廢電路板元器件稀土資源回收及其碳減排潛力研究

蔣冬梅，陳姝媛，梁 倩，尚 閩，劉 宜，陳夢君

（1.四川省綿陽川西北地質工程勘察有限責任公司，四川 綿陽 621000；2.西南科技大學固體廢物處理與資源化教育部重點實驗室，四川 綿陽 621010；3.四川省固體廢物與化學品管理中心，成都 610000）

稀土包括鑭、鈰、鐠等元素，具有獨特的4f 層電子結構，是重要的戰略資源[1-2]，廣泛應用于新材料、冶金工業、石油化工、玻璃陶瓷、軍工等領域，被譽為“新材料之母”[3]。2021年，全球已探明稀土儲量約為1.2 億t，我國約占全球總儲量的35.2%。中國長期出口稀土，供給量約占全球需求量的95%[4]。近年來，隨著新能源、信息通信、航天航空等行業的快速發展，稀土的需求迅速增長[5]，僅風電領域，2021—2050年稀土需求量高達90.2 萬t[6]。因此，稀土元素的循環利用具有重要意義。

電子廢棄物是重要的“城市礦山”，近年來，隨著技術的進步、人民生活水平的提高和電子產品更新換代時間的縮短，電子垃圾不斷增加[7-9]。預計到2045年，全球電子垃圾將達7 800 萬t[10]。電子垃圾，尤其是電子元器件含有大量的稀土資源[11]，從中回收稀土元素，可以減少浪費，保障稀土戰略資源安全[12]。與稀土冶煉行業相比，從廢舊電子元器件中回收稀土資源還具有顯著的碳減排效益。然而，目前仍極少有文獻報道電子垃圾中稀土的含量與分布，其資源潛力和碳減排潛力的研究不足。本文以電子垃圾為研究對象，分析電腦、電視機、電冰箱、洗衣機、空調（簡稱四機一腦）等的廢電路板電子元器件構成，選擇典型的電子元器件，分析其所含稀土元素的種類與含量，探討其資源潛力和碳減排潛力，以期為其資源化循環利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

我國現有109 家擁有資質的電子垃圾處理廠，隨機抽取4 家，分別為中國再生資源開發集團有限公司、四川長虹格潤環?？萍脊煞萦邢薰?、成都仁新科技股份有限公司及什邡大愛感恩環?？萍加邢薰?。然后，在每家企業倉庫內隨機抽取電腦、電視機、電冰箱、洗衣機、空調等五類電子廢物拆解后的電路板。通風櫥內手工拆解收集的5 類廢電路板，統計并按功能、材質等差異細分所得元器件，選取23 類元器件作為研究樣品。

1.2 稀土元素分析

將同類電子元器件破碎，過40 目篩（篩網孔徑425 μm），利用HClO4-HF-HNO3體系消解所得的23 類電子元器件粉末，利用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES）測定Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y 和La 的含量。

1.3 碳減排潛力計算

廢電路板元器件稀土回收的碳減排潛力核算邊界如圖1所示。廢電路板元器件中稀土材料可能由稀土氧化物（Ⅰ）或稀土單質（Ⅱ）加工而成，故存在3 個可能的回收路徑。路徑一是從廢電路板元器件Ⅰ類稀土材料回收稀土氧化物，其碳減排潛力采用式（1）計算；路徑二是從廢電路板元器件Ⅰ類稀土材料回收稀土單質，其碳減排潛力采用式（2）計算；路徑三是從廢電路板元器件Ⅱ類稀土材料回收稀土單質，其碳減排潛力采用式（3）計算。其中，稀土資源潛力是指廢電路板所含的稀土元素質量。

圖1 廢電路板元器件稀土回收的碳減排潛力核算邊界

式中：P為不同回收路徑的碳減排潛力；Xabm為a年b類電路板的稀土元素m的資源潛力，t；Es為從電路板提取含單位質量m氧化物的碳排放系數，kg CO2eq/kg；Ey為從地殼開采到生產含單位質量m氧化物的碳排放系數，kg CO2eq/kg；Ej為從電路板中提取單位質量m單質的碳排放系數，kg CO2eq/kg；Ek為從地殼開采到生產單位質量m單質的碳排放系數，kg CO2eq/kg；El為從電路板提取單位質量m單質的碳排放系數，kg CO2eq/kg；Ez為氧化物氧化還原生產單位質量m單質的碳排放系數，kg CO2eq/kg。此外，由于從電路板元器件中回收稀土單質/稀土的碳排放系數不可得，Es、Ej、El均假設為0，即計算的碳減排潛力均為最大碳減排潛力。

