地球上的廢棄電子產(chǎn)品越來越多，電子垃圾-香港處理電子垃圾-成為一個災(zāi)難。
聯(lián)合國最新統(tǒng)計顯示，2019年全球產(chǎn)生的電子垃圾總量為5360萬噸，5年內(nèi)增加21%；預(yù)計2030年將達到7400萬噸，即16年翻一番。根據(jù)最新公布的《2020年全球電子廢棄物監(jiān)測報告》，全球電子廢棄物的回收和再利用率只有17.4%，其余大部分進了垃圾填埋場。全球電子廢棄物統(tǒng)計伙伴（GESP）估計，2050年全球電子垃圾總量將達到1.2億噸。 以前的電子垃圾只是一些電動玩具、手機和家用電器等，隨著電動汽車和芯片產(chǎn)業(yè)的普及和發(fā)展，以鋰電池和電路板為主的新的廢棄電器電子設(shè)備成為電子垃圾的主要增長點。
以鋰電池為例，基于對未來消費電子、新能源車及儲能需求的判斷，預(yù)計2021-2025年中國鋰電池裝機仍將維持快速增長，2025年鋰電池裝機量有望達到739GWh，其中消費電池100GWh，動力電池524GWh，儲能電池115GWh。 但大多鋰電池10-15年將香港報廢，如何回收利用，既是一個挑戰(zhàn)，也蘊含巨大商機。 電子廢棄物含有有毒的添加劑和汞等有害物質(zhì)，如果只是焚燒和填埋，會對環(huán)境和人體造成巨大危害。 鋰電池的回收還不是造成環(huán)境壓力的唯一原因。開采鋰電池所需的各種金屬需要大量資源。開采一噸鋰需要消耗50萬加侖的水。在一些國家，因為開采鋰礦，結(jié)果造成植被減少、氣溫升高，以及所在的國家保護區(qū)干旱日益嚴(yán)重等環(huán)保問題。 如果能有效回收香港報廢的千百萬塊鋰電池，將有助于中和生產(chǎn)及回收鋰電池所消耗的能源。電子廢棄物中往往含有黃金、白銀、鉑、銅等稀金屬和稀土等可回收的貴重材料。 圍繞廢棄電子產(chǎn)品的回收，現(xiàn)已有一些企業(yè)正在布局這個產(chǎn)業(yè)。而一些科研實驗室和高校的科研機構(gòu)，也正在改進更有效的回收方法，技術(shù)在不斷突破，最終能找到一個既標(biāo)準(zhǔn)化也很環(huán)保的回收技術(shù)，就能充分迎接鋰電池需求量大增時代的到來。 本期采訪到中南大學(xué)特聘副教授。他的主要研究領(lǐng)域就是二次資源（退港廢舊電路板、鋰電池、銅礦）的高附加值利用、高溫?zé)崃W(xué)相圖以及計算流體力學(xué)在工業(yè)中的數(shù)值模擬（CFD）應(yīng)用。 在你的一些學(xué)術(shù)論文中，發(fā)現(xiàn)很多是關(guān)于研究元素的反應(yīng)機理，這對廢棄電子設(shè)備回收研究有什么幫助？ 特聘副教授：通過對相關(guān)元素在冶煉過程中反應(yīng)機理、順序以及分配行為的研究，奠定了電子廢物回收的理論基礎(chǔ)。
同時，如果要改進高溫金屬回收的工藝，除了對機理有充分認(rèn)識之外，還需要對冶金設(shè)備不斷優(yōu)化。 比如，廢印刷電路板中含有大量的銅和貴金屬，可以與銅精礦一起在熔煉爐中進行加工。通過用研究相關(guān)廢電路板金屬元素在不同反應(yīng)中隨時間變化的行為，可獲得各類金屬在冶煉回收工藝中分配的動力學(xué)以及熱力學(xué)數(shù)據(jù)，以便合理的選擇分離或者富集方法來回收相關(guān)金屬。
例如，我在《可持續(xù)冶金》雜志（JournalofSustainableMetallurgy）的一篇論文中，通過研究銅冶煉過程中回收貴金屬（金、銀、鉑、鈀）的動力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)貴金屬會迅速遷移到金屬锍相中，而且不同氣氛下（空氣和氬氣）金屬在不同物相中的分配比不一樣，但其在锍相中的濃度都遵循鈀>鉑>金>銀的順序。 這些實驗結(jié)果可用于更新與銅冶煉二次原材料加工相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，也可用于CFD模型以更精確地模擬貴金屬在冶煉過程中的行為。 在礦物工程《MineralsEngineering》雜志的一篇論文中，評估廢印刷電路板的火法回收以及雜質(zhì)元素砷、銻、鉍的反應(yīng)機理。目前從廢印刷電路板中回收金屬的最先進方法是先溶解，然后通過電解或濕法冶金方法回收。 因此，研究表明較高的氧分壓有助于更有效地將雜質(zhì)元素從冰銅中去除到熔渣中，因為它們以氧化物形式存在于熔渣中。并且該研究可以防止后續(xù)電解中的雜質(zhì)影響到貴金屬回收。 在危險材料雜志《JournalofHazardousMaterials》雜志的一篇論文中，我根據(jù)各金屬的活度以及在不同條件下的賦存狀態(tài)，提出了一種硫化焙燒加水浸的新工藝，該工藝在實驗室中被證明可以有效的回收二次資源（廢舊銅渣）中的有價金屬（銅、鎳、鈷），并將其與鐵高效清潔分離基于研究的金屬元素機理和優(yōu)化的實驗結(jié)果，提出了一種新的冶煉廠址附近的回收工藝：一種組合式火法-濕法冶金工藝[4]。
