選設(shè)備在處理廢棄線路板中應(yīng)用廣泛，適用于金屬材料及質(zhì)量相近塑料材料的分離。

針對機(jī)械處理技術(shù)，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究，開發(fā)了多種工藝流程，均取得了較好的技術(shù)指標(biāo)。HUANG等[10]利用金屬和非金屬密度與電導(dǎo)的不同，開發(fā)了二級破碎—高壓靜電分離（CES）工藝流程，能夠有效分離粒徑為0.6～1.2mm的金屬和非金屬顆粒。VEIT等[11]開發(fā)了利用磁力與靜電分離廢棄線路板中金屬、有機(jī)物和陶瓷的工藝，該工藝獲得的金屬粉末中銅、錫、鉛的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別可達(dá)50%、24%、8%。

目前，機(jī)械處理技術(shù)在國際上的應(yīng)用較為廣泛。以德國Daimler-BenzUlmResearchCentre公司為例，回收廢棄線路板中金屬的基本工藝流程為：拆卸后的廢棄線路板→預(yù)破碎→磁選→液氮冷凍→粉碎→篩分→靜電分選→金屬→貴金屬提純。該流程具有以下特點(diǎn)：①液氮冷凍過程能夠促進(jìn)破碎的完成;②在破碎過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱能，而加入液氮能夠避免塑料氧化或燃燒，防止產(chǎn)生有害氣體。

機(jī)械處理技術(shù)是目前應(yīng)用較為廣泛的廢棄線路板資源化利用方法，較易實(shí)現(xiàn)廢棄線路板中金屬與非金屬的分離，是實(shí)現(xiàn)不同組分分選的有效技術(shù)，具有工藝流程簡單、回收成本較低、對環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)[12-13]。但是，該技術(shù)得到的最終產(chǎn)品是金屬富集物，其純度不能滿足工業(yè)生產(chǎn)需求，還需采用其他工藝進(jìn)行進(jìn)一步分離提純。通常情況下，機(jī)械處理技術(shù)多作為廢棄線路板資源化回收的預(yù)處理手段，即作為濕法冶金、火法冶金及生物冶金等工藝的預(yù)處理步驟。機(jī)械處理技術(shù)未來需在減少破碎量、增加拆解量等方面繼續(xù)探索，既要盡可能少地破壞可再利用的電子器件，又要避免破碎時(shí)汞和鎘的泄漏[14]。

1.2火法冶金技術(shù)

火法冶金技術(shù)屬于高溫處理工藝，主要包括焚燒、熔煉等工藝，通過控制高溫環(huán)境下氣相、液相及固相的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)廢棄線路板中有色金屬和貴金屬的回收?；鸱ㄒ苯鸸に囆柙趯ｉT的焚燒爐、熔煉爐、鼓風(fēng)爐、電弧爐等設(shè)備中進(jìn)行，廢棄線路板中的金屬及金屬氧化物還原生成的金屬在高溫熔融后沉于反應(yīng)器底部，而廢棄線路板中的非金屬部分燃燒釋放熱量，可一定程度減少燃料添加量，并與加入的石英、硼砂等添加劑共同造渣，其爐渣較金屬熔體輕，漂浮于上層，便于金屬與非金屬分離，最終實(shí)現(xiàn)金屬的回收[15]。

在廢棄線路板中，金屬主要以單質(zhì)及合金的形式存在。在生產(chǎn)中，金屬單質(zhì)較易通過火法冶金技術(shù)加以回收，而合金因其穩(wěn)定性及在熔融過程中較差的分離性能使回收難度增加，進(jìn)而導(dǎo)致火法冶金過程中能耗較高[16]。此外，廢棄線路板火法冶金過程中會(huì)釋放大量有毒有害氣體，如多溴代二苯并二惡英（PBDD）、多溴代二苯并呋喃（PBDF）、苯酚、萘、聯(lián)苯、蒽或菲、二溴苯、二苯并呋喃、三溴苯、四溴苯等，若不處理會(huì)帶來嚴(yán)重的二次污染[17]。因此，為避免產(chǎn)生二次污染，生產(chǎn)企業(yè)需投入大量資金對尾氣進(jìn)行處理，以減少有害氣體排放。