根據文獻調研[13]，生產的稀土主要源于內蒙古自治區包頭市、四川省涼山彝族自治州、江西省贛州市，生產稀土單質和稀土氧化物的平均碳排放系數如表1所示。

表1 生產稀土單質或氧化物的碳排放系數

2 結果與討論

2.1 廢電路板元器件統計分析

四機一腦廢電路板涉及23 類元器件，統計結果如表2、表3所示。從廢電路板元器件數量上看，電腦最多，達866 個/塊；其次是電視機，為400 個/塊；之后依次為電冰箱、洗衣機和空調。由此可知，電器功能越復雜，其功能實現越依賴電路板，所含的元器件數量越多。從元器件占比來看，電阻和電容的數量在所有電路板元器件中占比最高。其中，電腦電阻和電容占比超85%，電阻約為45.03%，電容為40.18%。

表2 5 類廢電路板的元器件數量

表3 5 種廢電路板元器件質量占比

2.2 廢電路板元器件稀土元素含量分布

四機一腦廢電路板中，23 類電子元器件的稀土元素含量如表4所示。從稀土總含量來看，電阻中稀土元素含量最高，達18 890 mg/kg，其次為散熱片，達11 437 mg/kg；與電阻和散熱片相比，高壓包、連接器、開關、變壓器和三極管中稀土含量低一個數量級，依次為5 336 mg/kg、4 021 mg/kg、3 693 mg/kg、3 572 mg/kg 和2 089 mg/kg。其余電子元器件中，稀土元素含量介于155～960 mg/kg，繼電器和數碼管中稀土元素含量最低，分別為42 mg/kg 和8 mg/kg。從稀土元素的種類來看，23 類電子元器件中，鉺（Er）含量最高，其次為銩（Tm）。鉺氧化物薄膜具有優良的光學和電學性能，耐腐蝕性能好，透光率和折射率高，被廣泛應用于電子行業[14]。電容中鉺含量高達17 641 mg/kg，約為其稀土總含量的93.39%。而散熱片中銩含量為1 192 mg/kg，為其稀土總量的10.07%，僅次于鉺（79.71%），兩者約占散熱片稀土總量的90%。

表4 電子元器件中稀土元素的含量

2.3 廢電路板元器件稀土資源潛力現狀

假定每臺廢電器只含一塊廢電路板，根據廢電器中各類元器件個數、質量及所含稀土元素含量，結合理論測算的2010—2022年電器報廢量[15]，得出這期間各類廢電路板的稀土資源潛力，結果如表5 至表10所示。

表5 2010—2022年廢電腦板稀土潛力

如表5所示，2010—2022年，廢電腦板各稀土元素的資源潛力呈線性增長，Er 的資源潛力最大，增長速度也最快。2010年，理論廢電腦板元器件稀土資源潛力為86.28 t，其中Er 為73.78 t；2022年，稀土資源潛力增至638.06 t，Er 也迅速增加至545.63 t；2010—2022年，廢電腦板元器件稀土總資源潛力達4 534.72 t，Er占比為85.51%。其次是La，占比為7.07%，然后是Ce、Nd 和Y，占比分別為2.39%、2.13%、1.05%。

如表6所示，2010—2022年，廢電視機板各稀土元素的資源潛力呈線性增長，Er 的資源潛力最大，增長速度也最快。2010年，理論廢電視機板元器件稀土資源潛力為52.71 t，其中Er 為46.10 t；2022年，稀土資源潛力增至137.12 t，Er 也迅速增加至119.91 t；2010—2022年，廢電視機板元器件稀土總資源潛力達1 230.49 t，Er 占比為87.45%。其次是Tm，占比為5.06%，然后是Ce，占比為1.95%，最后是Nd、La、Pr、Eu、Gd、Sm、Tb，占比介于0.41%～0.87%。

表6 2010—2022年廢電視機板稀土潛力

如表7所示，2010—2022年，廢洗衣機板各稀土元素的資源潛力呈線性增長，Er 的資源潛力最大，增長速度也最快。2010年，理論廢洗衣機板元器件稀土資源潛力為8.29 t，其中Er 為7.16 t；2022年，稀土資源潛力增至45.78 t，Er 也迅速增加至119.91 t；2010—2022年，廢洗衣機板元器件稀土總資源潛力達336.69 t，Er 占比為86.41%。其次是Tm，占比為4.55%，然后是Ce，占比為2.64%，最后是Nd、La，占比分別為1.41%和1.04%。

表7 2010—2022年廢洗衣機板稀土潛力

如表8所示，2010—2022年，廢冰箱板各稀土元素的資源潛力呈線性增長，Er 的資源潛力最大，增長速度也最快。2010年，理論冰箱板元器件稀土資源潛力為8.34 t，其中Er 為7.56 t；2022年，稀土資源潛力增至73.25 t，Er 也迅速增加至66.46 t；2010—2022年，廢冰箱板元器件稀土總資源潛力達469.91 t，Er 占比為90.74%。其次是Tm，占比為2.24%，然后是Ce、Nd和La，占比分別為1.70%、1.42%、1.26%。