火法冶金用于金屬回收有什么優(yōu)勢？你對此進行了哪些改進？ 特聘副教授：火法冶金原理是通過高溫從礦石中冶煉出金屬或其化合物的過程，而濕法冶金原理是以相應(yīng)溶劑，以化學(xué)反應(yīng)原理，提取和分離礦石中的金屬的過程。 火法冶金處理是電子廢棄物有效方式，以及傳統(tǒng)回收廢棄金屬的方法?；鸱ㄒ苯鸸に囋趶某跫壻Y源生產(chǎn)金屬方面發(fā)揮了重要作用。同時，火法冶金可以在原有工廠設(shè)備基礎(chǔ)上直接加以改進，將回收工藝大批量投入已有的生產(chǎn)設(shè)備，通過在原有大型冶煉設(shè)備的前端或尾端加入處理設(shè)備，能有助于冶煉廢棄物的處理。 由于火法冶金反應(yīng)溫度過高，一般在1000度左右，會消耗大量能源。針對傳統(tǒng)冶煉廠采用焦煤炭作為熱源，造成大量碳排放的情況，目前的冶煉廠也在改進，減少焦煤炭使用，轉(zhuǎn)向天然氣等相對清潔能源。同時，煉化金屬擁有自熱熔點，氧化時會產(chǎn)生熱而不需要過度消耗能源。 不過根據(jù)金屬特性不同，可以選擇不同的回收方式。也可以將兩種方式結(jié)合使用： 基于研究的金屬元素機理和優(yōu)化的實驗結(jié)果，提出了一種新的冶煉廠址附近的回收工藝：一種組合式火法-濕法冶金工藝，有著廣闊的工業(yè)運用場景。從有價金屬銅、鎳和鈷的回收可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。不僅從煙氣中回收了大部分余熱，銅渣余熱也可以收集，充分利用仍有潛在的經(jīng)濟價值。這種方式的收入可以來自廢熱收集和金屬回收。 計算流體力學(xué)（CFD）是一門交叉學(xué)科，目前在航空、航天、化工、冶金、建筑、環(huán)境等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。你用這個方法對于冶金流程研究有何幫助？ 特聘副教授：CFD（計算流體力學(xué)）技術(shù)的發(fā)展源于核武器、航空航天等一些高科技領(lǐng)域。隨著計算機以及相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是一些CFD商業(yè)軟件的出現(xiàn)，CFD技術(shù)已在冶金、環(huán)境工程學(xué)等重要科學(xué)中發(fā)揮出越來越大的作用。 利用CFD流體力學(xué)方法可以優(yōu)化冶金過程。CFD技術(shù)利用流體力學(xué)、傳熱學(xué)、冶金反應(yīng)工程學(xué)等多學(xué)科交叉模擬實際反應(yīng)過程中難以檢測和控制的環(huán)節(jié)，避免了傳統(tǒng)的基于半經(jīng)驗、半理論方法對攪拌釜內(nèi)多相流的預(yù)測缺陷，可節(jié)約成本、時間，以較小的代價達到優(yōu)化反應(yīng)設(shè)備、控制最佳反應(yīng)過程的目。 計算流體力學(xué)模擬可以運用于項目建設(shè)之前也可以針對項目建設(shè)之后。在項目建設(shè)之前，CFD模擬能夠?qū)υO(shè)備選擇，模擬調(diào)節(jié)設(shè)計尺寸，降低原型的實驗測試，加快研發(fā)周期。 項目建設(shè)之后，通過CFD模擬，通過模擬調(diào)整冶金各階段供應(yīng)條件，分管位置、熔體噴濺角度等參數(shù)，有助于以較少的費用和較短的時間，靈活地改進工程設(shè)計。并且能運用軟件獲得溫度、濃度參數(shù)，有效預(yù)測改進后數(shù)值。 尤其是對于投資大、周期長、難度高、高溫現(xiàn)場測度較難的冶金工藝過程，特別是危險的、超越正常條件的、待開發(fā)的、不可見的或難以測試的冶金新工藝和新產(chǎn)品開發(fā)的優(yōu)點更為突出。 目前在工業(yè)4.0中，各種技術(shù)的發(fā)展方向朝著可視化、透明化、可預(yù)測性、智能化、自主化的發(fā)展。其中，全過程數(shù)字化和可視化是工業(yè)4.0的基點。而CFD運用迎合了工業(yè)4.0的基調(diào)，為冶金流程提供全方位的模擬與預(yù)測。
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