針對以上問題，學(xué)者研究了多種改進(jìn)方案，以提高金屬產(chǎn)量并減少火法冶金過程中產(chǎn)生的二次污染。據(jù)報(bào)道，已開發(fā)出超聲輔助火法冶金回收技術(shù)，其具有尾渣排放量少且金屬回收率高的特點(diǎn)，銅和鐵的回收率分別為95.2%～97.5%和97.1%～98.5%[18]。ZHAN等[19]研究表明，將真空技術(shù)與傳統(tǒng)火法冶金技術(shù)相結(jié)合處理廢棄線路板能夠取得較優(yōu)的效果，獲得純度為99%的銅。采用火法冶金工藝處理廢棄線路板，若想獲得純度較高的金屬，通常在火法冶金工藝后采用電解、萃取等濕法冶金工藝進(jìn)一步處理，以獲得較純的金屬。

目前，較著名的采用火法冶金技術(shù)回收廢棄線路板中金屬的企業(yè)[20]包括德國的Aurubis冶煉廠、加拿大魁北克的Noranda冶煉廠、比利時(shí)的Umicore冶煉廠、瑞典的Rnnskr冶煉廠、中國的中國瑞林工程技術(shù)有限公司及中節(jié)能（汕頭）再生資源技術(shù)有限公司等。

1.3濕法冶金技術(shù)

在濕法冶金工藝中，選用合適的浸出劑（酸、堿、鹽等）使金屬溶解于液相中，從而實(shí)現(xiàn)廢棄線路板中金屬與非金屬分離的目的。由于廢棄線路板中的金屬通常嵌入聚合物或陶瓷基質(zhì)中，因此濕法浸出前需進(jìn)行粉碎處理，使金屬充分暴露解離，進(jìn)而提高金屬回收率。經(jīng)粉碎的廢棄線路板采用浸出液處理后，金屬溶解于液相中，然后采用沉淀法、離子吸附法、溶劑萃取法等分離回收液相中的金屬，最終獲得較純的金屬產(chǎn)品[21]。

對于廢棄線路板中的賤金屬，最常用的浸出劑包括HCl、H2SO4、HNO3、H2O2、NaClO等，而貴金屬常采用王水、氯酸鹽、氰化物、硫脲、硫代硫酸鹽、鹵化物等浸出劑回收[22]。廢棄線路板中金屬種類較多，存在形式復(fù)雜，實(shí)際處理過程中常采用兩步回收法[23]：第一步采用酸浸回收賤金屬（特別是Cu），第二步回收性質(zhì)較穩(wěn)定的貴金屬（Au、Ag、Pt等）。

近年來，研究人員針對濕法冶金工藝進(jìn)行了更深入的研究，并對工藝中存在的問題進(jìn)行改進(jìn)和完善。LU等[24]開發(fā)了熱等離子體結(jié)合酸浸技術(shù)回收廢棄線路板中金屬的工藝，該工藝具有浸出液用量少、固液分離徹底和浸出時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。YANG等[25]研究了硫酸和過氧化氫溶液在室溫下從廢棄線路板顆粒中回收銅的綠色工藝，獲得了較好效果。利用化學(xué)試劑對有色金屬和貴金屬進(jìn)行濕法冶金回收的工藝較成熟，已在工業(yè)上有大規(guī)模的應(yīng)用。但是，采用濕法冶金工藝處理廢棄線路板過程中，若操作不當(dāng)可能會(huì)產(chǎn)生有毒、高酸性或堿性液體，對接觸人員產(chǎn)生嚴(yán)重危害，并存在環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。

1.4生物冶金技術(shù)

近年來，生物冶金-濕法冶金技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為具有良好應(yīng)用前景的、可用于從廢棄線路板中回收金屬的聯(lián)合技術(shù)。生物冶金技術(shù)是在CO<SUB>2</SUB>為碳源、無機(jī)物（Fe 2+、S）為能源的微生物作用下，將金屬及金屬化合物轉(zhuǎn)化為水溶性狀態(tài)，之后再采用常規(guī)濕法冶金技術(shù)，如萃取法、沉淀法、離子交換法、吸附法、電解法等進(jìn)行回收。

