电子废弃物中贵金属资源化工艺优化.pdf

2023年7月下 世界有色金属1电子废弃物中贵金属资源化工艺优化陈春燕，朱山*，卢杨潇，吴林伟，龙淼（六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州 六盘水 5 5 3 0 0 0）摘 要：面对很高的氧化电极电势，电子废弃物中贵金属的提取，一直都是一个困惑人们的难题，无论是氰化法还是王水法，即使可以实现对金的氧化溶解，但都存在一定的弊端。针对于此，我们提出以Na C l、C2H4O2、HNO3、V C等试剂进行电子废弃物中金的提取工艺优化，是一种配位基团，可与 A u 配位，可降低其电极电势，而后以冰醋酸（C2H4O2）为质子，以硝酸进行氧化，可溶解金，并用V C还原金，通过考察浸出温度、浸出时间、Na C l 用量、V C用量、焙烧时间对金回收率的影响。实验结果表明，电子废弃物中金最佳提取条件为硝酸3 0 0 mL(浓度2 5%）、氯化钠3 5 g、V C 2 5 g、浸出温度8 0、浸出时间4 8 0 mi n、焙烧温度1 0 5 0、焙烧1 5 mi n，最佳提取率可达到9 8.1 4%。通过更安全、更环保的方式实现电子废弃物中有价金属的资源化应用，为电子废弃物中贵金属的资源化应用提供了新的发展方向并奠定了一定的理论基础。关键词：电子废弃物；贵金属；工艺优化；资源化中图分类号：T F 8 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 4-0 0 0 1-6Optimization of Recycling Process of Precious Metals in Electronic Waste CHENChun-yan,ZHUShan*,LUYang-xiao,WULin-wei,LONGMiao(S c h o o l o f C h e mi s t r y a n d Ma t e r i a l s E n g i n e e r i n g,L i u p a n s h u i No r ma l Un i v e r s i t y,L i u p a n s h u i 5 5 3 0 0 0,C h i n a)Abstract:I n t h e f a c e o f h i g h o x i d a t i o n e l e c t r o d e p o t e n t i a l,t h e e x t r a c t i o n o f p r e c i o u s me t a l s f r o m e l e c t r o n i c w a s t e h a s a l w a y s b e e n a p u z z l i n g p r o b l e m,w h e t h e r c y a n i d e me t h o d o r Wa n g S h u i me t h o d,e v e n i f t h e o x i d a t i o n a n d d i s s o l u t i o n o f g o l d c a n b e r e a l i z e d,t h e r e a r e s o me d r a w b a c k s.I n v i e w o f t h i s,w e p r o p o s e t o o p t i mi z e t h e e x t r a c t i o n p r o c e s s o f g o l d f r o m e l e c t r o n i c w a s t e w i t h Na C l,C2H4O2,HNO3,V C a n d o t h e r r e a g e n t s.C l-c a n f o r m c o mp l e x e s w i t h A u a s l i g a n d s,w h i c h c a n e f f e c t i v e l y r e d u c e i t s e l e c t r o d e p o t