专注“吸金”的超级聚合物问世:5美元成本捕获约64美元黄金!COP-180能否替代剧毒氰化物?

专注“吸金”的超级聚合物问世:5美元成本捕获约64美元黄金!COP-180能否替代剧毒氰化物?
麻省理工科技评论 2020-07-20

2020-07-20

你手里的手机,面前的电脑,当它们最终完成自己使命的时候,将去向何方?
你手里的手机,面前的电脑,当它们最终完成自己使命的时候,将去向何方?

你手里的手机,面前的电脑,当它们最终完成自己使命的时候,将去向何方?

它们中的绝大多数,并不会进入博物馆供人瞻仰,或成为传家宝贝,而是在被你卖掉或者丢掉之后,变成电子垃圾。目前,全球每年共产生超 5000 万吨电子垃圾,其中只有不到两成得到了妥善的处理。但少为人所知的是,电子垃圾中贵金属的含量非常高,黄金含量更是可达优质天然金矿的上百倍!

但如何回收这些垃圾,却是一件非常令人头疼的事情,动辄可对环境和工人的健康造成严重的损害。

亚洲网日前,来自韩国科学技术院(KAIST)的一项研究发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,该文描述了一种新型的聚合物 COP-180,它每克的制作成本约 5 美元,一克COP-180每次可以从印刷电路板(PCB)渗滤液中高选择性地回收价值约 64 美元的黄金,纯度为 99.6%,还可以重复使用。研究人员表示,这个“淘金”的回收效率创下了历史新高。

5美元成本捕获约64美元黄金!COP-180能否替代剧毒氰化物?

图|聚合物(COP-180)创造了从废弃电路板中提取黄金的新突破(图片来源:Yeongran Hong)

沉睡的金矿与滞后的技术

亚洲网智能时代,电子设备已成为我们生活不可或缺的一部分。联合国最新发布的《2020 年全球电子废物监测》报告显示,2019 年,全球共产生了惊人的 5360 万吨电子垃圾,平均每人 7.3 千克,5 年内增长了 21%,

印制电路板就是电子垃圾中最常见的器件,每年约产生 5000 万吨,年增长率为 8.8%,其中部分的“高值板”比矿山中的矿石含有更丰富的贵金属。

报告指出,2019 年全球电子废弃物中的原材料价值约为 570 亿美元,其中铁、铜、铝和黄金对这一价值的贡献最大,按 17.4% 的官方统计的回收率算,全球电子垃圾每年可回收价值约 100 亿美元、超过 400 万吨的各类原材料,同时可减少原材料开采生产造成的 1500 万吨二氧化碳排放量,加强回收利用率是开矿冶金的很好补足。

亚洲网而据业内人士称,一吨旧手机(大约 6000 部)中含有价值 1.5 万美元的金属,约包含 3.5 千克银、340 克金、130 克钯、130 千克铜,而在自然金矿开采中,每吨金精矿含金量不小于 100 克即为一级品,这每年 5000 多万吨的电子垃圾总量中,名副其实地暗藏着一个“大金矿”。

5美元成本捕获约64美元黄金!COP-180能否替代剧毒氰化物?

图|从电子产品中分解出来的电路板(来源:Friends of the Earth)

虽然电子垃圾中有黄金,但回收率低却也是不争的事实,5360 万吨电子垃圾中只有 17.4% 被正规体系记录为进行了妥善收集和回收,82.6%(约 4430 万吨)的电子废物去向不明。

这其中,既有消费者的回收意愿问题,更有电子垃圾回收污染严重、相关技术的发展不够成熟、成本高昂的现状。

电子废物中通常含有多种有害物质,包括汞、镉、铅、铬等重金属,以及溴化阻燃剂、氟氯烃、氢氯氟烃、多环芳烃等化学品。在大多数发展中国家,开发电子垃圾这座金矿的方式更多的是“后院回收”模式:相当数量的非正式自营职业者在自家的后院、屋顶,从事电子废物的收集和回收,处理条件和结果往往很差。

一些自营职业者通常把废弃物进行修理、翻新或拆解,分解为可用可销售的细分部件和材料,私营回收商燃烧、过滤和熔化电子垃圾,将其转化为二次原料,很少考虑对环境和人体健康造成的损害。

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图|广东贵屿一家小作坊在拆解电路板(来源:ChinaDaily)

我国广东省的贵屿镇就曾是一个典型的电子垃圾污染案例,在 2017 年该镇转型之前,曾经是全球最大的“电子垃圾村”。当地处理电子垃圾最常见的方式,就是利用王水进行溶解,或着将电子垃圾直接焚烧。在这种操作工程中,工作人员很容易吸入、或者由皮肤渗入大量有害气体、液体,而排放出的废液、废水也会进一步污染环境。

