许振明:从“电子垃圾”回收到“城市矿山”开采《学者笔谈》

时间:2013.02.20 来源:EMBA办公室

■ 电子垃圾中含重金属、聚溴二苯醚等有毒有害物质,处理不当,会对环境和人类健康产生严重的危害。

■ 在实施加强勘察、集约开发、安全生产、保护环境、科学利用原生资源、节约保护矿产资源的可持续发展战略同时,必须加强废物的 循环利用,进行二次资源的开发。

■ 培养优秀的人才,是教师的首要任务。

■ “城市矿山”可被看成是高纯度优良矿山。

电子垃圾资源化-交叉学科新生长点                

电器电子产品给人类的生活带来了极大方便、快捷、舒适性的同时,随着它的大量报废,我们的身边出现大量报废的电子垃圾,例如:电视机、电冰箱、洗衣机、空调器、计算机、手机、复印机、传真机、打印机等。这些电子垃圾含有金、银、钯、铜、铝、锡等资源,有很高的利用价值。同时,电子垃圾中含重金属、聚溴二苯醚等有毒有害物质,处理不当,会对环境和人类健康产生严重的危害。当时国内还没有一家集回收、处置、资源化的企业,处理废弃电子废物的方法大多是露天焚烧、强酸“洗金”等土办法,虽然能从中提取金属,可产生的废气废液会对大气、土壤、水造成二次污染。我在广东汕头、浙江等地亲眼目睹这一现象,甚至一些处理厂家完全靠人工分拣电子垃圾,这会对人体产生很大的危害。当时我敏锐地意识到电子垃圾的资源化是一个涉及到材料、环境、化学、冶金等多学科,是一个交叉学科新生长点。

2005年我从材料学院应聘到环境学院工作,从材料科学与工程学科跨到环境科学与工程学科,运用交叉学科来研究电子垃圾的资源化。由于“电子垃圾”的资源化和一次资源矿山的开发相比具有特殊性,“电子垃圾”成分复杂,既含有回收价值高的稀贵金属、贱金属、废旧塑料、玻璃等非金属材料,又含有有毒有害物质,处理不好会造成严重的环境污染。例如:废旧电路板含有金、银、钯、铜等几十种金属,又含有基板非金属材料,同时又含有铅等重金属及溴化阻燃剂等有毒有害物质。因此,电子垃圾的资源化不能照搬开采一次矿山的方法,它需要特殊的技术、特殊的装备,需要多学科交叉、集成开发出的新技术。因此,我们按照减量化、无害化、资源化的原则,研究一种高效、无污染的物理方法,既开发电子废物的技术与装备。刚到环境学院工作时,同事叫我拾“垃圾教授”,我笑着说:“我就是到环境学院来资源化的啊!”。通过7年的工作,我们在电子废弃物物理法处理与资源化的理论及技术与装备方面取得一定的突破性进展。主持863项目3项、自然科学基金面上项目4项、博士点基金2项、中共中央直属机关招标项目1项、产业化等项目15项;同时,我们与上海新金桥环保有限公司合作,利用我们的核心技术创建了国家环保部和上海市电子电器废物回收信息与处置工程技术研究中心,形成了我们的研发基地。

回收电子垃圾——-面向国民经济和社会发展需求                

我国矿产资源总量约占世界总量的12%,人均排名却在第53位。据我国45种主要矿产可供利用储量对消费需求的保证程度的最新研究成果表明,2010年可以保证消费需求的矿产21种,其它24种矿产难以保证需求;2020年可以保证需求的矿产仅为9种,其他36种矿产难以保证需求。特别是铁、锰、铬铁矿、铜、铝铁矿、钾盐等关系国家经济和安全的大宗矿产将长期短缺。为此,在实施加强勘察、集约开发、安全生产、保护环境、科学利用原生资源、节约保护矿产资源的可持续发展战略同时,必须加强废物的循环利用,进行二次资源的开发。比如,利用废旧钢材再生钢材,可以减少97%的矿废物、80%左右的污染,节约90%的原材料,而且两种钢材的性能相同。

党的十八大报告中对于建设美丽中国有这段描述:“面对资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的严峻形势,必须树立尊重自然、顺应自然、保护自然的生态文明理念,把生态文明建设放在突出地位,融入经济建设、政治建设、文化建设、社会建设各方面和全过程,努力建设美丽中国,实现中华民族永续发展”。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》明确把 “综合治污与废弃物循环利用”等优先主题;《国家“十二五”科学与技术发展规划》均把废物资源化作为节能环保战略性新兴产业的重要任务。例如,稀土、贵金属和钨等是重要战略资源,在新能源、新材料、节能环保、航空航天、核工业、机械制造、电子信息、医学等领域的应用日益广泛,原生资源日益枯竭,二次资源日益增加。因此,我们研究者的工作必须面向国民经济主战场,必须满足社会发展需求。到目前为止,我们申请国家发明专利项20项,在北京、广东、上海、江苏建立产业化示范6个。我们开发出具有自主知识产权的电子废弃物多级冷却破碎-多级旋风分选-多级高压静电分选-涡电流分选技术及装备,其技术和装备应用于国家“废旧家电以旧换新”定点企业,为国家“废旧家电以旧换新”政策实施提供技术保障,满足本行业的国内处理企业的重大需求。同时,为中共中央和国家机关提供电子信息存储介质销毁技术和装备,保障中共中央和国家机关电子信息的安全处置问题。