e n t i a l,a n d t h e n a d d a c e t i c a c i d (C2H4O2)t o p r o v i d e p r o t o n s.Un d e r t h e o x i d a t i o n o f HNO3,A u c a n b e d i s s o l v e d a n d g o l d c a n b e r e d u c e d b y V C.T h e i n f l u e n c e o f l e a c h i n g t e mp e r a t u r e,l e a c h i n g t i me,Na C l c o n t e n t,V C c o n t e n t a n d c a l c i n i n g t i me o n g o l d r e c o v e r y w a s s t u d i e d.I t w a s f o u n d t h a t t h e b e s t c o n d i t i o n s f o r e x t r a c t i n g g o l d f r o m e l e c t r o n i c w a s t e w e r e 3 0 0 mL n i t r i c a c i d (c o n c e n t r a t i o n 2 5%),s o d i u m c h l o r i d e 3 5 g,V C 2 5 g,l e a c h i n g t e mp e r a t u r e 8 0,l e a c h i n g t i me 4 8 0 mi n,c a l c i n a t i o n t e mp e r a t u r e 1 0 5 0 a n d c a l c i n a t i o n 1 5 mi n.T h e o p t i mu m e x t r a c t i o n r a t e w a s 9 8.1 4%.T h e r e s o u r c e u t i l i z a t i o n o f v a l u a b l e me t a l s i n e l e c t r o n i c w a s t e i s r e a l i z e d i n a s a f e r a n d mo r e e n v i r o n me n t a l l y f r i e n d l y w a y,w h i c h p r o v i d e s a n e w d e v e l o p me n t d i r e c t i o n a n d l a y s a c e r t a i n t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n f o r t h e r e s o u r c e a p p l i c a t i o n o f p r e c i o u s me t a l s i n e l e c t r o n i c w a s t e.Keywords:E l e c t r o n i c w a s t e;P r e c i o u s me t a l s;P r o c e s s o p t i mi z a t i o n;Re s o u r c e s收稿日期：2 0 2 3-0 5基金项目：贵州省大学生创新训练计划项目（2 0 2 1 1 0 9 7 7 0 2 3）；基于溶剂萃取的P I M 膜应用于冶金“固废”资源化的基础研究（黔教合K Y 字 2 0 2 0 0 4 9）；六盘水师范学院高层次人才科研启动基金(L P S S Y K Y J J 2 0 1 8 0 9)；贵州省六盘水师范学院院士工作站（黔科合平台人才 2 0 1 9 5 6 0 4 号）；六盘水复杂矿产资源高效清洁利用重点实验室（5 2 0 2 0-2 0 1 9-0 5-0 6）；贵州省煤炭洁净利用重点实验室（黔科合平台人才 2 0 2 0 2 0 0 1）。