基于工程导论理念浅谈废弃手机机芯中金属的分离技术

1、基于工程理念浅谈微生物技术分离废弃手机机芯中金属的应用白静 摘要：废弃手机机芯中含多种有毒有害物质,也含具有一定经济价值的金属,因此科学、合理、高效的分离机芯中的金属，是目前环保领域广泛关注的热点，也是工程领域亟待解决的问题。文章介绍了手机线路板中金属材料的分离技术现状及存在的问题，基于工程导论的思想重点分析了微生物技术分离废弃手机机芯中普通金属铜元素和贵金属金元素的创意创新及其工程技术的经济价值，并探讨了工程导论对工程硕士研究生的培养和影响。关键词：手机机芯 金属 分离 微生物技术 应用 工程理念0 背景介绍 手机作为最重要的通信产品,已成为人们生活的必需品。据工业与信息部统计,截止2009

2、年底我国手机用户已达74 738.4万户,普及率为56.3%,手机产量为61 925.00万部,占全球手机产量的49.9%,销售量由2000年的3 664.15万部增长到15 700.00万部1。我国消费者更新手机的平均周期在2-3年左右,导致我国废弃手机量逐年增加。据预测,仅2008年我国消费者手机报废量就为7 700万部2。废旧手机可以大致分为电池部分、机芯与壳体三部分。由于手机体积越来越小，功能越来越多，因此手机所用的板卡和元器件也越来越小，集成化程度越来越高。废弃手机机芯中含有Be、Cd、Ni、Hg、As、Ag、Sb、Cr、Pb、Ba、Co、Pd 、Cu等有毒金属3,如果处理不当，必然

3、会给人类健康和生态环境带来威胁；也含有Au、Ag、Pd等贵金属以及Co、Ni等稀有金属,如能合理回收再利用，可节约资源，给人类社会带来巨大的经济效益和社会效益。预计到 2015 年我国年废旧手机回收量将达到 4亿部的规模，每年从手机中回收的银将达到 220 吨左右，金将达到 40 吨左右，回收贵金属价值 150 亿元以上，形成一个重要的产业，贵金属回收也是对我国重要战略资源的有益补充4；目前我国在手机回收方面仍有很多不规范之处，应对设计生产、回收环节、处理环节给予更多关注，并需要手机生产厂商、消费者、回收处理企业以及政府部门多方合作建立起一套绿色高效的体系。1行业发展现状解决废旧手机的处理处置

4、和再生利用问题，关键是要对其中的印刷线路板(PCB)进行妥善处理，并回收其中的有用物质。手机印刷线路板类型复杂，种类多样，组成线路板的各种构件和物质的含量相差很大，回收利用具有一定的难度。因此，废印刷线路板的处理和处置已成为经济发展中亟需解决的问题。印刷线路板的基板材料通常为玻璃纤维强化酚醛树脂或环氧树脂，其上焊接有各种构件，含有多种金属和其他有毒有害成分，在处理过程中稍有不慎，这些有害物质就将进人地下水或空气中，引起严重的环境污染，破坏人类生存的环境，危害人类健康。另一方面，废弃印刷线路板具有极高的经济价值。首先，废弃印刷线路板中有含量不菲的金属，如铜、铝、铅、锡、铁和一定量的贵金属如金、银

5、、钯，以及少量的其他铂族金属和稀有元素硒等，使得印刷线路板的回收利用在资源紧缺的今天显得更为重要。 日、美、德、瑞典等发达国家开展废旧线路板资源回收利用技术研究起步较早，已经研制了环保型全自动化技术和装备，但面临成本高，流程复杂，环境污染较严重，资源利用程度低等问题，不适合我国废旧线路板高附加值综合利用要求。在国家和地方政府的大力支持下，国内相关的研究得到了快速发展，一大批电子废弃物综合利用企业迅速崛起，金属与非金属的分离是废弃手机线路板再资源化的关键。国内外对废弃线路板中金属与非金属分离技术进行了大量研究。 德国Kamet Recycling GmbH5公司采用的处理工艺是通过破碎、重选、磁