表8 2010—2022年廢冰箱板稀土潛力

如表9所示，2010—2022年，廢空調板各稀土元素的資源潛力呈線性增長，Er 的資源潛力最大，增長速度也最快。2010年，理論空調機板元器件稀土資源潛力為6.95 t，其中Er 為5.78 t；2022年，稀土資源潛力增至40.97 t，Er 也迅速增加至34.08 t；2010—2022年，廢空調板元器件稀土總資源潛力達298.01 t，Er 占比為83.19%。其次是Ce，占比為5.87%，然后是Nd、Tm和La，占比分別為3.76%、2.62%、1.71%。

表9 2010—2022年廢空調板稀土潛力

五類廢電器板元器件均為Er 元素的資源潛力最大，占比均高于83%。除Er 外，Ce、Nd、Tm、La是含量較高的4 種稀土元素。2010—2022年，廢電腦板的稀土資源累積量為4 534.72 t，為其他四類線路板稀土資源累積量的3.6～15.0 倍，側面反映廢電腦的回收價值最高，受其高報廢量和單板中高稀土資源含量影響。

如表10所示，五類廢電器電路板元器件總稀土資源潛力仍呈線性增長。2010年，總資源潛力僅為162.58 t，2022年總資源潛力為935.17 t。此外，同樣地，Er 占比最高，占當年總稀土資源量的86.15%～86.36%。La、Ce、Tm、Nd 占比分別為5.03%、2.42%、1.93%和1.89%。2020—2022年，廢電路板總稀土資源量為6 869.83 t，Nd 為129.92 t?？紤]廢電器壽命，假設其中稀土含量不變，結合理論測算的2010—2050年的電器報廢量[15]，研究發現，回收四機一腦廢線路板中的累積稀土資源，回收量可高達6.1 萬t。2021年，我國約生產稀土16.8 萬t，若能將2010—2050年四機一腦廢電路板元器件的稀土全部回收，則能適量緩解資源壓力。

表10 2010—2022年四機一腦總稀土潛力

2.4 廢電路板元器件稀土回收的碳減排潛力現狀

根據2010—2022年四機一腦廢電路板元器件的稀土資源潛力，結合表1 給出的碳排放系數，采用式（1）、式（2）和式（3）進行計算，得出3 種路徑的碳減排潛力，結果如表11、表12 和表13所示。

表11 2010—2022年四機一腦廢電路板元器件稀土回收的碳減排潛力（路徑一）

表12 2010—2022年四機一腦廢電路板元器件稀土回收的碳減排潛力（路徑二）

表13 2010—2022年四機一腦廢電路板元器件稀土回收的碳減排潛力（路徑三）

由表11、表12 和表13 可以看出，3 個情形下，四機一腦五類廢電路板元器件稀土回收的碳減排潛力變化趨勢相似，也與其資源潛力類似，都呈線性增長，都是Er 占比最大。2010年，路徑一、路徑二和路徑三的五類廢電路板元器件稀土回收的碳減排潛力分別為5 235.37 t、1.47 萬t、1.99 萬t，2022年上升至3.02 萬t、8.39 萬t、11.42 萬t；整體來看，2010—2022年，總的碳減排潛力為22.2 萬～83.9 萬t CO2eq。其中，路徑三的碳減排潛力最大，其次為路徑二，再為路徑一。從已報道的數據來看，我國通過資質企業回收五類廢電器，2019年回收可減排3 851 萬t CO2[16]，但此數據沒有包含稀土回收的碳減排潛力。此外，當前廢電器回收行業碳減排潛力的計算以原生行業為基準，主要關注回收得到的再生資源，沒有考慮修復、再使用、零部件或模塊再利用等方式的碳減排潛力，也沒有考慮其截污產生的碳減排潛力。當然，方法學可能還有待進一步完善。

3 結論

廢電路板元器件蘊含豐富的稀土資源。2010—2022年，四機一腦廢電路板元器件的稀土資源潛力為6 869.83 t，具有極為顯著的資源價值?；厥障⊥猎氐? 種路徑中，Er 回收的碳減排潛力最大。2010—2022年，四機一腦廢電路板元器件稀土回收的碳減排潛力為22.2 萬～83.9 萬t CO2eq。作為典型的“城市礦山”，電子垃圾蘊含大量稀土資源，稀土回收有利于保障稀土戰略資源安全，具有巨大的經濟價值，也可以助力無廢城市建設，達成碳達峰碳中和目標，具有重要的社會效益、經濟效益和環境效益。固體廢物資源化具有顯著的減污降碳和協同增效作用，但碳減排的核算太多以原生行業為基準，僅僅關注再生資源量，并沒考慮其減污產生的碳減排效應，方法學有待進一步優化。