作者简介：陈春燕，生于2 0 0 0 年，女，贵州遵义人，本科生，主要研究方向冶金固废资源化。通信作者简介：朱山，男，生于1 9 8 9 年，重庆奉节人，博士，副教授，冶金固废资源化应用研究。电 子 废 弃 物 是 指 废 弃 的 电 子 与 电 器 设 备(Waste electrical and electronic equipment，简称WEEE)。当前，随着电子技术的飞速发展，电子产品更新加速，过时的计算机、电视机、移动电话和其他电子产品的数量越来越多1，每年仅是美国淘汰的电脑就超过1000万台，早在2005年就有1.5亿台废弃电脑及工作站需要处理，西欧的电子消费在1992年就已经达到了700万吨，其中产生了400万吨报废的电子废弃物2。此后，这种消费以每年3%的速度不断增长，全球每年大约有70%的电子产品会变成垃圾流向中国，如今中国已经成了世界上最大的电子“垃圾场”，因为电子垃圾中含有金、铂、钯、银等多种贵重金属3，特别是其中的金含量，更是高到了极点，约为280gt-1，其含有比普通金矿更高的品位，便出现大批人开始盲目地从电子废弃物中提取贵金属，但这些实验会产生二次污染并存在一定的安全隐患。目前，国内外对于电子废弃物中贵金属资源的处理方式主要有：火法冶炼、王水法、氰化物处理等。火法冶炼4的设备和环保投资较大，国内只有大型冶炼企业或环保企业会采用火法冶炼，除此以外，火法冶炼虽然可以处理所有形式的电子废弃物，但在焚烧过程中会产生大量二噁英等有毒废气和废渣。英国JohnsonMatthey Electronics公司的Embleton（Embleton）5是第一个利用湿法冶金从电子垃圾中提炼出贵重金属的人。自70年代后期起，他就对PCB中贵重金属的回收进行了研究，并对其进行了初步的处理。80年代后，人们开始重视环保问题，大批学者开始了电子废弃物中贵金属资源的研究。例如：一种由英国利物普大学的苏姆伊莱恩YL在其文章中提及的萃取-电解萃取方法6；前西德中心固体物理所的Gloe,K.于九十年代初期提出了一种硝酸-盐酸-氯气混合法，引起了人们的广泛关注7，后来，俄国、日本、澳大利亚等其他国家也开始了这种方法的研究。电子废弃物中的Au含量较高，Au的质量浓度高达280gt-1，高于一般金矿石的品位。但由于贵金属Au的世界有色金属2023年7月下2化学稳定性很强，在一般条件下无法被氧化和溶解。所以，在试验过程中，经常会使用一些毒性较大的试剂如：氰化物、王水等，来实现溶解、回收、萃取等过程。不过，氰化物的毒性很大，0.1g0.3g的摄取量就会使人丧命，生产过程中如果与酸作用，会产生HCN，其在空气中的质量浓度为20gmL-1时，人体吸入HCN经过数小时后就会发生中毒致死，在安全上的弱点是显而易见的。王水法9虽然能有效溶解Au，但是王水具有强腐蚀性，它对设备的要求极高，王水几乎能溶解废弃物中所有的金属，这便会导致后期工序复杂、回收率低等问题，此外，该法也存在一定的安全隐患。综上所述，无论是用火法冶炼，还是采用氰化物或王水法来提取Au，都没有实现电子废弃物中Au的有效回收。而全球每年大约有70%的电子产品会变成垃圾流向中国，如今中国已经成了世界上最大的电子“垃圾场”10-12。所以，为了早日实现电子废弃物中Au的有效提取回收，避免二次污染与危险的发生，我们提出使用NaCl、C2H4O2、HNO3、VC等进行电子废弃物中金的提取实验。使用NaCl可以代替HCl实现配体的作用，Cl-作为配体可以和Au形成配合物，可以有效降低它的电极电势，然后加C2H4O2提供质子，在HNO3的氧化作用下，可以使得Au发生溶解。NaCl和C2H4O2在日常生活中都是非常普遍的，它们不仅可以增加实验的安全性，还可以减少腐蚀13。分滴加硝酸，直至原料金恰好彻底溶解，这是一种高效溶解金的方法，同时，也可以防止太多的HNO3在溶液中对还原过程产生影响。最后用VC将金还原，通过更安全、更环保的方式实现电子废弃物中有价金属的资源化应用，为电子废弃物中贵金属的资源化应用提供了新的发展方向并奠定了一定的理论基础。对于理工科类的学生而言，该实验可进一步实现对资源的再生，避免二次污染与危险，秉持了绿色化学的观念。