6、选、涡流分离的方法获得铁、铝、贵金属和有机物等几个组分-废线路板中90的金属和塑料得以回收，10左右的剩余物质填埋或焚烧，造成环境污染。德国Daimler-Benz Ulm Research Centre公司6开发了四段式处理工艺：预破碎、液氮冷冻粉碎、分类、静电分选。液氮冷冻设备投资大，能耗大。日本NEC公司7采用两段式破碎法分离回收线路板：分别使用剪切破碎机和特制的具有剪断和冲击作用磨碎机，将废线路板粉碎成小于1 mm的粉末。再经过两级分选可以得到铜含量约82%(重量)的铜粉，其中超过94%的铜得到了回收。他们主要针对铜进行了系统处理，未对其他物质给出具体的处理方案。瑞典H. S. D等【

7、8】用实验室离心破碎机将废弃线路板破碎，使样品均质化破碎后可通过旋涡流分离器前部的8个收集容器得出物质分布。研究中采用一种颗粒统计方法来分析各种金属从非金属中的分离释放程度：2 mm以下的颗粒中金属几乎全部释放分离，铁磁体除16 mm以上与塑料插紧的部分外，其颗粒的分离度也很高，7 mm以上的铝也有较好的分离。该法只在实验室得出了粒度分布于金属与非金属分离程度的大致研究。具体涉及金属与非金属的分离技术主要包括火法冶金技术、湿法冶金技术、热解技术、机械法回收技术，但整体技术水平却不高，缺乏适用的处理及深加工技术和装备，回收效率低、能耗高，环保问题突出，表现为：1、火法冶金技术，废弃印刷线路板的有

8、机塑料没有实现高附加值资源化；焊锡等金属在火法冶金过程中回收量很低或无法得到回收；火法冶金过程中产生大量的废气、废渣需要妥善处理与处置。废气、废渣处理与处置设备投入大 9。2、湿法冶金技术，工艺复杂、化学试剂消耗量大等缺点，在处理过程中会有大量的有毒和腐蚀性过滤溶液产生，存在着严重的环境问题。废液、废渣处理与处置设备投入大10。3、热解技术，热解后回收可燃性气体或液体，难度大，能量消耗大、设备投入大。4、机械破碎与分选技术，细粉碎已成为废弃印刷线路板资源化的瓶颈，破碎过程的废气和粉尘防护技术有待进一步研究。显然，存在的上述技术问题是制约行业可持续发展的关键，已成为工业界和学术界当务之急的重要工

9、作之一。2 微生物技术的创意创新目前，新的处理方法包括微波处理技术和微生物处理法，微波处理技术的过程是:先将线路板粉碎，放入坩埚中用微波加热，使其中的有机物分解挥发出来；继续加热到1400左右，余下废料（绝大多数为玻璃和金属）在此温度下熔化形成玻璃化物质，待这种物质冷却后，金、银和其它金属就以小珠的形式分离出来，剩余的玻璃质物质回收作建筑材料【11】。微波加热与传统加热方法有显著差异，具有高效、快速、资源回收利用率高、能耗低等显著优点，但这一技术目前尚未成熟。 生物冶金(Bio-hydrometallurgy)是指某些特殊的微生物通过多种途径对矿物作用，能够促进矿物有价元素转化成为溶液中的离子

10、。1947年，colmef等人【12】从酸性矿坑水中分离出一种能将Fe2+氧化为Fe3+的细菌，认为这种细菌在铜的浸出过程中起着重要的作用。其后有人陆续分离到此功能的细菌，并对其生理生化特性进行了研究，发现这种细菌能将Fe2+氧化为Fe3+，将其命名为氧化亚铁硫杆菌(thiobaciluss ferrooxidans )。工业上第一个细菌冶金过程是20世纪50年代从铜开始的，到80年代推广应用于难选金矿的预处理【13】。截止到2006年，世界上近25的铜产量是采用生物浸出技术获得的，美国黄金总产量的13是采用生物堆浸法生产的【14】。目前，生物浸出法应用于铜、镍、钴、锌和铀矿的处理已实现工业化

11、。微生物技术提取铜、锌等金属具有工艺简单、费用低、操作方便的优点，虽然浸取时间较长，但它是最具前途的从废线路板中回收金等贵金属的新技术之一。该专题的技术工艺主要涉及下面几个方面。2.1本研究课题的主要内容（1）金属元素含量分析检测及所在部位识别 分析废旧手机机芯中金属含量以及贵金属的分布，通过有效的初步识别和手工筛选，能够有选择性地初步分离贵金属以及普通金属铜，减少后期处理量，提高处理对象的金属品位。（2） 菌种训化 虽然硫杆菌能在酸性环境下氧化金属单质，但是为了使其氧化效率能有所提高，通常在菌种氧化线路板之前要进行菌种的驯化。菌种驯化通常是直接在菌液里加入一定量的需要处理样品，让细菌适应该生

