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超級聚合物問世:從廢舊電子產品中“吸金”
來源: | 作者:pmo39891d | 發布時間: 2020-09-22 | 618 次瀏覽 | 分享到:

你手里的手機,面前的電腦,當它們最終完成自己使命的時候,將去向何方?它們中的絕大多數,并不會進入博物館供人瞻仰,或成為傳家寶貝,而是在被你賣掉或者丟掉之后,變成電子垃圾。目前,全球每年共產生超5000萬噸電子垃圾,其中只有不到兩成得到了妥善的處理。但少為人所知的是,電子垃圾中貴金屬的含量非常高,黃金含量更是可達優質天然金礦的上百倍!但如何回收這些垃圾,卻是一件非常令人頭疼的事情,動輒可對環境和工人的健康造成嚴重的損害。

日前,來自韓國科學技術院(KAIST)的一項研究發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上,該文描述了一種新型的聚合物COP180,它每克的制作成本約5美元,一克COP-180每次可以從印刷電路板(PCB)滲濾液中高選擇性地回收價值約64美元的黃金,純度為99.6%,還可以重復使用。研究人員表示,這個“淘金”的回收效率創下了歷史新高。

沉睡的金礦與滯后的技術

智能時代,電子設備已成為我們生活不可或缺的一部分。聯合國最新發布的《2020年全球電子廢物監測》報告顯示,2019年,全球共產生了驚人的5360萬噸電子垃圾,平均每人7.3千克,5年內增長了21%,

印制電路板就是電子垃圾中最常見的器件,每年約產生5000萬噸,年增長率為8.8%,其中部分的“高值板”比礦山中的礦石含有更豐富的貴金屬。

報告指出,2019年全球電子廢棄物中的原材料價值約為570億美元,其中鐵、銅、鋁和黃金對這一價值的貢獻最大,按17.4%的官方統計的回收率算,全球電子垃圾每年可回收價值約100億美元、超過400萬噸的各類原材料,同時可減少原材料開采生產造成的1500萬噸二氧化碳排放量,加強回收利用率是開礦冶金的很好補足。

而據業內人士稱,一噸舊手機(大約6000部)中含有價值1.5萬美元的金屬,約包含3.5千克銀、340克金、130克鈀、130千克銅,而在自然金礦開采中,每噸金精礦含金量不小于100克即為一級品,這每年5000多萬噸的電子垃圾總量中,名副其實地暗藏著一個“大金礦”。

雖然電子垃圾中有黃金,但回收率低卻也是不爭的事實,5360萬噸電子垃圾中只有17.4%被正規體系記錄為進行了妥善收集和回收,82.6%(約4430萬噸)的電子廢物去向不明。這其中,既有消費者的回收意愿問題,更有電子垃圾回收污染嚴重、相關技術的發展不夠成熟、成本高昂的現狀。


電子廢物中通常含有多種有害物質,包括汞、鎘、鉛、鉻等重金屬,以及溴化阻燃劑、氟氯烴、氫氯氟烴、多環芳烴等化學品。在大多數發展中國家,開發電子垃圾這座金礦的方式更多的是“后院回收”模式:相當數量的非正式自營職業者在自家的后院、屋頂,從事電子廢物的收集和回收,處理條件和結果往往很差。

一些自營職業者通常把廢棄物進行修理、翻新或拆解,分解為可用可銷售的細分部件和材料,私營回收商燃燒、過濾和熔化電子垃圾,將其轉化為二次原料,很少考慮對環境和人體健康造成的損害。

發展中國家電子垃圾污染的案例非常普遍,這些地方處理電子垃圾最常見的方式,就是利用王水進行溶解或著將電子垃圾直接焚燒。在這種操作工程中,工作人員很容易吸入、或者由皮膚滲入大量有害氣體、液體,而排放出的廢液、廢水也會進一步污染環境。

由于常年用不規范的方法在電子垃圾中淘金,電子垃圾處理地區80%的兒童血液中鉛含量超標,其中70%處于鉛中毒的程度。而據研究報告估算,每年在全球無證監管的電子廢物流動中,約有50噸汞和7.1萬噸溴化氫塑料大量排放到自然環境中,造成嚴重的環境和健康威脅。為了電子垃圾這座金礦,無數的地方曾經付出過、或者正在付出著慘痛的環境與健康代價。