同时，使用大家所熟知的环保试剂来实现对废弃电子物中金的提取，对国民经济的可持续发展具有重要意义。1 实验部分1.1 实验原料与试剂材料：废旧手机线路板(PCB)图1试验原料表1废旧手机线路板(PCB)的化学成分14成分AuPtAgSnPbAlCo含量（%）0.5430.0581.5136.1900.8010.3820.110成分CuFeNiMgMnZnCr含量（%）8.3103.2413.9510.1940.1550.5930.131由表1可以看出：废旧手机线路板(PCB)中含有少量的贵金属金、银、钯等。试剂：氯化钠、醋酸、抗坏血酸（VC）、硝酸、焦亚硫酸钠、氯化亚锡等。1.2 实验设备本实验主要选用布氏漏斗、烧杯、马弗炉、去离子水等设备以及Origin软件进行结果绘图分析。1.3 实验方法1.3.1 实验内容第一步：试验预处理对含Au的废弃手机电路板（CPB）展开了试验的预处理：在对元器件进行了筛选之后，将待处理的废弃电路板放入硝酸溶液（硝酸体积为：100mL、150mL、200mL、250mL、300mL，浓度为15%、20%、25%、30%、35%）中，一边加热一边搅拌，使电路板镀层内部的金属与硝酸发生反应，镀层的黄金就会松散脱落，在脱落完成之后，对其进行过滤，将滤渣重复地用去离子水清洗，并烘干备用，废水经环保处理。第二步：溶解、浸出将150mL的去离子水倒入500mL的烧杯，再加入氯化钠（20g、25g、30g、35g、40g）、醋酸20mL，将经过预处理的原料金装入，加热（60、70、80、90、100）、让其冷却2分钟，再用滴管一滴一滴地加入硝酸溶液（硝酸与去离子水混合比例为1:1)，一边滴加一边搅拌。溶液渐渐地呈现出黄色，颜色也从淡到深，持续地加入硝酸，直到所有的金都被溶解。将溶金液放凉到室温，用布氏漏斗将其过滤后，注入烧杯，呈桔黄色的滤液。第三步：加热赶硝添加12颗沸石，将该溶液烧开后，用小火保持20分钟，以驱除硝酸盐；含金溶液蒸发浓缩，添加去离子水使其回复到原来的体积；第四步：热还原在90下，添加抗坏血酸（VC）固体(10g、15g、20g、25g、30g)，直到橘色完全消失，然后添加5mL的饱和VC溶液使还原完全。烧杯中有混浊现象，放置1小时后，于烧杯底部有棕色的粉末沉淀下来，这就是粗金粉；将还原液放置、沉淀，并在上清中加入10mL酸性SnCl2溶液（20%的浓度），以检查还原是否充分。不呈紫红色，表示完全还原；第五步：过滤、除杂用布氏漏斗滤过完全还原后的溶液，再用DI水洗4次，2023年7月下 世界有色金属3滤出残渣，除去卤离子。将粗金粉末从滤纸上取出，置于50mL的烧杯内，再加20mL的稀硝酸，加热并搅拌至沸腾。经硝酸处理后，粗金粉末中残留的其它金属元素能被溶解除去。经过滤后，就可得金粉。第六步：高温熔炼在坩埚中，以1:1的质量比添加硼砂，起到助熔剂的作用，与硼砂珠子反应，可以除去其中的微量杂质。在Moffer炉子上依次烘烤（焙烧温度：950，1000，1050，1100，1150），保持10分钟，熔化。待冷却后，取出，用稀硝酸对被硼砂包裹的金颗粒进行处理，除去表面的硼砂，即可获得漂亮的单质金。1.3.2 研究技术路线本论文所采用的技术方案见图2。2 实验结果与讨论2.1 浸出温度对金浸出率的影响恒定硝酸浓度为25%（体积分数）、硝酸体积为300mL、氯化钠（NaCl）35g、480min的浸取时间下，考察浸出温度（60、70、80、90、100）对金浸出率的影响，实验结果如图3所示。图3浸出温度对金浸出率的影响由图3可以看出，温度越高，浸出率越大，80左右为最佳浸出温度，由温度对浸出速度影响的动力学方程式18：K=Ke-Wk/RT可知：随着浸出温度的升高，反应速率会加快，金的电离程度会增大，浸出速率也会随之增大，在同样的浸出时间里，金的浸出率也会随之增大，因此，金的回收率也会随之增加。但是，当温度超过80时，随着浸出温度的持续升高，金的浸出率变化不大。这可能是因为浸出温度过高，加速了硝酸的分解18-19，因此，合适的浸出温度可以促进金的浸出和回收。综上所述，80为Au浸出的最佳温度。2.2 浸出时间对金浸出率的影响恒定硝酸浓度为25%（体积分数）、硝酸体积为300mL、氯化钠（NaCl）35g、浸出温度为80的条件下，考察浸出时 间（360min、420min、480min、540min、600min）对金浸出率的影响，实验结果如图4所示。