12、存环境。经过反复驯化后，适应此环境的细菌得到大量生长，他们能够很好的利用该金属进行生长，后面的实验用驯化过的菌种氧化该矿样。研究所使用的硫杆菌属单菌种或者混培物的筛选培养方法，获得能够大量生长繁殖、易培养的优势菌种或菌群。探究不同培养基类型和不同的添加剂对菌种生长的影响，获得长势良好高活性的工程应用菌种对该技术非常重要【15】。（3） 微生物浸出金属的影响因素探究 杨涛等人【16】研究了电脑线路板粉末浓度12、24、40、60和120 gL浸出速率的变化，结果表明，在考察范围内，浸出速度随着加入的废弃线路板粉末浓度的升高而降低，当线路板粉末的浓度>60 gL时，浸出速度维持在较低水平，选

13、取24gL作为浸出的线路板粉末的浓度，分别在细菌培养0、24、48和72 h时加入线路板粉末24 gL进行浸出实验，结果表明，细菌培养时间长，使得浸出过程进行得也更快。研究不同菌种、线路板粒度、pH、初始Fe2+浓度、固液比、物料添加规律等条件对微生物浸出普通金属的影响，优化各种工艺条件和参数，培育优势菌种高效去除普通金属铜、铝、锌、铁等。得到含贵金属和非金属的不溶残渣，为下步制备贵金属溶液做准备。（4） 手机机芯中金属溶液制备 分别研究不同试剂浓度、催化剂（Fe3+）浓度、pH值、温度、浸出时间等因素对金属铜和金的浸出效果，寻找各因素与金属的浸出规律，强化浸出过程，优化工艺参数，缩短浸出时间

14、。将线路板中单质态的金属以离子态进入溶液中。（5） 萃取-反萃取富集金属离子 研究萃取技术分离富集金属离子溶液，包括萃取剂的配方、萃取剂的浓度、萃取温度、萃取时间等对萃取效果的影响；研究解吸剂类型、解吸剂浓度、解吸时间等对金属离子解吸的影响。优化各种条件和参数，得到最佳的萃取-反萃取操作的条件，分离富集金属离子。（6） 金属产品深加工 调整解吸液性质作为电解液，全面考虑电积材料、电流密度、电解液pH、添加剂等条件对电积影响。选择最佳参数和操作条件，最终在阴极金属离子得到电子被还原而沉积在阴极板上，收集后用硫酸或硝酸处理即可得到纯度很高的金属铜和金。2.2 本课题研究的创新点： （1）微生物浸出

15、手机机芯中的金属铜和金是将生物冶金技术应用到电子废弃物资源化领域，是二次创新的工程实践成果。拟应用氧化亚铁硫杆菌浸出金属铜、铁、锌、锡等，使被包裹的贵金属金更多的暴露出来。生物技术预处理具有环境友好、能源消耗低等优点。 （2）清洁环保低毒性的硫脲体系浸出贵金属：在上步微生物预处理所得残渣中的贵金属用硫脲浸出。硫脲具有低毒性，能与金银形成稳定配合物的特点，有效地替代了氰化物或强酸等浸出剂，满足了环境保护和资源回收的双重需求。 （3）萃取-反萃技术富集浸出液：萃取技术是简单有效的液液分离技术，由于避免了因不可逆吸附而引起的样品损失、失活、变性等。应用于萃取回收含贵金属浸出液具有高效、回收率高、试剂

16、能够循环利用的特点。3总体设计路线及技术经济指标3.1微生物处理技术总技术路线行业发展现状国内外先进技术调研高效、环保、节能的浸出工艺技术高效、适用于工业应用菌种培育技术强化金属浸出工艺参数关键技术高附加值、无害化再资源关键技术浸出液中铜的分离、富集、纯化提取技术贵金属金、银、钯的微生物法提取技术装备研制示范生产线建设前期研究基础项目整体方案设计产业化示范调研与方案设计关键技术攻关装备研制手机拆解机芯粉碎微生物浸取萃取反萃取电解研制1套完整装备产品深加工高纯度电解铜高纯度金、银、钯等贵金属废旧手机处理示范生产线废旧线路板中微生物法分离金属与非金属示范生产线3.2关键技术研究 重点突破微生物强化

