王 維， 吳玉鋒

(北京工業(yè)大學(xué) 循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究院， 北京 100124)

循環(huán)經(jīng)濟(jì)專業(yè)探索性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

王 維， 吳玉鋒

(北京工業(yè)大學(xué) 循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究院， 北京 100124)

針對(duì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)專業(yè)培養(yǎng)兼具工程背景以及多學(xué)科交叉知識(shí)的創(chuàng)新型人才的目標(biāo)，結(jié)合本專業(yè)學(xué)生的知識(shí)背景，以“電子廢棄物有價(jià)元素提取與分析實(shí)驗(yàn)”為例，介紹了循環(huán)經(jīng)濟(jì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的探索與實(shí)踐。實(shí)踐表明：作為涵蓋實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與表征的綜合型實(shí)驗(yàn)，可系統(tǒng)化拓展學(xué)生對(duì)當(dāng)前固體廢棄物處理過(guò)程的認(rèn)知，鍛煉學(xué)生綜合利用各種制備和檢測(cè)設(shè)備解決實(shí)際問(wèn)題的能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生形成創(chuàng)新科研思維。

循環(huán)經(jīng)濟(jì)； 專業(yè)實(shí)驗(yàn)； 電子廢棄物； 提取與分析； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 引 言

循環(huán)經(jīng)濟(jì)專業(yè)是為了滿足國(guó)家節(jié)能減排及低碳經(jīng)濟(jì)等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)對(duì)高素質(zhì)人才的迫切需求在2008年設(shè)立的新興交叉學(xué)科專業(yè)，涉及材料、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、管理等多個(gè)學(xué)科，致力于培養(yǎng)兼具工程背景以及經(jīng)管、人文等多學(xué)科交叉知識(shí)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新素質(zhì)的高水平人才[1-2]。“循環(huán)經(jīng)濟(jì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)”是在學(xué)生掌握了廢棄物資源化原理與技術(shù)的基礎(chǔ)上開設(shè)的[3-7]。

作為新興交叉學(xué)科專業(yè)實(shí)驗(yàn)，沒有傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)可沿襲，單一的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)又難以體現(xiàn)交叉學(xué)科的培養(yǎng)特點(diǎn)，也不利于面向工程的人才培養(yǎng)[8-12]。因此，本課題組以符合科研進(jìn)展、研究熱點(diǎn)、和社會(huì)需求的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為目標(biāo)，以廢舊資源回收+再利用+評(píng)價(jià)為主線，從2010年開始對(duì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行探索和實(shí)踐，逐步構(gòu)建了循環(huán)經(jīng)濟(jì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)。本文以“電子廢棄物有價(jià)元素提取與分析實(shí)驗(yàn)”為例，介紹了循環(huán)經(jīng)濟(jì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)的實(shí)施情況。

1 電子廢棄物有價(jià)元素提取與分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)以廢舊印刷線路板為原料，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)多個(gè)步驟，有效回收廢舊印刷線路板中的金屬銅。實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對(duì)銅的浸出率和銅粉的回收率進(jìn)行表征，采用X射線衍射儀和激光粒度分布儀對(duì)回收銅粉的物相和粒度分布進(jìn)行初步表征。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

了解和熟悉電子廢棄物的環(huán)境危害、潛在應(yīng)用背景和回收價(jià)值[13-15]；了解電子廢棄物中廢舊印刷線路板的組成和特性，破碎方法和設(shè)備的選擇以及廢舊印刷線路板中銅的回收提取原理和方法：包括氨水選擇性浸出銅離子；電沉積法回收溶液中的銅；再生銅粉性能的表征方式方法；熟悉和掌握剪切式破碎機(jī)、密閉式粉碎機(jī)、多頭磁力攪拌器、分析天平、便攜式環(huán)境元素分析儀、激光粒度分布儀、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀的工作原理和操作技能。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 電子廢棄物簡(jiǎn)介

以廢舊印刷線路板為例，講解電子廢棄物的組成特性、解離特性、環(huán)境危害、潛在回收價(jià)值以及國(guó)內(nèi)外常用回收處理方式方法。

3.2 廢舊印刷線路板組成成分測(cè)定

選擇3塊廢舊線路板，用無(wú)水乙醇將線路板基板表面擦拭干凈，借助便攜式環(huán)境元素分析儀進(jìn)行元素測(cè)定，每塊線路板隨機(jī)選擇11個(gè)位置進(jìn)行測(cè)定，取平均值。

3.3 機(jī)械物理分離實(shí)驗(yàn)

