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

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摘要:針對循環(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)生對當(dāng)前固體廢棄物處理過程的認(rèn)知，鍛煉學(xué)生綜合利用各種制備和檢測設(shè)備解決實(shí)際問題的能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生形成創(chuàng)新科研思維。

關(guān)鍵詞: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)是為了滿足國家節(jié)能減排及低碳經(jīng)濟(jì)等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)對高素質(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］?！把h(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)過程中通過多個(gè)步驟，有效回收廢舊印刷線路板中的金屬銅。實(shí)驗(yàn)過程采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對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?/p>

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定選擇

3塊廢舊線路板，用無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)行元素測定，每塊線路板隨機(jī)選擇11個(gè)位置進(jìn)行測定，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5cm×5cm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230g(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10g(≥20目)浸出廢料置于500mL錐形瓶中，加入50mL濃氨水、5mL過氧化氫和40mL硫酸銨溶液;用磁力攪拌器，在室溫下以60r/min的攪拌速率反應(yīng)4h;用真空抽濾機(jī)對反應(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500mL置于電解槽中，用移液管移取稀硫酸(加至溶液顏色變透明)，以石墨作為陽極，不銹鋼作為陰極(有效面積均為65mm×65mm)，兩極間距8mm，設(shè)置電流密度4A/dm2，溫度40℃，電沉積3h，每隔20min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，用真空過濾機(jī)抽濾后放入真空干燥箱內(nèi)，在20～25℃下干燥8h，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射線衍射儀對電沉積回收銅粉的物相結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，同時(shí)采用馬爾文激光粒度分布儀對其粒度分布進(jìn)行測試。

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230g)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)利潤作為回收銅粉的經(jīng)濟(jì)效益。對實(shí)驗(yàn)過程中使用的化學(xué)試劑和設(shè)備能耗的成本估算均按照當(dāng)前國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)價(jià)格計(jì)算，計(jì)算過程數(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%，Ti26975×10－6，F(xiàn)e1008×10－6，Cr6011×10－6，Zn10599×10－6，Rb2197×10－6，Pb303×10－6，Ni728×10－6，Sn511×10－6，Ag761×10－6，Sr398×10－6，Se298×10－6。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，通過該項(xiàng)測試，可使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)對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，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，無其他物相存在，因此確定產(chǎn)物為高純單質(zhì)銅粉。對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回收粉末樣品進(jìn)行測定，如圖2所示。樣品90%的顆粒粒徑128．921μm，出現(xiàn)幾率最大的顆粒粒徑為52．481μm，與中位數(shù)(D50)53．106μm相差無幾，殘差0．445%＜1．0%，說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

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0．57kW•h。(3)回收銅粉經(jīng)濟(jì)效益?；厥找粔K重約230g的廢舊印刷線路板，產(chǎn)出銅粉量59．8g，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4521．73元。若考慮大批量處理過程中氨水的反復(fù)使用和設(shè)備能耗的降低，其利潤空間會(huì)繼續(xù)增大。通過該項(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，通過教育一個(gè)學(xué)生，影響一個(gè)班級(jí)，營造人人參與資源回收的良好氛圍。

5結(jié)語

(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)生對當(dāng)前固體廢棄物處理過程認(rèn)知的自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。

(2)實(shí)驗(yàn)過程中，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設(shè)備解決實(shí)際問題的能力，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)生針對每批次線路板中銅含量的差異，自行設(shè)計(jì)各元素測試方案，對于因元素含量差異或者稀釋倍數(shù)差異造成的異常現(xiàn)象，有效激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)思考的能力，鍛煉學(xué)生研究過程中的耐心。

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作者:王維 吳玉鋒 單位:北京工業(yè)大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究院