循环经济专业探索性实验设计

王 维， 吴玉锋

(北京工业大学 循环经济研究院， 北京 100124)

循环经济专业探索性实验设计

王 维， 吴玉锋

(北京工业大学 循环经济研究院， 北京 100124)

针对循环经济专业培养兼具工程背景以及多学科交叉知识的创新型人才的目标，结合本专业学生的知识背景，以“电子废弃物有价元素提取与分析实验”为例，介绍了循环经济专业实验课教学的探索与实践。实践表明：作为涵盖实验设计与表征的综合型实验，可系统化拓展学生对当前固体废弃物处理过程的认知，锻炼学生综合利用各种制备和检测设备解决实际问题的能力，有助于培养学生形成创新科研思维。

循环经济； 专业实验； 电子废弃物； 提取与分析； 实验教学

0 引 言

循环经济专业是为了满足国家节能减排及低碳经济等战略新兴产业对高素质人才的迫切需求在2008年设立的新兴交叉学科专业，涉及材料、环境、经济、管理等多个学科，致力于培养兼具工程背景以及经管、人文等多学科交叉知识、实践能力和创新素质的高水平人才[1-2]。“循环经济专业实验”是在学生掌握了废弃物资源化原理与技术的基础上开设的[3-7]。

作为新兴交叉学科专业实验，没有传统的实验可沿袭，单一的实验设计又难以体现交叉学科的培养特点，也不利于面向工程的人才培养[8-12]。因此，本课题组以符合科研进展、研究热点、和社会需求的实验设计为目标，以废旧资源回收+再利用+评价为主线，从2010年开始对循环经济专业实验教学内容和教学模式进行探索和实践，逐步构建了循环经济专业实验课程教学综合实验。本文以“电子废弃物有价元素提取与分析实验”为例，介绍了循环经济专业实验设计教学的实施情况。

1 电子废弃物有价元素提取与分析实验设计

本实验以废旧印刷线路板为原料，在实验过程中通过多个步骤，有效回收废旧印刷线路板中的金属铜。实验过程采用电感耦合等离子体发射光谱仪对铜的浸出率和铜粉的回收率进行表征，采用X射线衍射仪和激光粒度分布仪对回收铜粉的物相和粒度分布进行初步表征。

2 实验目的

了解和熟悉电子废弃物的环境危害、潜在应用背景和回收价值[13-15]；了解电子废弃物中废旧印刷线路板的组成和特性，破碎方法和设备的选择以及废旧印刷线路板中铜的回收提取原理和方法：包括氨水选择性浸出铜离子；电沉积法回收溶液中的铜；再生铜粉性能的表征方式方法；熟悉和掌握剪切式破碎机、密闭式粉碎机、多头磁力搅拌器、分析天平、便携式环境元素分析仪、激光粒度分布仪、电感耦合等离子体发射光谱仪的工作原理和操作技能。

3 实验内容

3.1 电子废弃物简介

以废旧印刷线路板为例，讲解电子废弃物的组成特性、解离特性、环境危害、潜在回收价值以及国内外常用回收处理方式方法。

3.2 废旧印刷线路板组成成分测定

选择3块废旧线路板，用无水乙醇将线路板基板表面擦拭干净，借助便携式环境元素分析仪进行元素测定，每块线路板随机选择11个位置进行测定，取平均值。

3.3 机械物理分离实验

手工拆除废线路板上的元器件，并将废线路板基板拆解成5 cm×5 cm的小块；根据废旧印刷线路板的柔性特点，先称取废线路基板230 g(约1块线路板的重量)，加入到剪切式破碎机中初步破碎。再将破碎后的固体分成7份放入密闭式粉碎机的7个破碎室中，破碎5min；而后将密闭式粉碎机破碎室中的物料用标准筛进行筛分。

3.4 有价元素(铜)选择性浸出实验

称取10 g(≥20目)浸出废料置于500 mL锥形瓶中，加入50 mL浓氨水、5 mL过氧化氢和40 mL硫酸铵溶液；用磁力搅拌器，在室温下以60 r/min的搅拌速率反应4 h；用真空抽滤机对反应后的溶液进行抽滤，滤渣收集，滤液放置于合适条件下贮存备用；把取出的滤渣用浓硝酸溶解，用电感耦合等离子体发射光谱仪测定溶液中铜的含量，用差减法反算出铜的浸出率。