手工拆除廢線路板上的元器件，并將廢線路板基板拆解成5 cm×5 cm的小塊；根據(jù)廢舊印刷線路板的柔性特點(diǎn)，先稱取廢線路基板230 g(約1塊線路板的重量)，加入到剪切式破碎機(jī)中初步破碎。再將破碎后的固體分成7份放入密閉式粉碎機(jī)的7個(gè)破碎室中，破碎5min；而后將密閉式粉碎機(jī)破碎室中的物料用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分。

3.4 有價(jià)元素(銅)選擇性浸出實(shí)驗(yàn)

稱取10 g(≥20目)浸出廢料置于500 mL錐形瓶中，加入50 mL濃氨水、5 mL過(guò)氧化氫和40 mL硫酸銨溶液；用磁力攪拌器，在室溫下以60 r/min的攪拌速率反應(yīng)4 h；用真空抽濾機(jī)對(duì)反應(yīng)后的溶液進(jìn)行抽濾，濾渣收集，濾液放置于合適條件下貯存?zhèn)溆?；把取出的濾渣用濃硝酸溶解，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定溶液中銅的含量，用差減法反算出銅的浸出率。

3.5 電沉積法回收銅粉實(shí)驗(yàn)

取銅氨浸出液500 mL置于電解槽中，用移液管移取稀硫酸(加至溶液顏色變透明)，以石墨作為陽(yáng)極，不銹鋼作為陰極(有效面積均為65 mm×65 mm)，兩極間距8 mm，設(shè)置電流密度4 A/dm2，溫度40℃，電沉積3 h，每隔20 min刮一次粉，以去離子和乙醇分別洗滌陰極銅板上的刮取物4次，用真空過(guò)濾機(jī)抽濾后放入真空干燥箱內(nèi)，在20～25℃下干燥8 h，即得單質(zhì)超細(xì)銅粉。分別用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定電沉積前后銅氨浸出液中銅含量，用差減法反算出金屬銅的回收率[16-19]。

3.6 回收銅粉性能表征

采用X射線衍射儀對(duì)電沉積回收銅粉的物相結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)采用馬爾文激光粒度分布儀對(duì)其粒度分布進(jìn)行測(cè)試。

3.7 回收銅粉經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

根據(jù)3.3～3.5選定的廢舊印刷線路板中銅回收工藝，以1塊線路板(平均質(zhì)量230 g)為例，在扣除化學(xué)試劑成本和能源消耗成本的基礎(chǔ)上，估算回收金屬銅粉所得的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)作為回收銅粉的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的化學(xué)試劑和設(shè)備能耗的成本估算均按照當(dāng)前國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)價(jià)格計(jì)算，計(jì)算過(guò)程數(shù)值保留兩位小數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

4.1 廢舊印刷線路板成分分析

廢舊印刷線路板中主要元素含量包括Cu>10%，Ba>10%，Ti 26 975×10-6，F(xiàn)e 1 008×10-6，Cr 6 011×10-6，Zn 10 599×10-6，Rb 2 197×10-6，Pb 303×10-6，Ni 728×10-6，Sn 511×10-6，Ag 761×10-6，Sr 398×10-6，Se 298×10-6。需要指出的是，便攜式環(huán)境元素分析儀只作為快速定性分析手段，通過(guò)該項(xiàng)測(cè)試，可使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)對(duì)于廢舊線路板中所含金屬元素的種類和含量大致有所了解，以便選出含量較多的金屬元素直接回收，含量較少的貴重金屬元素富集后再進(jìn)行回收。

4.2 廢舊印刷線路板中銅的回收率

根據(jù)差減法計(jì)算出有價(jià)元素(銅)選擇性浸出率為94.5%，電沉積銅粉回收率97.0%。

4.3 回收銅粉性能表征

為驗(yàn)證電沉積粉末產(chǎn)物的純度，需對(duì)回收粉末樣品進(jìn)行X射線衍射分析，將粉末衍射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)卡片進(jìn)行比對(duì)，已確定樣品是否為純相。圖1為電沉積得到的粉末產(chǎn)物的XRD圖，將其與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片(4-836)對(duì)照，可確定所得產(chǎn)物的各衍射峰的峰位與純銅的標(biāo)準(zhǔn)圖譜相符合，無(wú)其他物相存在，因此確定產(chǎn)物為高純單質(zhì)銅粉。

