摘要：现代电子设备包含几十种金属，它们被塞进了尽可能小的空间。这样的结构几乎不可能拆卸回收。高活性超临界水有助于将电子垃圾中的贵金属“挖掘”出来。由于工艺环境具有腐蚀性，反应器需要采用含钼镍合金。

       据估计，截至 2016 年 11 月，全球手机活跃用户约 73 亿，其中约 33 亿为智能手机用户。预计到 2022 年，这两个数字将分别增长到 89 亿和 68 亿。此外，这些估计的数字尚未包括散落在角落灰尘中未使用和未联网的手机。堆积如山的电子垃圾包含着有价值的小金块，它们是分布在世界各地的巨大 “矿床” 的一部分。为了追求更高效和更有趣的电子产品，旧设备不断被丢弃形成源源不断的电子垃圾，金、钯、银和铜都可以通过回收电子垃圾来 “开采”。回收废旧电子产品中的贵金属和特殊金属被称为“城市采矿”。这些金属不是沉积在岩石中，而是包含在硅器件构成的复杂电路中，并牢牢固定在聚合物基板上，因此它们的提取带来了一系列新问题。

今天的电子设备是明天的“城市矿山” ©iStockphoto/xuanhuongho

一种大陆规模的矿床，按数量计

       很难准确地知道全球产生了多少电子垃圾。欧盟报告称，2014年收集的来自信息技术、电信和消费品的电子垃圾约110万吨。这个数字可能低于实际产生的电子垃圾数量。所报告的重量包括这些类别中各种设备组件的所有部分，包括含有宝贵金属资源的电路板和电子设备。以iPhone为例，BBC估计，2016年，仅100万部智能手机就可以产生15吨铜、340千克银、34千克金和15千克钯。按重量计算，电子设备中电路板的金含量比通常的金矿多300倍，银含量比通常的银矿多6-7倍。这些数字不包括iPhone和其他电子设备中的其他元素如镍、锡、钴和钽。这些数字突显了 “城市采矿” 的潜力，可较为经济地保持贵金属和特种金属的供给。


当前的回收工艺

       回收人员利用火法冶金、湿法冶金和电解工艺从电子废物中提取金属。火法冶金（需要加热）是最常见的方法，因为它比其它方法能源效率更高。这是由于废物料如塑料的可燃部分，是能源的 “免费” 补充来源。与其它工艺相比，日本、欧洲和北美的现代化工厂，成本相对较低，更加环保。火法冶金工艺通常将贵金属和镍等元素提取到金属铜相中，然后进行电解精炼提取铜，并将剩余部分分离出来，用于后续生产纯金、银和其他贵金属。铜电解精炼效率很高，每提取一公斤铜只需要0.35千瓦时的电能。传统的湿法冶金技术（使用酸性水溶液进行化学萃取）也用于从电子废料中回收贵金属。

      上述常规技术效率高，对能源的需求为低至中等，对环境友好，但总有更好的办法。任何降低成本、降低环境风险的工艺都会引起人们极大的兴趣。然而，新技术在最终进入全面商业运营之前，都要经过长时间的小规模实验室实验和较大规模的试产。

       在这条艰难的发展道路上，一项新的创新工艺应运而生，使人们对更高效、更环保的技术寄予厚望。它使用一种常见的、看似不太可能的物质-- 水，作为工具来挖掘移动设备和其他电子元件中的宝藏。

电子线路板：三种主要材料

丰富强大的资源，全新的理念

       这项技术所用的水，不是我们常见的河水、湖水和自来水，而是超临界水，当水在 221 巴（22.1GPa，或大气压的约221 倍）以上的压力下加热到 374°C 以上时，水处于超临界状态。在这样的条件下，水的气态和液态没有区别，相当于一个包含许多不同水分子的不断沸腾的大锅。超临界水是一种强氧化剂和高腐蚀性反应物，它可以将含碳物质转化为气体，可溶解不溶于普通水的物质。由于临界水可以与那些需要借助危险化学品进行处理的材料发生反应，它目前用于处理有毒废物如存放的生物质和化学武器。

       一个法国研究团队所进行的Remetox项目很有意义，他们将超临界水处理的关注点从有毒废物转向电子废物。该项目使用超临界水破坏电子废物的聚合物材料，而无需破坏或熔化金属成分。团队成员来自法国地质调查局（BRGM）、奥尔良大学和法国国家科学研究中心（CNRS），他们与一家专门从事电子废物管理的公司Terra Nova Development合作。研究团队借鉴气化和水热氧化等有机废物处理工艺的知识，构想出将电子电路板放入超临界水中提取所含金属。他们设计了一个实验室规模的超临界水反应器，可以在500°C和250巴的压力下运行。接下来的问题是为设备选择最好的建造材料，一种能够承受超临界水腐蚀性环境的材料。

环境友好型电子废物处理反应器样机 ©CNRS

源自核技术的超级合金

       利用超临界水反应器进行生物质和有毒废物处理以及核能发电所获得的经验，可指导反应容器、阀门和金属密封件的材料选择。这些关键部件必须能够抗应力腐蚀开裂，并在高温下保持其强度。该团队选择了钼含量为3%的镍基超级合金 Inconel® Alloy 718 来满足这些要求。该合金具有优异的强度、韧性和抗应力腐蚀开裂性能，并且在燃料组件支承格架等安全性能十分关键的核反应堆部件中具有数十年的可靠运行历史。

       Remotox项目团队的实验室试验取得令人赞叹的成果。电子电路板在超临界水中浸泡数小时后，聚合物树脂被分解成残渣，而电路板上的金属部件和玻璃纤维增强材料保持完好无损。随后，其余的各种材料可以分类回收利用。

做法：将电路板浸入超临界水中，处理30分钟左右©CNRS

切合实际且极具希望的产业目标

       目前该项目所用试验桶的容积为0.3升和2升。10升的桶于2020年投入使用，处理小批量的电子废物。下一个阶段将采用半连续的封闭循环，在保持超临界的条件下，将电路板成批送入反应器。处理时间根据每批材料的数量，从30分钟到几个小时不等。反应产生的气体主要是甲烷，将被回收并用于反应过程，以降低能耗和工艺成本。研究团队构想的工业化处理能力将达到每年处理100万部手机的部件。

处理前的电路板 ©CNRS

树脂和玻璃纤维会碎裂成灰，而贵金属部件则保持完好并可以进行分类 ©CNRS

       100万部手机看似数量不小，但是相比全球智能手机的销售量而言，实际算不上什么，仅2016年智能手机的销量就接近15亿部。奥尔良大学的含钼合金反应装置可能是迈向电子废物处理新技术的第一步。