从事电子垃圾回收7年里,我深深体会到在科研工作中, 所选择的研究方向必须要瞄准国际学术前沿,结合国家重大需求来选题,不能盲目跟风,国外做什么,我们也跟着做什么,要兼顾自己的学术兴趣与社会需要。难道只有电子信息业、航空航天、生物医药等行业是高科技吗?回收这些高科技产品同样也需要高科技,也有广阔的空间。

“回收电子垃圾”——-培养多学科交叉创新人才                

培养优秀的人才,是教师的首要任务。我时常对我们学生们说:“电器电子产品属于高科技产品,集高科技于一身,制造难,回收、变成资源更难。垃圾回收不但回收出真金、白银,同样也会培养出多学科交叉创新人才”。电子垃圾回收与资源化包括收集、储运、拆解、解离、分选、提纯等多技术,需要环境科学、材料科学、物理学、化学、机械、控制、冶金等多学科交叉。因此,我招收的研究生有环境、物理、化学、材料、冶金、生物等背景,形成一个多学科交叉的学术团体。

2005年我刚到环境学院工作时带有2位材料学和1位有环境背景的研究生,我们师生4人从学科交叉开始,进行电子废弃物处理与资源化研究。2006年我们的第一篇论文发表在《Journal of Physics D- Applied Physics》期刊上,这是硕士生路洪洲关于高压静电分选理论的研究成果。2007年博士生李佳关于废旧电路板回收与资源方面“Recycle Technology for Recovering Resources and Products from Waste Printed Circuit Boards”的研究成果在国际环境类著名刊物《Environmental Science & Technology》发表后的论文引发国外高度评价。《The New York Times(Science)》、《Science Daily》、《Physorg》等十几家媒体纷纷对这一研究成果进行了报道和评论,多家期刊网站转载。其中,国际上最权威的科普刊物之一,英国《New Scientist》杂志对该项研究给予了高度评价。英国剑桥大学的Pro. Derek Fray认为这是一种非常重要的资源回收利用技术,具有广泛的应用前景。

2008年《Environmental Science & Technology》编辑对我们团队进行采访,并以News报道了我们两位博士生吴江和郭杰发表在《Environmental Science & Technology》上发表的2篇创新性论文,并给予高度评价(New technologies produce usable materials from electronic waste)。同时,我们的两篇论文入选Nature研究亮点。第1篇是博士生郭杰的ES&T论文(A plate produced by nonmetallic materials of pulverized waste printed circuit boards. Environ. Sci. Technol. 2008, 42, 5267-5271)入选Nature研究亮点(亮点推荐点评:回收:从电脑到公园长凳,上海的研究人员开发了一项将废旧电路板用于制造高强度材料的技术-Recycling:From computers to park benches, Researchers in Shanghai developed a process that uses recycled circuit boards to create high-strength materials)。同时,ScienceDaily,SciDev.Net等多家科技网站也对该项技术进行了报道,日本NEC 纳米电子研究实验室首席研究员Masatoshi Iji认为“这项一项潜在的技术,考虑到和PCBs本身结构的相似性,环氧树脂粉(即指非金属粉)也可以作为聚合物原料应用。(There is potential in the technique, adding that epoxy resin, similar to the structure of PCBs, could be used as a bonding agent in the future.)”。挪威科技大学的Jirang Cui研究员认为“废弃电路板中非金属粉的回收是电子垃圾管理中的重要一环。并认为该项技术是一个很好的思路。(Recycling of non-metallic materials from waste printed circuit board is essential for managing electronic waste...This is a good idea.)”。第2篇是博士生詹路关于电子废弃物中重金属分离机理与回收技术研究成果在环境领域顶尖期刊《Environmental Science & Technology》发表后入选Nature研究亮点(亮点推荐点评:一种可以从铜及其它有价金属中分离有毒重金属的回收方法 -A metal recycling method can separate toxic heavy metals from copper and other valuable metals)。我们实现了电子废弃物中含铅、镉等重金属的分离与回收,在解决了重金属的环境污染问题的同时,使铅、镉等重金属实现了资源化。