對(duì)已確定為純相的粉末樣品進(jìn)行粒度分布表征，采用馬爾文激光粒度分布儀對(duì)回收粉末樣品進(jìn)行測(cè)定，如圖2所示。樣品90%的顆粒粒徑?128.921 μm，出現(xiàn)幾率最大的顆粒粒徑為52.481 μm，與中位數(shù)(D50)53.106 μm相差無(wú)幾, 殘差0.445%<1.0%，說(shuō)明所得粉末樣品粒度分布較為均勻。

4.4 回收銅粉經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

(1) 化學(xué)試劑成本，如表1所示。

表1 回收銅粉所耗化學(xué)試劑成本

(2) 設(shè)備能耗成本，如表2所示。

表2 回收銅粉設(shè)備能耗成本

其中電沉積銅粉的能耗數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需電流密度、電壓和電沉積時(shí)間估算，回收一塊線路板中的銅的能耗大約為0.57 kW·h。

(3) 回收銅粉經(jīng)濟(jì)效益?；厥找粔K重約230 g的廢舊印刷線路板，產(chǎn)出銅粉量59.8 g，按照當(dāng)前銅粉單價(jià)80元/kg計(jì)算，銅粉產(chǎn)值4.78元，回收銅粉直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)1.04元，按此方法推算若處理1噸廢棄電腦印刷線路板所回收銅的價(jià)值約為4 521.73元。若考慮大批量處理過(guò)程中氨水的反復(fù)使用和設(shè)備能耗的降低，其利潤(rùn)空間會(huì)繼續(xù)增大。通過(guò)該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)估算回收銅粉的經(jīng)濟(jì)效益，可使學(xué)生了解電子廢棄物的回收處理除了具有社會(huì)效益和環(huán)境效益外，還具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。希望通過(guò)課程的開設(shè)使學(xué)生認(rèn)識(shí)到電子廢棄物只是放錯(cuò)位置的潛在資源，通過(guò)教育一個(gè)學(xué)生，影響一個(gè)班級(jí)，營(yíng)造人人參與資源回收的良好氛圍。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與表征是有關(guān)電子廢棄物回收處理的本科綜合型實(shí)驗(yàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程包括以廢棄印刷線路板為典型的電子廢棄物的組成特性、解離特性、環(huán)境危害、潛在回收價(jià)值以及國(guó)內(nèi)外常用回收處理方式方法，廢棄印刷線路板的成分分析、機(jī)械物理分離、有價(jià)元素(銅)選擇性浸出、電沉積法回收銅粉、回收銅粉性能表征及經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估，是一個(gè)系統(tǒng)拓展學(xué)生對(duì)當(dāng)前固體廢棄物處理過(guò)程認(rèn)知的自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。

(2) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可在老師指導(dǎo)下，自行操作便攜式元素分析儀、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、脈沖電源、剪切式破碎機(jī)、密閉式粉碎機(jī)、多頭磁力攪拌器、分析天平等多種設(shè)備，可以鍛煉學(xué)生綜合利用各種制備和檢測(cè)設(shè)備解決實(shí)際問(wèn)題的能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生形成創(chuàng)新科研思維。

(3) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于各種廢舊印刷線路板狀態(tài)各異、化學(xué)成分有差異，各組學(xué)生針對(duì)每批次線路板中銅含量的差異，自行設(shè)計(jì)各元素測(cè)試方案，對(duì)于因元素含量差異或者稀釋倍數(shù)差異造成的異?，F(xiàn)象，有效激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)思考的能力，鍛煉學(xué)生研究過(guò)程中的耐心。

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Design of Exploratory Experiment for Circular Economy Discipline

WANGWei,WUYufeng

(Institute of Circular Economy, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

To train innovative talents with engineering backgrounds and multidisciplinary knowledge, combining the background knowledge of profession construction, the experiment of extracting and analyzing valuable elements from waste print circuit boards is taken as an example to introduce the exploration and practice of experiment teaching for circular economy in authors' college. The teaching effect shows that the comprehensive experiments including experimental design and characterization effectively help the students to learn the current disposal of solid wastes, cultivate the ability of solving the practical problem by various preparations and testing equipment, and improve innovative capability.

circular economy; professional experiments; electronic waste; extracting and analyzing； experimental teaching

2016-04-28

磷酸鐵鋰電池及其正極邊角料和正極材料回收利用技術(shù)政策研究(40104001201603)；16內(nèi)涵發(fā)展定額-青年導(dǎo)師國(guó)際化能力水平提升(033000514116503)

王 維(1984-)，女，河北承德人，實(shí)驗(yàn)師，現(xiàn)主要從事典型城市固體廢棄物回收處理研究。

Tel.：13488706892； E-mail：wangwei198465@126.com

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A

1006-7167(2017)04-0161-03