图4浸出时间对金浸出率的影响由图4可以看出，随着浸取时间的延长，金的浸取率逐渐提高，最佳浸取时间为480min，当浸出时间少于480min加热沸腾，溶解原料金加热沸腾，溶解原料金冷却至室温，布氏漏斗冷却至室温，布氏漏斗加热赶硝，补加去离加热赶硝，补加去离过滤除杂，得到金粉过滤除杂，得到金粉检验还原是否完全检验还原是否完全加VC固体溶液，得粗金加VC固体溶液，得粗金熔炼、冷却得到单质熔炼、冷却得到单质图2实验流程图世界有色金属2023年7月下4时，金浸出率较低，这是由于金在短时间内无法充分溶解出来所导致的。随着浸出时间的延长，金的溶解速率逐渐增加，浸出速度也在不断地加快，在相同的浸出温度内金的浸出率也在不断地提高，从而提高金的回收率。但是，480min后继续浸出，可以明显观察到浸出率变化较小，所以，综合时间、成本等多因素考虑，认为480min为金的最佳浸出时间。2.3 硝酸体积对金浸出率的影响恒定硝酸浓度为 25%（体积分数）、氯化钠（NaCl）35g、浸出温度为80、浸出时间为480min的条件下，考察硝酸体积（100mL、150mL、200mL、250mL、300mL）对金浸出率的影响，实验结果如图5所示。图5硝酸体积对金浸出率的影响由图5可以看出，随着硝酸体积的增大，金的浸得率也随之增大，金浸出的最佳硝酸体积为300mL，这时，金的浸得率可以达到99%以上。在金的溶解、浸出过程中，硝酸作为使用最多的一种溶解剂，其体积是影响测定结果的关键性因素，一般来说，硝酸体积的增加可以提高金的溶解率，从而增加金的回收率。但是，在金的溶解过程中，需要合理控制硝酸体积，选择合适的硝酸体积才能得到准确可靠的分析结果。若硝酸体积太少，则需要消耗较长时间来进行充分溶解。因此，综合成本、时间等多方面因素考虑，认为Au浸出的最佳硝酸体积为300mL。2.4 硝酸浓度（体积分数）对金浸出率的影响恒定硝酸体积为300mL、氯化钠（NaCl）35g、浸出温度为80、浸出时间为480min的条件下，考察硝酸浓度（15%、20%、25%、30%、35%）（体积分数）对金浸出率的影响，实验结果如图6所示。由图6可以看出，当硝酸浓度（体积分数）低于25%时，金的浸出率随着硝酸浓度（体积分数）的增加而增大。但是，当硝酸浓度（体积分数）超过25%时，随着硝酸浓度（体积分数）的升高，金浸出率反而降低。因此，金浸出的最佳硝酸浓度（体积分数）为25%，此时金浸出率可达到98%以上。图6硝酸浓度（体积分数）对金浸出率的影响当硝酸浓度（体积分数）超过25%以后，金浸出率随着硝酸浓度（体积分数）的升高不再增加反而开始下降，这主要是由于硝酸浓度过高，电子废弃物中Cu与其进行快速反应，从而使得浓硝酸变成了稀硝酸，Cu与浓硝酸的反应：加热Cu+4HNO3(浓)=Cu(NO3)2+2NO2+2H2O。而在低浓度的硝酸溶液中，金的溶解速度较慢从而使金的浸出率降低。所以，浓度过高或过低都会对金的回收产生不利影响。综上所述，硝酸浓度为25%（体积分数）为Au浸出的最佳浓度。2.5 NaCl使用量对金浸出率的影响图7NaCl使用量对金浸出率的影响2023年7月下 世界有色金属5恒定硝酸浓度为25%（体积分数）、硝酸体积为300mL、浸出温度为80、浸出时间为480min的条件下，考察NaCl使用量（20g、25g、30g、35g、40g）对金浸出率的影响，实验结果如图7所示。如图7所示，提高氯化钠用量可提高金矿的浸出率，NaCl最佳使用量约在35g，此时金浸出率可达到90%以上。继续增加NaCl使用量，金回收率变化不大，这在很大程度上是由于盐而不是盐酸来完成配基的功能，以Cl-为配体能够与金形成络合AuCl4-，可以有效降低它的电极电势，但是过量的NaCl会在反应中造成过量的氯化金生成，这会使得金的溶解度增加，形成金盐20-23，从而影响金的析出和回收。因此，在金浸出过程中，需要对NaCl用量进行严格控制，根据具体情况进行调整，以达到最佳的金回收率。因此，认为加入35gNaCl为最佳。2.6 抗坏血酸（VC）用量对金还原的影响考察抗坏血酸（VC）使用量（10g、15g、20g、25g、30g）对金还原的影响，从而进一步对提取金的工艺进行优化。