2000年左右,世界各地大部电子垃圾流向中国,而在我们南方大多采用露天焚烧、强酸“洗金”等原始办法处理,对当地大气、土壤、水造成严重的污染,并在《Environmental Science & Technology》等环境方面的期刊上报道,对我国的形象造成很大的负面影响。一次我在国际学术研讨会上,发现国外的专家对我国电子废物回收和处理现状不了解,还停留在以前的认识上,在会上我严正地纠正他们错误的认识,阐明了我们现有完善的法律法规,先进的回收体系,先进的回收技术等。回来后我们对研究生说起此事,我对他们讲:“作为一个研究者,你们有责任应该向世界同行呼吁-中国已环境友好地回收和处理电子废弃物”。2012年,硕士生周蕾在《Environmental Science & Technology》发表题为:“Response to Waste Electrical and Electronic Equipments in China: Legislation, recycling system, and advanced integrated process”的综述论文,阐明了中国已建立了完善的电子废弃物回收和处理法律、法规在的和回收体系,已开发出先进的处理技术已具有国际领先水平,并获得工程应用,同时提出电子废弃物处理与资源化的将来的发展趋势。

到目前为止,我们的研究生已发表SCI收录57篇,其中《Environmental Science & Technology》(IF:5.228)19篇,《Green Chemistry》(IF:6.320)1篇,《Journal of Hazardous Materials 》(IF:4.173)21篇。我连续4次在固体废物管理与技术国际会议做大会特邀报告,我们的研究成果逐步地得到国内外同行的认可和关注,成为国内外有重要影响的团队。

培养的研究生中2人获得上海市优秀博士论文,2人获得上海市优秀硕士论文, 1人获得教育部博士学术新人奖,3人获得上海市青年博士杰出环境人才奖学金(高廷耀奖学金),已毕业的研究有的到高校或回收处理企业继续从事电子垃圾处理与资源化方面的研究,成为本行业中重要的力量。

从“电子垃圾”到“城市矿山”                

经过工业革命300年的掠夺式开采,全球80%以上可工业化利用的矿产资源,已从地下转移到地上,而靠工业文明发展起来的城市,正成为一座座永不枯竭的“城市矿山”。难以想象,普通市民一般不会将自己生活的小环境与“矿山”联系起来,但“矿山”就在我们自己生活区很遥远的地方。现在的人们生活的城市就有一座座不同的矿山,这些城市矿山的藏身之处其实一点儿都不难找,它们就藏匿于我们身边的废旧家电等废弃物中。例如,从1吨废旧手机中可以提炼400克黄金、2.3公斤银、172克铜;从1吨废旧个人电脑中可提炼出300克黄金、1公斤银、150克铜和近2公斤稀有金属等。相比之下,城市矿山的品位是天然矿山十几倍,甚至上百倍。但通常情况下,开采一吨金砂仅能提炼出5克黄金。因此,“城市矿山”可被看成是高纯度优良矿山。

我们发现身边的废汽车、废飞机、废电器(空调、冰箱、打印机、电脑、手机、电池等等)越来越多,如何科学有序、有效地对“城市矿山”加以开发利用,并高质量、高附加值资源化是摆在我面前的新课题。因此,我们在研究回收电子垃圾的同时,我们开始研究“城市矿山”的开采。“城市矿山”同一次矿山比,具有收集、储运等特性,开采它需要在在管理、技术、装备等深层次进行研发。上海交大有强大工科、理科、管理科学,如何依靠上海交大多学科的优势,在上海交大内进行协调创新,提高开采城市矿山的水平。

学者小传                

许振明,上海交通大学材料科学与工程学院教授,工学博士,教授,博士生导师,电子废弃物资源化技术及装备研究所所长。1996年4月毕业于哈尔滨工业大学,获博士学位,1996年6月-2000年3月先后在西北工业大学凝固技术国家重点实验室和上海交通大学做博士后,2005年教育部“新世纪优秀人才支持计划”入选者。

研究方向包括:固体废弃物处理处置与资源化;环境材料与资源再生利用。作为负责人主持国家863项目3项、国家自然科学基金面上项目5项、产业化等20余项课题。授权专利15项,发表论文150余篇,其中SCI收录100余篇,被SCI他引300余次。电子废弃物处理与资源的研究成果在环境类著名期刊《 Environmental Science & Technology 》系列发表19篇,其中综述1篇,2篇论文收录Nature 研究亮点。同时,《 Environmental Science & Technology 》上的“News”、《The New York Times(Science)》、《New Scientist》等多家期刊网站对其进行了报道和高度评价。主要学术兼职:上海市电子电器废物回收信息与处置标准化工程技术研究中心学术委员会主任,环境保护部电子电器废物回收信息化与处置工程技术研究中心学术委员会副主任,湖北省电子废弃物整体资源化产业创新战略联盟副理事长,教育部固体废弃物处理与资源化重点实验室学术委员会委员。