而在發部分達國家,盡管相關立法相對到位,產業發展也相對完善,但對于黃金回收來說,由于缺乏高選擇性、高產量、不含劇毒氰化物的回收過程,還是有80%的電子垃圾最后只能填埋了事。因此,發展高效、低成本、高選擇性的電子垃圾貴金屬回收方式,既有著重要的經濟意義,更有著重大的環境和健康意義。

神奇的聚合物

現有的正規電子垃圾處理技術,在原理上與小作坊的焚燒和用王水溶解大同小異,這便是所謂的“火法冶金”和“濕法冶金”。只不過,這些過程是在先進的設備和嚴格的管理下進行的。而這往往意味著成本的上升。

例如,火法冶金需要先進的焚燒爐,還需要嚴格的污染排放控制。而濕法冶金則是利用化學物質溶解電子垃圾,再從溶液中分離貴金屬。濕法冶金的工藝更加精確、更容易控制、也更有預測性的,自上世紀80年代中期開始便逐漸取代火法冶金。但對于黃金回收來說,濕法冶金仍有一個致命的弊端:依賴于劇毒的氰化物。

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除了上述兩種方法,還有一種叫做生物冶金的新型回收技術,但還處于研究的早期階段。

因此,找到在濕法冶金的過程中可以有選擇性地高效回收黃金的非氰化物,一直是研究的重點。而之前找到的大多數吸附劑,基本都只能在只含有金元素、或者只含有少量其它金屬元素的溶液中回收金元素,根本無法投入實際應用。

在最近的實驗中,韓國科學技術院的科研人員報告了一種高度多孔且性質穩定的卟啉(porphyrin)聚合物COP-180,表現出了前所未有的優良性能。

在之前的研究中,研究人員就發現卟啉對于貴金屬有很好的親和性和選擇性。因此,理論上,如果制成永久性的多孔網狀聚合物,卟啉應該可以用來吸附金原子。通過將卟啉與吩嗪結合,他們賦予了卟啉以魯棒性和抗氧化性。由此形成的共價有機聚合物——COP180,理論上每一個分子都可以吸附1個貴金屬原子。換句話說,如果實驗的結果符合理論預期的話,每克COP180應該可以從濕法冶金的電路板浸出液中吸附0.173克的黃金。

實驗的結果令研究人員大喜過望。他們將COP-180加入到了廢舊電路板的酸/堿浸出液中,攪拌兩天后,他們發現,每克COP-180從63種競爭金屬的混合液中捕獲了高達1.62克的黃金,這個數字是理論預期(0.173克)的近10倍!

而與之相反的是,COP-180對鉑金的吸收率則只有0.197克/克,只比理論預期高了15%,而其它的絕大多數元素的吸收率更是連3%都不到。這意味著,盡管有著其它62種競爭金屬元素的干擾,但COP-180還是十分“專情”地從中挑選出來了黃金這一種元素。

這種神奇的性能吸引了科學家們的注意。經過進一步的實驗和理論研究,他們認為,由于卟啉具有還原性,很可能導致金原子出現了還原性的固定:從單個的金離子,變成了金離子簇。在掃描透射電子顯微鏡(STEM)的鏡頭下,他們發現,COP-180讓金原子團在了一起,而鉑則依然四處散開。

如此一來,金原子便可能以許多個原子組成的原子簇、而不是單個原子的形式被COP-180集中吸附了,實現了極高的吸附效率。

在這樣的吸附效率下,提取出來的黃金純度高達99.6%以上。這意味著,無需經過進一步的提純,就直接超過了足金(99%)、逼近千足金(99.9%)的純度。

而且,經過三次重復實驗(吸附-再生)之后,COP-180的吸附效率只降低了不到7%。每克COP-180的成本約為5美元,一次可以回收的黃金價值就高達64美元。單次使用就已經很賺了,再加上可重復利用的性質,研究人員稱,制備過程并不復雜的COP-180表現出了極佳的經濟性能。

如果成功走向商業化,這種聚合物,或者將來出現的其它與之性能類似的吸附劑,將可以把海量的廢舊電子垃圾變成環保、無毒、可持續、超高品位的貴金屬礦藏,為全球電子回收行業帶來一場利潤、環保和健康的全新變革。 


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