3.5 电沉积法回收铜粉实验

取铜氨浸出液500 mL置于电解槽中，用移液管移取稀硫酸(加至溶液颜色变透明)，以石墨作为阳极，不锈钢作为阴极(有效面积均为65 mm×65 mm)，两极间距8 mm，设置电流密度4 A/dm2，温度40℃，电沉积3 h，每隔20 min刮一次粉，以去离子和乙醇分别洗涤阴极铜板上的刮取物4次，用真空过滤机抽滤后放入真空干燥箱内，在20～25℃下干燥8 h，即得单质超细铜粉。分别用电感耦合等离子体发射光谱仪测定电沉积前后铜氨浸出液中铜含量，用差减法反算出金属铜的回收率[16-19]。

3.6 回收铜粉性能表征

采用X射线衍射仪对电沉积回收铜粉的物相结构进行测试，同时采用马尔文激光粒度分布仪对其粒度分布进行测试。

3.7 回收铜粉经济效益评估

根据3.3～3.5选定的废旧印刷线路板中铜回收工艺，以1块线路板(平均质量230 g)为例，在扣除化学试剂成本和能源消耗成本的基础上，估算回收金属铜粉所得的经济利润作为回收铜粉的经济效益。对实验过程中使用的化学试剂和设备能耗的成本估算均按照当前国内行业标准价格计算，计算过程数值保留两位小数。

4 实验数据与结果

4.1 废旧印刷线路板成分分析

废旧印刷线路板中主要元素含量包括Cu>10%，Ba>10%，Ti 26 975×10-6，Fe 1 008×10-6，Cr 6 011×10-6，Zn 10 599×10-6，Rb 2 197×10-6，Pb 303×10-6，Ni 728×10-6，Sn 511×10-6，Ag 761×10-6，Sr 398×10-6，Se 298×10-6。需要指出的是，便携式环境元素分析仪只作为快速定性分析手段，通过该项测试，可使学生在短时间内对于废旧线路板中所含金属元素的种类和含量大致有所了解，以便选出含量较多的金属元素直接回收，含量较少的贵重金属元素富集后再进行回收。

4.2 废旧印刷线路板中铜的回收率

根据差减法计算出有价元素(铜)选择性浸出率为94.5%，电沉积铜粉回收率97.0%。

4.3 回收铜粉性能表征

为验证电沉积粉末产物的纯度，需对回收粉末样品进行X射线衍射分析，将粉末衍射的实验数据与标准卡片进行比对，已确定样品是否为纯相。图1为电沉积得到的粉末产物的XRD图，将其与标准PDF卡片(4-836)对照，可确定所得产物的各衍射峰的峰位与纯铜的标准图谱相符合，无其他物相存在，因此确定产物为高纯单质铜粉。

对已确定为纯相的粉末样品进行粒度分布表征，采用马尔文激光粒度分布仪对回收粉末样品进行测定，如图2所示。样品90%的颗粒粒径≪128.921 μm，出现几率最大的颗粒粒径为52.481 μm，与中位数(D50)53.106 μm相差无几, 残差0.445%<1.0%，说明所得粉末样品粒度分布较为均匀。

4.4 回收铜粉经济效益评估

(1) 化学试剂成本，如表1所示。

表1 回收铜粉所耗化学试剂成本

(2) 设备能耗成本，如表2所示。

表2 回收铜粉设备能耗成本

其中电沉积铜粉的能耗数据根据实验所需电流密度、电压和电沉积时间估算，回收一块线路板中的铜的能耗大约为0.57 kW·h。

(3) 回收铜粉经济效益。回收一块重约230 g的废旧印刷线路板，产出铜粉量59.8 g，按照当前铜粉单价80元/kg计算，铜粉产值4.78元，回收铜粉直接经济效益达1.04元，按此方法推算若处理1吨废弃电脑印刷线路板所回收铜的价值约为4 521.73元。若考虑大批量处理过程中氨水的反复使用和设备能耗的降低，其利润空间会继续增大。通过该项实验估算回收铜粉的经济效益，可使学生了解电子废弃物的回收处理除了具有社会效益和环境效益外，还具有显著的经济效益。希望通过课程的开设使学生认识到电子废弃物只是放错位置的潜在资源，通过教育一个学生，影响一个班级，营造人人参与资源回收的良好氛围。

5 结 语

(1) 该实验的设计与表征是有关电子废弃物回收处理的本科综合型实验，整个实验过程包括以废弃印刷线路板为典型的电子废弃物的组成特性、解离特性、环境危害、潜在回收价值以及国内外常用回收处理方式方法，废弃印刷线路板的成分分析、机械物理分离、有价元素(铜)选择性浸出、电沉积法回收铜粉、回收铜粉性能表征及经济效益评估，是一个系统拓展学生对当前固体废弃物处理过程认知的自主设计型实验。

(2) 实验过程中，学生可在老师指导下，自行操作便携式元素分析仪、电感耦合等离子体发射光谱仪、脉冲电源、剪切式破碎机、密闭式粉碎机、多头磁力搅拌器、分析天平等多种设备，可以锻炼学生综合利用各种制备和检测设备解决实际问题的能力，有助于培养学生形成创新科研思维。

(3) 实验过程中，由于各种废旧印刷线路板状态各异、化学成分有差异，各组学生针对每批次线路板中铜含量的差异，自行设计各元素测试方案，对于因元素含量差异或者稀释倍数差异造成的异常现象，有效激发了学生主动思考的能力，锻炼学生研究过程中的耐心。

[1] 汤佳乐，程 放，黄春辉,等. 素质教育模式下大学生实践能力与创新能力培养[J]. 实验室研究与探索，2013，32(1)：88-90.

