旋流电解强化蚀刻废液再生的动态调控机制

A large amount of acidic cupric chloride spent etchant is produced from printed circuit board (PCB) industry every year. The electrochemical regeneration method involves the modulation of primary and side reactions at both anode and cathode, leading to the complicated control and process flow. In order to overcome these bottlenecks, we designed a one-step treatment based upon cyclone electrowinning, which is a novel mass-transfer enhanced electrochemical reaction and separation system. The thermodynamics and kinetics will be systematically studied to decrease the diffusion layers and concentration polarization. As a result, both of anodic regeneration and cathodic copper deposition can be synergetically improved, result in the simultaneous etchant recycling and copper recovery. Besides, a correlation model between the solution components and limiting current density in different diffusion conditions is needed, therefore the regeneration can be intelligently tuned to inhibit the chlorine evolution side-reactions. Based on the comprehensive understanding of electrochemical transfer mechanism in the acidic cupric chloride system, an efficient and cleaner regeneration process for spent etchant will be developed, which provide theoretical and technological support to the concentrated copper-based effluent treatment and secondary resources recovery in PCB industry.

印刷电路板行业每年产生大量高浓度酸性氯化铜蚀刻废液，其电化学再生过程涉及阴阳两极主、副反应的竞争和调控，导致电极过程难以控制和操作复杂。本项目提出直接旋流电解处理蚀刻废液，利用这一新型传质强化电化学反应/分离方法，通过系统地解析旋流电解反应热力学和动力学特性，减少扩散层厚度和浓差极化，协同强化阳极再生和阴极沉积反应，同步实现介质循环和铜资源化。建立不同传质条件下溶液体系组成与反应极限电流密度的关联模型，集化学浓度信号采集和电化学过程智能化控制于一体，降低析氯等副反应的可能性。在此基础上，全面认识酸性氯化铜体系的电化学转化规律及其科学依据，构建蚀刻废液的电化学原位再生与循环新方法、新过程，为实现大宗印刷电路板行业高浓度含铜重金属废水清洁处理和战略二次资源高效回收提供理论和技术支撑。

随着快速工业化的过程，资源短缺和大范围、高强度的重金属污染排放同时发生的现象已在我国出现。作为全球产值最大、增长最快的PCB制造基地，我国印刷电路板行业每年产生40万立方米高浓度酸性氯化铜蚀刻废液（120-180g/L），其电化学再生过程涉及阴阳两极主、副反应的竞争和调控，导致电极过程难以控制和操作复杂。本项目提出直接旋流电解处理蚀刻废液新方法，项目的研究成果如下：1）通过系统地解析旋流电解反应热力学和动力学特性，揭示了阳极再生和阴极沉积的协同强化机制，借助流场模拟手段建立了传质强化模型；2) 利用电化学原位X射线同步辐射成像技术，获取盐酸体系和硫酸体系中金属沉积反应的调控机制，建立了过程-机理-产品(Process-mechanism-products, PMP)的电化学回收设计原理；3) 通过添加剂、电流和流场的耦合作用，成功制备了高值化的球形超细铜产品，创新地实现了从单纯回收到材料规模化制备的路线；4) 基于研究成果，撰写综述文章系统阐述了电化学金属回收的发展趋势和现状。在此基础上，全面认识酸性氯化铜体系的电化学转化规律及其科学依据，构建蚀刻废液的电化学原位再生与循环新方法、新过程，为实现大宗印刷电路板行业高浓度含铜重金属废水清洁处理和战略二次资源高效回收提供一定的理论和技术支撑。. 项目成果共发表基金标注论文35篇(SCI收录33篇)，总计影响因子196，其中第一或通讯作者文章34篇；以第一发明人授权发明专利2项；参加国际和国内大型电化学会议各1次。