由于常年用不规范的方法在电子垃圾中淘金,贵屿 80% 的儿童血液中铅含量超标,其中 70% 处于铅中毒的程度。而据研究报告估算,每年在全球无证监管的电子废物流动中,约有 50 吨汞和 7.1 万吨溴化氢塑料大量排放到自然环境中,造成严重的环境和健康威胁。为了电子垃圾这座金矿,无数像贵屿一样的地方曾经付出过、或者正在付出着惨痛的环境与健康代价。

而在发部分达国家,尽管相关立法相对到位,产业发展也相对完善,但对于黄金回收来说,由于缺乏高选择性、高产量、不含剧毒氰化物的回收过程,还是有 80% 的电子垃圾最后只能填埋了事。

因此,发展高效、低成本、高选择性的电子垃圾贵金属回收方式,既有着重要的经济意义,更有着重大的环境和健康意义。

神奇的聚合物

亚洲网现有的正规电子垃圾处理技术,在原理上与小作坊的焚烧和用王水溶解大同小异,这便是所谓的“火法冶金”和“湿法冶金”。只不过,这些过程是在先进的设备和严格的管理下进行的。而这往往意味着成本的上升。

例如,火法冶金需要先进的焚烧炉,还需要严格的污染排放控制。而湿法冶金则是利用化学物质溶解电子垃圾,再从溶液中分离贵金属。湿法冶金的工艺更加精确、更容易控制、也更有预测性的,自上世纪 80 年代中期开始便逐渐取代火法冶金。但对于黄金回收来说,湿法冶金仍有一个致命的弊端:依赖于剧毒的氰化物。

除了上述两种方法,还有一种叫做生物冶金的新型回收技术,但还处于研究的早期阶段。

因此,找到在湿法冶金的过程中可以有选择性地高效回收黄金的非氰化物,一直是研究的重点。而之前找到的大多数吸附剂,基本都只能在只含有金元素、或者只含有少量其它金属元素的溶液中回收金元素,根本无法投入实际应用。

在最近的实验中,韩国科学技术院的科研人员报告了一种高度多孔且性质稳定的卟啉(porphyrin)聚合物 COP-180,表现出了前所未有的优良性能。

在之前的研究中,研究人员就发现卟啉对于贵金属有很好的亲和性和选择性。因此,理论上,如果制成永久性的多孔网状聚合物,卟啉应该可以用来吸附金原子。
通过将卟啉与吩嗪结合,他们赋予了卟啉以鲁棒性和抗氧化性。由此形成的共价有机聚合物——COP-180,理论上每一个分子都可以吸附 1 个贵金属原子。换句话说,如果实验的结果符合理论预期的话,每克 COP-180 应该可以从湿法冶金的电路板浸出液中吸附 0.173 克的黄金。

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亚洲网图|COP-180 的合成(来源:Hong 2020,PNAS)

实验的结果令研究人员大喜过望。

他们将 COP-180 加入到了废旧电路板的酸/碱浸出液中,搅拌两天后,他们发现,每克 COP-180 从 63 种竞争金属的混合液中捕获了高达 1.62 克的黄金,这个数字是理论预期(0.173克)的近 10 倍!

而与之相反的是,COP-180 对铂金的吸收率则只有 0.197 克/克,只比理论预期高了 15%,而其它的绝大多数元素的吸收率更是连 3% 都不到。这意味着,尽管有着其它 62 种竞争金属元素的干扰,但 COP-180 还是十分“专情”地从中挑选出来了黄金这一种元素。

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图|COP-180 对不同元素的吸附效率,其中金的吸附效率远高于其它金属。(来源:Hong 2020,PNAS)

这种神奇的性能吸引了科学家们的注意。经过进一步的实验和理论研究,他们认为,由于卟啉具有还原性,很可能导致金原子出现了还原性的固定:从单个的金离子,变成了金离子簇。在扫描透射电子显微镜(STEM)的镜头下,他们发现,COP-180 让金原子团在了一起,而铂则依然四处散开。

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图|在 COP-180 的作用下,金原子(上排)团成了一个原子簇,而铂(下排)则保持着原来的散开的状态。(来源:Hong 2020,PNAS)

如此一来,金原子便可能以许多个原子组成的原子簇、而不是单个原子的形式被 COP-180 集中吸附了,实现了极高的吸附效率。

在这样的吸附效率下,提取出来的黄金纯度高达 99.6% 以上。这意味着,无需经过进一步的提纯,就直接超过了足金(99%)、逼近千足金(99.9%)的纯度。

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图|COP-180 从电路板中捕获黄金的过程(来源:Hong 2020,PNAS)