采用生物冶金技術(shù)回收廢棄線路板中金屬已有較多研究成果。ILYAS等[26]使用嗜酸性異養(yǎng)細(xì)菌從廢棄線路板中回收了80%以上的金屬，包括Al、Cu、Ni、Zn等。XIANG等[27]優(yōu)化了生物浸出廢棄線路板中Cu的條件，在最佳條件下生物浸出5d后，銅浸出率達(dá)95%。XIA等[28]研究了初始pH、初始Fe（Ⅱ）濃度、金屬濃縮物用量、粒徑和接種量等因素對嗜酸菌混合培養(yǎng)的影響，最終獲得生物浸出的最佳條件，在此條件下浸出98h后，廢棄線路板中Cu、Al、Zn的浸出率分別為96.8%、88.2%和91.6%。ILYAS等[29]采用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模柱浸回收廢棄線路板中的金屬，柱浸時(shí)間為165d時(shí)，金屬回收率分別為Zn74%、Al68%、Cu85%、Ni78%。MRAZIKOVA等[30]使用經(jīng)含多氯聯(lián)苯溶液環(huán)境馴化的微生物處理廢棄線路板，最終Cu、Ni、Zn、Al的浸出率分別為100%、92%、89%和20%。楊遠(yuǎn)坤[31]采用氧化亞鐵硫桿菌在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模柱浸中回收廢棄線路板中銅，柱浸28d后，銅浸出率為94.8%。楊東升[32]研究了氧化亞鐵硫桿菌柱浸廢棄線路板中Cu及閉路循環(huán)工藝，間斷性浸出40h后，貴液中銅質(zhì)量濃度達(dá)8673g/L;之后采用電沉積工藝回收銅，銅回收率為93.29%，電解貧液經(jīng)處理及添加培養(yǎng)基后循環(huán)用于柱浸，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

此外，生物冶金技術(shù)也被證明是從廢棄線路板等二次資源中回收貴金屬最有前景的技術(shù)之一[33]。FARAMARZI等[34]研究表明，氰基色羅氏桿菌能夠回收廢棄線路板中的金。I ILDAR等[35]利用嗜酸性菌種（Acidithiobacillusferrivorans、Acidithiobacillusthiooxidans），以及產(chǎn)生氰化物的異養(yǎng)熒光假單胞菌和惡臭假單胞菌，開發(fā)了一種兩步生物浸出工藝，可從廢棄線路板中回收Cu和Au，實(shí)現(xiàn)了無害化處理。

與傳統(tǒng)冶金技術(shù)相比，生物冶金技術(shù)具有流程簡單、能耗少、成本低、環(huán)保、操作簡單等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)[36]，已在工業(yè)生產(chǎn)中用于從低品位、難處理礦石中提取金、鈾、銅等金屬，具有顯著經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，且在國際上的應(yīng)用規(guī)模逐年擴(kuò)大。雖然生物冶金技術(shù)處理廢棄線路板還未實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，但應(yīng)用前景廣闊。

2結(jié)語

隨著科技創(chuàng)新和電子設(shè)備更新速度的加快，全球廢棄線路板的產(chǎn)量逐年增加，由于廢棄線路板中含有大量金屬，以及重金屬砷、汞等，故廢棄線路板中金屬的循環(huán)利用具有一定的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益及環(huán)境效益。

目前，廢棄線路板中金屬綜合回收主要采用火法冶金與濕法冶金技術(shù)，但存在對環(huán)境潛在危害大、能耗及運(yùn)行成本高等問題。隨著人們資源保護(hù)意識的增強(qiáng)及國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高，亟需開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)資源高效回收且對環(huán)境更加友好的工藝技術(shù)。基于生物冶金技術(shù)的發(fā)展及其在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，以及利用生物冶金技術(shù)處理廢棄線路板工藝研究的不斷深入，生物冶金技術(shù)在廢棄線路板處理方面具有良好的應(yīng)用潛力，未來有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

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Abstract：Printedcircuitboardsarethecorecomponentsofelectronicproducts，mainlyincludingpreciousmetals，nonferrousmetals，heavymetals，brominatedflameretardantsandresins.Therecyclingofmetalinwastecircuitboardsisnotonlyconducivetotherealizationofresourcerecycling，butalsoreducesitsharmtotheenvironment.Thispaperoutlinesthetechnologyofrecoveringmetalsfromwasteprintedcircuitboards，includingmechanicalprocessingtechnology，pyrometallurgicaltechnology，hydrometallurgicaltechnologyandbiometallurgicaltechnology，andanalyzestheadvantagesanddisadvantagesofdifferenttechnology.Inthefuture，biometallurgicaltechnologyhasgoodapplicationprospectsinthetreatmentofwasteprintedcircuitboards，andisexpectedtorealizeindustrialapplications，guaranteethelowcost，environmentfriendlyandefficientrecyclingofwasteprintedcircuitboards，andsolvethepotentialrisksintherecyclingprocessofwastecircuitboards.

Keywords：wasteprintedcircuitboard;metal;recycling;pyrometallurgy;hydrometallurgy;biometallurgy