电子废弃物资源化过程中多种混合金属的物理分离机理与纯化

Electronic wastes, also referred as waste electrical and electronic equipments (WEEE), are typically multi-component materials containing multiple metallic elements. The physical and chemical characteristics of WEEE are so complex that it is difficult to separate or purify the resources through a single method. This research takes WEEE as objects to study the physical separation mechanisms and new purification methods of the multiple mixed metals obtained from crushing and liberation of WEEE. For purification of scrap metals, this research studies the physical separation mechanisms and control methods of the continuous fluid exchange-directional continuous cast segregation separating for impurity elements. For the heavy metals and rare precious metals, this project explores the interaction and coordination mechanisms of vacuum distillation-condensation of Ta, Pb, Cd, Hg. This project will provide the theoretical foundation for exploring key technologies and whole-set equipment, which can be used for secondary resources in WEEE, such as the physical separation of multiple mixed metals, the purification of scrap metals with high-grade, the extraction and purification of rare and precious metals.

电子废弃物 (废弃电器电子产品的简称)是一种典型的含多组分物料、多种金属元素的复合体，其物理和化学性质复杂，难以通过单一方法进行多种混合金属元素的分离、纯化。本项目以电子废物二次资源为研究对象，研究经预处理后的获得的多种混合金属物料复合体的物理分离机理与纯化新方法。在废旧金属纯化方面，研究金属熔体连续换液-定向连铸偏析法分离杂质元素的物理分离机制和控制方法；在重金属、稀贵金属的分离和纯化方面，研究钽、铅、镉、汞等重金属和稀贵金属的依次真空蒸发-冷凝相互作用及协同分离机理。为开发电子废弃物二次资源中多种混合金属的物理分离方法、高品位废旧金属纯化、稀贵金属的提取与纯化的关键技术与成套装备提供理论基础。

本项目以电子废物二次资源为研究对象，研究了多种混合金属物料复合体的物理分离与纯化机理，提出了由废物原位构建自掺杂功能材料，并利用密度泛函理论揭示了多元素掺杂对材料性能的影响机制。本项目取得以下研究成果：（1）采用有限体积法对废铝和铜热型连铸过程进行模拟，增加连铸速度，固-液界面从较凸向扁平化转变，轴向偏析与径向偏析都在不同程度上减弱，不利于提纯；升高铸型温度，液-固界面的形状会发生明显的扁平化，低的浇铸温度和增加提纯次数有利于提纯；向上的电磁力使液固界面更加扁平且界面附近区域的流速较大，将杂质输送中上方远端，使提纯效果更好。（2）根据多种重、稀贵金属的蒸气压差异，研究了各种易挥发金属的蒸发分离行为，建立了多金属依次分离模型。锌、镉颗粒由固态直接升华，铅颗粒由固态熔化为液态进而蒸发，蒸发速率可以用Langmuir-Knudsen公式描述。GeO2和In2O3的还原反应从化学反应控制逐渐过渡到混合控制为主。真空还原相界面的化学反应速率在反应开始会限制反应，而在反应过程中既受相界面上化学反应速率限制，又受产物层的扩散速率限制反应，而GaAs的分解反应主要以化学反应控制为主。（3）在其他稀贵金属的研究中，内存条金的剥离过程符合缩核模型中的扩散模型，反应活化能为17.57 KJ/mol；真空煅烧废旧锂电池电极，由于氧缺陷或还原作用导致LiMn2O4的晶体结构框架发生坍塌破坏，锂、锰元素得到释放。结合理论分析和实验优化，废铝和废铜经偏析法提纯后纯度高于99%；对于废旧钽电容器采用电子束熔炼，钽锭的纯度可达99.99%；混合金属颗粒中，锌、铅和镉在610-1023 K可依次分离；含稀散金属废物，锗、镓和铟的分离率可分别达93.35%、100%和86.57%；含稀贵等金属废物，金、钯、银和锂的回收率可分别达98.95%、92.36%、99.21%和 91.30%。（4）由废旧电容器原位制备了TiO2等自掺杂光催化剂，通过密度泛函理论研究了材料的电子结构、态密度、功函数和电荷转移规律，揭示了废物组分对光催化剂活性的增强机理，为由废物到功能材料的智能构建提供了理论基础。