開創新局的永續化學:城市礦山議題:電子廢棄物之貴金屬綠色化學回收製程 / 許景翔、馬小康

星期四 , 9, 三月 2017 Leave a comment

開創新局的永續化學:
城市礦山議題

電子廢棄物之貴金屬綠色化學回收製程

許景翔1, *馬小康2

1優勝奈米科技有限公司
2
臺灣大學機械工程系
*KennyHsu.uw@gmail.com

由於科技發展的日新月異,電子產品的汰舊換新速度越來越快,如平板、電腦、電視、及手機都是增長最快的廢物流,預計到2020年全球將有超過1200多萬噸的電子廢棄物,因此,妥善回收處理將有助於環境管理和促進循環經濟,提高資源利用效率。

n  城市礦產

臺灣缺乏天然礦產資源,而全世界的貴金屬礦產分佈主要還是在少數幾個國家(見圖一)[1],因此臺灣要繼續製造電子產品,得有效地從廢棄電子產品來提煉有價礦產資源。以智慧型手機為例,整支手機蘊含豐富金屬在其中(見圖二),因此「城市礦產」的回收概念就顯得相當重要。事實上,臺灣製造業的重大投資及生產與出口活動大多集中於電子零組件的半導體、印刷電路板、光電產業的平面顯示器及太陽能電池等產業。以印刷電路板為例,印刷電路板上的連接器、基板線路、電子元件焊接處、製成廢料及邊角下腳料等均富含金、銀、銅、錫等高價金屬。金屬材料是產業鏈的最前端,若能將廢棄電子產品中之金屬回收再利用,透過資源循環再生,使3C電子垃圾轉化為城市礦山,將可供應臺灣電子相關產業的物料需求。從環保署提供的資料顯示來看(見圖三),臺灣是有機會減少對外來資源的依賴及活絡去化管道,有利於降低生產成本,促使金屬資源有效使用,並提高臺灣相關產業的國際競爭力。

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圖一:世界資源產出分佈圖(見參考資料[1]

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圖二:智慧型手機使用到的金屬資源(見參考資料[1]

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圖三:各種電子電器產品的金屬含量

(圖片來源:行政院環保署基金管理委員會)

n  提煉貴金屬的方法

電子廢棄物的回收,已成為先進國家積極爭取戰略物資之路徑。傳統貴金屬回收業所使用強酸王水法和劇毒氰化物法,或是使用焚燒,這些方式不但耗能,也會產生嚴重水污染以及載奧辛、PM2.5懸浮微粒等空污問題。

目前歐洲、日本、美國等提煉貴金屬的方法如下:

比利時Umicore是世界上最大的貴金屬回收商之一,前身為聯盟礦業公司,總部設在布魯塞爾。Umicore的核心業務是回收各種貴金屬和其它有色金屬,以及某些非金屬如硒的精煉。回收和銷售的貴金屬如金、銀、鉑、鈀、銠,特種金屬如銦、硒、碲,以及鉛、銅、鎳等。Umicore的國際電子廢棄物(Waste Electrical and Electronic Equipment, WEEE)熔煉回收技術,用於從電子廢料如印刷電路板(printed circuit board, PCB)中回收有價金屬,應用頂吹旋轉爐可將PCB熔煉成富含貴金屬的粗銅,然後採用橢圓形爐或反射爐進一步精煉。

日本DOWA集團已整合出日本最大的冶煉和廢物回收業務,利用冶煉技術處理廢棄物。廢物處理包括電子設備,移動電話,丟棄消費電子及電器。子公司DOWA ECO-SYSTEM最初是在DOWA的開採和提煉作業中提取貴重金屬(如存在於礦石中非常小濃度的金與銀)。目前從事個人電腦電路板、移動電話、消費電子產品及家電等設備的有價金屬回收。DOWA集團從電子廢物利用冶金技術回收不同的金屬元素(見圖四)。圖五為ECO-SYSTEM KOSAKA金屬和蒸汽回收焚燒爐,可將貴金屬從被處理廢棄物中提煉出來。通常電子廢棄物焚燒精煉爐其投資規劃與金額需要超過1000億台幣以上才有可能達成整廠建構與營運費用。

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圖四:從電子廢物利用冶金技術回收不同的金屬元素

(圖片來源:DOWA Corp.

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圖五:金屬和蒸汽回收焚燒爐

(圖片來源:DOWA Corp.