而且,经过三次重复实验(吸附-再生)之后,COP-180 的吸附效率只降低了不到 7%。每克 COP-180 的成本约为 5 美元,一次可以回收的黄金价值就高达 64 美元。单次使用就已经很赚了,再加上可重复利用的性质,研究人员称,制备过程并不复杂的 COP-180 表现出了极佳的经济性能。

如果成功走向商业化,这种聚合物,或者将来出现的其它与之性能类似的吸附剂,将可以把海量的废旧电子垃圾变成环保、无毒、可持续、超高品位的贵金属矿藏,为全球电子回收行业带来一场利润、环保和健康的全新变革。

先进工艺商业化的种种难题

亚洲网如果这项实验室验证的技术是可行的,那能否快速投入商业化落地?提升我国对电子垃圾的回收率?对此,中国电子装备技术开发协会秘书长、高级工程师唐爱军对 DeepTech 表示,一项回收技术从实验室到大规模产业应用并不如想象中那么简单。

从目前国内回收产业的角度来说,技术方面普遍都是经过火法对金属富集之后,再通过湿法实现对稀贵金属的提纯,所以类似这项实验的湿法提纯环节是比较常见的。

国内更多的都是用氰化法提金,这是一个最常规或成本最低的方式,其中氰化物的毒性很强,很容易造成严重的环境污染,如果这种新型的聚合物是绿色化学的方式,那是有可取之处的。不过作为一种新的对黄金的捕获技术,纯度达到99.6%其实并不算最高,产业中正常情况下用氰化法其实能够达到 99.9% 的纯度。

此外,虽然 5 美元的原材料成本能捕获 64 美元的黄金听上去很诱人,但实验室并未把更多其他实际成本考虑在内。

据唐爱军介绍,目前我国正规体系下管理的废弃电器电子产品定义上是包括 14 种(即最初为 5 种,第二批又增加了 9 种),受管制的 14 种电子废物包括电视、冰箱、洗衣机、空调、个人计算机、抽油烟机、电热水器、燃气热水器、传真机、移动电话、单机电话、打印机、复印机和监视器,但实际上真正在产业中能得到成熟正规化处理的只有前 5 种,即行业常说的“四机一脑”,个人手机其实都并未实现正规化的产业回收管理。

从“含金量”方面分析,这些电子垃圾中大部分是低端的电子产品,包含比较常规的元器件,在这些产品中其实稀贵金属的含量很低。常规家用电器里几乎不含金、银、铂、钯等贵金属,更多以铜为主,这种前提下,单纯能回收捕获黄金的化学技术在处理能力和应用空间方面是有限的。而高值的电路板(比如手机、平板、高端电脑等)收集和回收成本,也要比传统的低值电路板高不少。

成本,是商业化落地的最大挑战。资源回收行业属于微利性质,离不开国家的支持,我国现行的《废弃电器电子产品回收处理管理条例》针对“四机一脑”有国家的补贴基金扶持,初步形成了产业化正规处理的形式,手机虽然列入了第二批管理目录,但由于没有太多的政策引导和专项补贴,基本还是市场化的状态。

即便假设这种全新的多孔聚合物是绿色化学生态环保的,其材料成本也很低,但如果想投入大规模应用,则需要考虑厂房的工艺流程设计和装备投入、能否达到国家环保标准和规定、需要多少土地成本和劳动力成本等诸多环节。对于一个正规的电子垃圾回收公司来讲,通常土地成本就占到 35%~40%、装备成本大概 20%~30% 不等,另外,环保成本一般不会低于 10%,需要哪些装备或措施完成后端的环保控制也很重要。

而且对大量高值电路板的搜集回收,需要符合国家危险废物转移联单管理要求,需要花钱去买这些废弃电器电子产品,所以一个回收企业即便具备这样的技术,但真正想运营下来的成本构成是非常复杂的,获利很难覆盖整个流程,这也是为什么回收企业长期需要依靠国家政策和基金补贴的原因。

唐爱军表示,对于电子废弃物回收行业,国家层面已经推动了很多事情,也建立了一些正规渠道,但从观念来讲,我国公众在处理手机等电子垃圾时还是希望能换取一定回报,这些电子废弃物是流入到了正规还是非正规的渠道,在源头上难以把控。另一个挑战是,近年来国家相关的补贴基金池出现了赤字情况,很多正规拆解回收企业已经很久没有拿到补贴基金,运转压力也非常大。

所以“5 美元的聚合物成本捕获 64 美元黄金”仍是一个相对实验室的理论数据,距离实现产业化应用仍任重道远。

麻省理工科技评论

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