电子废物的挑战与归趋：废物-资源-再生材料-环境

许振明，牛 博

电子废物的挑战与归趋：废物-资源-再生材料-环境

许振明，牛 博

（上海交通大学 环境科学与工程学院，上海 200240）

电子废物中含有大量的贱、稀贵、稀散金属、各种塑料，有的还有含铅玻璃、阻燃剂、氟利昂（CFC-11）等毒害物质。电子废物既是重要的“二次资源”，又是“危险废物”，其资源化处理有别于金属矿藏开采和危险废物处置，涉及到环境、资源等国计民生重要领域。电子废物处理处置面临的挑战是如何实现绿色、高效、高值资源化循环再利用、信息化大数据管控。本文从电子废物循环利用的资源性、再生材料的高值利用、处理技术与装备的先进性、污染控制的环境友好性出发，提出今后的研究方向及电子废物的归趋。

电子废物；资源；材料；环境

随着科技的发展，电子产品的数量正在急剧增加。与此同时，技术创新缩短了电子产品的生命周期，导致大量电子废物的产生。目前，全球每年产生4 000万～5 000万t电子废物，预计2021年电子废物的产量将达约5 220万t[1]。电子废物种类繁多，包括印刷电路板、电视机、电冰箱、电脑、手机、电池等。从资源特性看，电子废物含有大量的稀贵金属(金、银、钯等)和一定数量的贱金属铜、铁、铝等，其中贵金属的含量是其天然矿藏含量的40倍左右，具有很高的回收价值[2]。同时，电子废物也含有重金属铬、镉、汞、锌等和资源化过程中可产生二噁英的阻燃剂，如果处理不当会造成严重的环境污染[3]。因此，电子废物处理涉及到资源回收和环境污染的双重问题。

电子废物资源化处理有以下难点[4-5]：（1）电子废物的种类多、数量大、分散，污染物多、杂，因此电子废物收集、过程管理、污染控制方面管控难；（2）电子废物是多物质、多结构的复合体，具有分离与纯化、拆解-技术复合度高的特点；（3）电子废物中含有低(非金属材料)、中(贱金属)、高值(稀、贵金属)等材料，处理成本高，实现其回收价值难。因此，电子废物处理处置面临的挑战是如何实现绿色、高效、高值资源化利用、大数据的信息化管控。本文从电子废物循环利用的资源性、材料的高值利用、处理技术与装备的先进性、污染控制的环境友好性出发，提出今后该领域的发展动向—电子废物如何环境友好、高效、高值资源化及大数据的信息化管控。

1 电子废物的资源性

随着城市化进程的加快，形成了含重要矿产的大量城市废物，即大量的资源从地下转移到城市，这些城市废物被称为“城市矿山”。电子废物是重要的城市矿山资源。同时，由于人类对自然资源的过度需求，资源和能源的短缺问题越来越严重。以铂族金属为例，世界上95%铂族金属与铜镍硫化矿共生，分布极不均匀。我国铂族金属的矿产资源十分稀缺，2016年探明储量约为365.5 t，占全球的0.5%。而世界铂资源也十分稀缺，探明铂族金属仅8万t[6]。世界各国都十分重视金属二次资源的回收再利用。电子废物含有多种稀贵金属，如果能有效地回收其中的金属，可以为解决供求矛盾提供非常重要的途径。另外，相比于传统原矿中提炼金属，从电子废物中回收金属可以很大程度上减小环境的影响(减污、降碳等)，如表1[7]所示。因此，二次资源的开发，对碳中和和碳达峰具有重要的贡献。

表1 从废旧电路板中回收金属与传统矿石冶炼金属的环境影响比较（生命周期评价）

环境影响类型回收金属 传统冶炼金属 全球气候变暖潜值3813 6097 酸化潜值10 88 富营养化潜值2 651 化石燃料耗竭潜值39018 88244 淡水生态毒性潜值7 166223 人类毒性健康潜值72 241579 海水毒性潜值134636 4.7E+8 光化学臭氧层生成潜值0.7 7 陆地生态毒性潜值3 105

目前电子废物资源化主要是借鉴从矿石中提取金属的思路，采用冶金、化学、物理等技术，把混合金属分离与纯化成单质金属，从原材料出发，重新进行新的循环。然而，电子废物组分复杂，含金属、非金属材料及毒害物质，与开采原矿不同；另外，回收(物理、化学、火法)时，排放大量污染物，环境负荷大；而且针对一种废物进行资源回收其工艺复杂，成本高。因此，要解决以上难点，需要寻求新的回收途径：

（1）多种废物组合式、一体化、协同再生利用，同时解决多种复杂废物的回收问题，减少废物处理工序和成本；（2）从“废弃物→单元素回收”到“废弃物→有价材料或产品”的技术。

图1为电子废物中的PVC塑料和废弃液晶显示屏（LCD）面板的协同回收示意图。

图1 PVC真空热解回收铟过程中C、H、Cl、In的元素循环

PVC塑料(含C、H和Cl)和LCD面板中剥离产品(含In、C、H和O)似乎无关。然而，通过分析它们的元素组成，可以在这2种不同类型的废物回收中建立联系：利用PVC塑料真空氯化回收LCD机械剥离产品中的In[8]。热解过程中PVC中的Cl元素以HCl的形式进入气相，并与LCD中的In元素发生氯化反应，生成InCl3，实现In的回收。同时，PVC和LCD中C和H元素在热解过程以烷烃和烯烃等有机物的形式，一部分被分子筛吸附生成碳纤维，一部分形成热解气和热解油能源产品。因此，通过一种热解技术就实现了PVC塑料和LCD中有价元素的最大化利用。