实验结果如图8所示。图8抗坏血酸（VC）使用量对金还原的影响由图8可看出，抗坏血酸（VC）使用量越大，还原率越高，金回收率也不断升高，当抗坏血酸（VC）使用量达到25g时，金还原率可达到97%以上，继续增加抗坏血酸（VC），金的还原率变化不大。所以，加入抗坏血酸（VC）25g用于还原最为合适。继续增加抗坏血酸（VC），金的还原率变化不大，可能是因为抗坏血酸（VC）过多会导致金的溶解度降低，从而导致金的还原效果降低。但抗坏血酸（VC）过少会导致金的还原速度缓慢，也会影响金的回收率。适当的VC用量可以提高金的还原速度和溶解度,从而提高金的回收率。因此，VC用量的选择应根据实际情况进行调整，以达到最佳的金回收效果。2.7 焙烧时间对金回收率的影响恒 定 焙 烧 温 度 为 1100、考 察 焙 烧 时 间（10min、15min、20min、25min、30min）对金回收率的影响，实验结果如图9所示。图9焙烧时间对金回收率的影响从图9中我们可以看到，随着焙烧时间的增加，金的回收率也在增加，但当焙烧时间超过15min后，继续延长锻烧时间对金的回收率几乎没有影响。因为在这个极限时间内，大部分的金已经被回收了，余下的金很少。此时，焙烧时间的延长只会造成微小的金损失，而不会显著影响金回收率，因此，根据具体情况以保证金的高效回收，认为15min为金焙烧的最佳时间。2.8 焙烧温度对金回收率的影响恒 定 焙 烧 时 间 为 15min、考 察 焙 烧 温 度（950、1000、1050、1100、1150）对金回收率的影响，实验结果如图10所示。图10焙烧温度对金回收率的影响世界有色金属2023年7月下61李登新,魏金秀,钟非文,赵庆.湿法冶金提取电子废弃物中金的研究进展C/.第二届全国环境化学学术报告会论文集.出版者不详,2004:713-715.2徐秀丽.从电子废弃物中浸金的实验方法研究 D.青岛科技大学,2011.3吴松,张朝,龙明昊,刘永杰.电子废弃物中金元素的绿色溶解与提取J.大学化学,2020,35(04):32-36.4Hoang Anh Quoc,Tue Nguyen Minh,Tu Minh Binh,SuzukiGo,Matsukami Hidenori,Tuyen Le Huu,Viet PhamHung,Kunisue Tatsuya,Sakai ShinIchi,Takahashi Shin.Areview on management practices,environmental impacts,andhumanexposurerisksrelatedtoelectricalandelectronicwaste in Vietnam:findings from case studies in informale-wasterecyclingareas.J.Environmentalgeochemistryandhealth,2022.5Manwen Zhang,Guixian Feng,Wenhua Yin,Bing Xie,Mingzhong Ren,Zhencheng Xu,Sukun Zhang,Zongwei Cai.Airborne 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结论本文针对现有存在的难题，我们提出以NaCl、C2H4O2、HNO3、VC等试剂进行电子废弃物中金的提取工艺优化，Cl-作为配体可以和Au形成配合物，可以有效降低它的电极电势，然后加C2H4O2提供质子，在HNO3的氧化作用下，可以使得Au发生溶解，再用VC将金还原，通过考察浸出温度、浸出时间、NaCl用量、VC用量、焙烧时间对金回收率的影响。实验结果表明，电子废弃物中金最佳提取条件为硝酸300mL(浓度25%）、氯化钠（NaCl）35g、VC25g、浸出温度80、浸出时间480min、焙烧温度1050、焙烧15min，最佳提取率可达到98%以上。通过更安全、更环保的方式实现电子废弃物中有价金属的资源化应用，为电子废弃物中贵金属的资源化应用提供了新的发展方向并奠定了一定的理论基础。