[2] 钱 洁，房健民，陈志宏. 生物技术专业综合性和设计性实验教学改革与实践[J]. 实验室研究与探索，2014，33(1)：207-210.

[3] 谢 宇，凌 云，钟劲茅，等. 以培养创新型人才为目标的开放式实验教学研究[J]. 江西化工，2010(3)：163-165.

[4] 薛长国，夏玲燕，腾艳华. 资源循环科学与工程专业的试验设计与数据处理课程建设[J]. 考试周刊，2013(95)：161-162.

[5] 韩莉. 深化实习教学改革培养创新性人才[J]. 实验室研究与探索，2010，29(7)：289-291.

[6] 白 云，柴 钰. 加强开放式实验教学培养学生的创新能力[J]. 实验室研究与探索，2010，29(8)：109-112.

[7] 原江锋，孙军杰，古绍彬. 谈开放式实验教学与创新人才的培养[J]. 科技信息，2011(7)：96-97.

[8] 赵 辉，王洪君. 基于专业实验教学与科研的相关性和互补性实现二者的有机结合[J]. 电气电子教学学报，2003，25(2)：73-75.

[9] 朱 莉. 改革实验教学,培养创新能力——关于开设综合实验的总结[J]. 实验技术与管理，2003,20(1)：70-72.

[10] 高 屏. 把握时代要求,注重实验教学法研究[J]. 实验技术与管理,2001，18(5)：92 -94.

[11] 田 俐，刘胜利，申少华. 教学与科研互动培养创新型应用人才——材料化学专业实验教学新模式探讨[J]. 当代教育理论与实践，2011(7)：70-72.

[12] 仇润鹤，方建安，唐明浩，等. 建立综合实验平台培养学生创新能力[J]. 实验室研究与探索，2006，25(2)：141-144.

[13] Huang Kui, Guo Jie, Xu Zhenming. Recycling of waste printed circuit boards: A review of current technologies and treatment status in China [J]. Journal of Hazardous Materials, 2009，164(2-3)：399-408.

[14] 韩 洁, 聂永丰, 王 晖. 废印刷线路板的回收利用[J]. 城市环境与城市生态, 2001, 14(6):11-13.

[15] 杨玉芬, 盖国胜, 徐盛明, 等. 废印刷线路板回收利用的现状与存在的问题[J]. 环境污染与防治，2004(26)：193-196.

[16] 徐瑞东, 常仕英, 郭忠诚. 电解法制备超细铜粉的工艺及性能研究[J]. 电子工艺技术，2006(27)：355-359.

[17] 黄凌云，朱国才，池汝安，等. 我国超细铜粉研究及生产现状[J]. 化学通报, 2008(5)：356-360.

[18] 于 锦，李灿权，孙雅茹. 电镀实际操作手册[M]. 沈阳：辽宁科学技术出版社,2007:116-118.

[19] 马丽斯,郑长征,王福春. 电解法制备超细铜粉的工艺研究[J]. 纺织高校基础科学学报，2010，23(1)：79-82.

Design of Exploratory Experiment for Circular Economy Discipline

WANGWei,WUYufeng

(Institute of Circular Economy, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

To train innovative talents with engineering backgrounds and multidisciplinary knowledge, combining the background knowledge of profession construction, the experiment of extracting and analyzing valuable elements from waste print circuit boards is taken as an example to introduce the exploration and practice of experiment teaching for circular economy in authors' college. The teaching effect shows that the comprehensive experiments including experimental design and characterization effectively help the students to learn the current disposal of solid wastes, cultivate the ability of solving the practical problem by various preparations and testing equipment, and improve innovative capability.

circular economy; professional experiments; electronic waste; extracting and analyzing； experimental teaching

2016-04-28

磷酸铁锂电池及其正极边角料和正极材料回收利用技术政策研究(40104001201603)；16内涵发展定额-青年导师国际化能力水平提升(033000514116503)

王 维(1984-)，女，河北承德人，实验师，现主要从事典型城市固体废弃物回收处理研究。

Tel.：13488706892； E-mail：wangwei198465@126.com

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1006-7167(2017)04-0161-03