美國緯創公司(Wistron Corporation))積極進行多角化經營,緯創於2010年設立100%投資子公司Wistron Green Tech,斥資6億元台幣,於美國德州北部McKinney市設立電子廢料回收與精煉廠,這也是緯創在回收事業的布局,美國緯創的技術不同於焚燒印刷電路板的方式,是採用臺灣優勝奈米科技的環保剝金與剝錫製程來提煉貴金屬,緯創的環保提煉貴金屬製程如金、銀、鈀等,已獲得美國Dell公司公開支持其回收計畫及處理方式,此專利技術也即將獲得法國Veolia與美國Apple公司的支持,將有機會改變全球電子廢棄物的處理模式。

以上由臺灣優勝奈米科技有限公司所開發之技術,並將擴大規模為模組化量產貨櫃型裝置。這些技術分別為(1)環保化學剝鍚技術;(2)環保電解剝金技術;及(3)環保化學剝金技術,其相關煉製貴金屬流程如下:

(1)   環保化學剝鍚技術

環保剝鍚技術是以鎳、銅、鋁抑制劑為主的SnST-550A剝錫劑,將印刷電路板置入於剝鍚溶液中,保持溶液溫度介於20-35oC並靜置約40分鐘(見圖六)。圖七為環保剝鍚技術用於PCB電子零件之比較,針對含金之電子零件,如IC,則再採用環保化學剝金技術來分離貴金屬。原剝鍚溶液則加入NaOHpH > 12,經過濾取出之氧化錫泥,置於通入20% H280% N2800oC高溫爐中,則可獲得之> 99.9%純錫。

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圖六:廢家電主機板經過環保剝鍚前後之比較,完全沒有腐蝕零件

(圖片來源:UWin Nanotech. Co., Ltd

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圖七:廢主機板經過環保剝鍚前後之比較

(圖片來源:UWin Nanotech. Co., Ltd

(2)   環保電解剝金技術

環保剝金技術是首先配製過硫酸鹽類為主的UW-700無氰電解剝金溶液,將可導電之含金下腳料置入於剝金溶液中,保持溶液溫度於40oC並通入電壓0.5-3 volts之低電流約30秒(由金含量厚度決定),環保電解剝金之流程如圖八所示。相關含金電子零件(如連接器),將因剝金劑之作用將金泥剝離於陰極導電板上,經收集陰極導電板上之金泥,經水清洗並烘乾後,置於1250oC高溫爐中燒結,則可非常容易就獲得黃金。環保電解剝金技術可迅速剝金,可重覆使用,無空氣污染及廢水排放之問題。

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圖八:電解剝金處理含金下腳料的流程

(圖片來源:UWin Nanotech. Co., Ltd

(3)   環保化學剝金技術

環保化學剝金技術是以檸檬酸鹽為主的UW-860剝金劑,將含金之印刷電路板置入於剝金溶液中,保持溶液溫度於30oC並靜置約10分鐘(由金含量厚度決定),環保化學剝金之前後比較,如圖九所示。剝金之後的含金溶液則加入硫化鉀、鋅粉置換或亞硫酸鈉來產生金泥,經過濾取出之金泥,再加入稀HNO3溶液去除CuNi等雜質,經水清洗後,至於1250oC高溫爐中,則可獲得99.99%純金,環保剝金後的黃金純化流程,如圖十所示。整個製程來看,很明顯無論毒害性、腐蝕性、空氣污染物排放、廢水排放等方面,貴金屬回收技術皆為安全有效的綠色製程。

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圖九:手機板按鍵經過環保化學剝金處理

(圖片來源:UWin Nanotech. Co., Ltd

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圖十:環保製程剝金後的黃金純化流程

(圖片來源:UWin Nanotech. Co., Ltd

健全資源回收再生市場之關鍵在於市場規模,電子廢棄物種類繁多,加上電子廢棄物資源再生後端市場及其去化管道之通路不完整,不易提升其資源再生之價值。本文提出之環保創新技術用於剝離及提煉貴金屬,不但可大幅度降低對空氣、水體和土壤的污染,亦可增加廢棄電子產品中之金屬回收再利用率,實踐電子廢棄物分類回收及形成永續循環型社會之目標。

n  結語

面對國際電子廢棄物(WEEE)的資源回收比例和電子產品無害化(ROHs)要求,提出非使用王水及氰化物之環保創新技術用於剝離或提煉貴金屬,目前臺灣已完成的環保產品,不僅可應用在電子廢棄物,亦成功用於石化觸媒和汽車觸媒轉化器的貴金屬剝除回收,因此可結合市場發展模式,快速推廣至世界各地,不但可大幅度降低對空氣、水和土壤的污染,亦可增加金屬回收再利用率。

n  參考文獻

1.        柴田明夫,一小時看懂全球資源布局,商周出版,2014

 

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