2 从电子废物到再生材料

由于电子废物含有多种金属和金属氧化物，要实现资源的完全分离回收，需要多步的分离与纯化，势必增加回收成本及带来新的环境风险。如果能利用废物的多组分特点原位制备功能材料，可以实现废物的高附加值利用。废旧陶瓷电容器主要由BaTiO3、Ag、Pd、Ni和Sn等组成[9]。分析其化学组成，发现BaTiO3具有半导体性质，其带隙约为3.2 eV，可以作为光催化剂[10]。因此，作者所在团队突破传统的资源分离，通过一步球磨废旧陶瓷电容器和g-C3N4原位构建了Nb-Pb掺杂BaTiO3/Ag-Pd-Sn-Ni@g-C3N4磁性核壳Z型异质结，如图2所示[11]。光催化活性实验表明，制备的异质结具有优异的光催化产氢和降解罗丹明B能力。今后，充分利用电子废物的结构和多组分特点，采用简易方法设计和开发新型功能材料，可以实现电子废物的高值化回收和功能材料的少流程、低成本制备。

图2 利用废旧陶瓷电容器直接构建异质结光催化剂

3 电子废物处理的技术与装备

基于电子废物结构复杂、多物料组分等特点，为了高效、精准资源化，电子废物必须进行预拆解和精准分类，需要开发出自动化、智能化先进的技术和装备。目前，对于多引脚电子元器件复杂电路板，主要采用人工烘烤方式进行器件脱焊与拆解，该过程释放大量含低熔点金属的有机废气，危害人体健康，严重污染环境[12]。对于超薄多层液晶面板，目前无拆解、无铟富集的技术，不能进行偏光膜、玻璃、液晶、铟、锡之间的分离与富集。为此，对这些人工难拆解、易引排放污染物、人体健康有影响的部件，需要机器人代替人工，要开发出绿色-自动-智能拆解技术与装备。例如，开发出超薄多层液晶面板物理法自动分离与富铟技术，基于液晶面板多层结构及不同物质的分布特征，发明了智能识别、机械臂自动加料、液晶、玻璃、偏光膜自动分离富集的物理分离方法与装备，如图 3所示，液晶屏解离率达到 100%，铟利用率(回收率)大于 90%，其成果达到国际先进水平[13]。

因此，要实现电子废物的高效回收，其处理技术与装备发展方向为：智能拆解-精准识选-高效循环利用。但上述工艺仍处于起步阶段，存在着许多难点，比如技术和装备的不规范、非标性，“逆向拆解”比“正向装配”更复杂。另外，在设备工艺的设计中，应多关注以下几点：对关键环节、部件智能拆解以避免人体暴露；拆解与污染物同步收存实现减排；机械臂辅助实现高效拆解。

图3 超薄多层液晶面板物理法富集铟技术与装备

4 电子废物资源化过程污染控制

电子废物既是重要的“二次资源”，又是“危险废物”。在处理过程中会释放出多种污染物，如重金属、粉尘和挥发性有机物等[14-15]，如图4所示，这些污染物会在环境介质中(大气、土壤和水)发生迁移、转化和归趋。另外，不同处理技术与污染物的释放种类、释放规律存在着关联性。目前的技术难点是存在多种污染物的耦合问题不清，生态影响机理不明。为了揭示污染物的释放及耦合机制，可以采用现场监测并结合数值模拟方法。最后建立多维度、多尺度的复合污染物排放清单，对电子废物资源化过程中多种污染物的排放进行全面掌握与控制，从而降低二次污染。

图4 电子废物处理过程多种污染物的迁移、转化和归趋

5 电子废物信息化大数据管控

电子废物种类多、数量大、流通无序、实时监测数据缺乏、处理技术参差不齐。如果基于电子废物的物质流、环境、经济等大数据，搭建出电子废物的信息化管理平台，将会高效的实现电子废物收集、过程管理、污染控制方面管控。图5为典型的电子废物信息化平台。

通过分析城市矿产基地污染物动态排放清单，构建污染物排放监测网。通过集成多种电子废物智能拆解-再制造升级技术，形成低中高值电子废物绿色-智能处理技术体系，构建环保管家大数据平台，并指导实现超大城市城市矿产类固废实时追踪监控、污染物实时监测反馈、固废处理技术精准决策，完善互联网回收交易新模式，打造“互联网+物联网+再生资源回收交易”平台，有效提高了电子废物的有序流通效率及资源利用价值。

6 结语

本文从电子废物循环利用的资源性、再生材料的高值利用、处理技术与装备的先进性、污染控制的环境友好性和电子废物的大数据信息化管控方面讨论电子废物的处理与处置，并提出今后研究方向：（1）多种电子废物的协同再生利用，实现有价元素的最大化利用以及回收成本的最小化；（2）由电子废物多组分到高附加值材料的原位制备，实现电子废物的高值化回收和功能材料的少流程、低成本制备；（3）开发先进的技术与装备达到智能拆解-精准识选-高效循环利用；（4）揭示电子废物处理过程多种污染物的释放、迁移与转化规律，全面掌握与控制污染物的排放；（5）构建电子废物信息化大数据管控平台，实现污染监测-实时追踪-废物处理技术精准决策功能的环保管家服务模式。

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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

国家重点研发计划(2019YFC1904400)；国家自然科学基金项目(51778360，51534005)

许振明(1965-)，男，上海人，教授，博士生导师。

责任编校：刘亚兵