17、浸出、分离纯化、电积还原废旧手机机芯中铜的技术；废旧手机机芯中贵金属的生物法回收技术；示范线集成建设成套设备及技术等。装备研制主要包括：微生物培养设备一台、废旧线路板浸出设备一套，浸出液分离纯化设备一套，电解铜设备一套等。成套技术、装备集成并应用，建设废旧印刷线路板处理及再资源化产业化示范生产线。3.3微生物技术经济指标（1）技术指标 金属铜的回收率>98%，其中电解铜的纯度99.99%；贵金属（金、银等）的回收率>96%，纯度>99%。经济指标本项目完成后将实现年产值xx亿元，利税超过xx万。 3.4设计产业化规模 微生物处理技术成果转化后，将建成1条废弃手机机芯处理示范线

18、，其废弃线路板年处理能力预计可达300吨/年（1.2吨/天×250天/年=300吨/年）；从线路板中回收金属的能力预计可达约900吨/年，将为企业带来良好的经济效益。4 环境评估及可行性分析 微生物技术处理手机机芯主要涉及手机拆解、机芯破碎、微生物浸出金属、浸出液萃取分离以及高纯度含铜溶液的电解、贵金属溶液的高效逆流萃取。其中拆解环节交给具有拆解资质的拆解公司处理；手机机芯可采用小型破碎装置，无粉尘污染；所用菌种从自然界分离、纯化、培育，不涉及致病菌或潜在对人体健康的菌种；菌种可重复使用，菌种生长所需的培养基可以循环利用；萃取及浸出环节可以实现溶液循环使用，无大量废液，更没有废液产生

19、，符合电子废弃物资源化领域清洁生产的相关要求。5 结论及感想 微生物技术处理废旧手机机芯中的金属材料，在此处主要指金属铜和金，是将生物冶金技术转移到电子废弃物资源化的新领域，是二次创新创意的成果。微生物处理技术具有环保、低能耗、成本小等诸多优点，但也面临浸出周期长，处理能力低的不足。微生物法处理印刷线路板及含铜污泥已有中试规模的研究，此技术应用于废旧手机机芯，特别是建设生产示范线以及产业化应用还要很长的路要走。 厚生厚德厚技是二工大的校训，在我研究生实习生活中完全体会到，我觉得这样的教育理念不仅适合我们这类专业硕士研究生、而且也适用于从事工程领域的所有人。对于一个工程硕士研究生，不仅应在学习和

20、研究中养成严肃认真的学习态度，而且更应在工程实践中养成脚踏实地、善于思考、敢于创新的职业精神。我认为工程硕士应该具备几个基本素质，即工程硕士必须非常重视实践能力和工程思维，能够很好地将实践与理论结合；工程项目一般动辄上千万，上亿元，需要大量的人力物力和财力的支持，同时还关系到人民群众的生命财产。因此，工程技术和工程管理人员在进行工程方案设计和论证时，必须确保工程设计尽善尽美，充分考虑到技术的可行性，经济的合理性；在实践中求创新、在实践中求发展是工程硕士研究生必须培养的品质和意识。 通过对工程导论的学习，使我初步了解和学习了基本的工程概念，有了一定的工程意识和工程思维。通过工程导论的学习，使我明

21、白了工程专业硕士与学术型硕士应该有不同的定位。但我认为工程导论课程作为工程硕士的工程入门课程，应该以某个或某些工程实际问题为例，使学生有工程实践的体验并能够明白工程问题是什么，如何发现该问题，怎样分析解剖这类问题，如何利用已经具备的只是解决此类问题等。参考文献1 吴峰.浅论废弃电路板综合利用的意义J.环境保护,2000(12):43-44.2 HUANG Kui, GUO Jie, XU Zhenming. Recycling of waste printed circuit boards: a review of current technologies and treatment stat

22、us in ChinaJ.Journal of Hazardous Materials, 2009,164(2/3):399-408.3陈多宏,李丽萍,毕新慧,等.典型电子垃圾拆解区大气中多溴联苯醚的污染J.环境科学,2008,29(8):2105-2110.4张凤霞等.贵金属回收综述J.技术创新，2010（10）：37-38.5 B. E. Langner, Recycling von Elektronikschrott. Metall, pp. 880-885, 2009.6 M. Melchiorre, Neuartiges Elektronikschrott-Ein Beitrag zur Galvanotechnik, Aufbereitung von Rohstoffgewinnung.,