废电路板元器件稀土资源回收及其碳减排潜力研究

蒋冬梅，陈姝媛，梁 倩，尚 闽，刘 宜，陈梦君

（1.四川省绵阳川西北地质工程勘察有限责任公司，四川 绵阳 621000；2.西南科技大学固体废物处理与资源化教育部重点实验室，四川 绵阳 621010；3.四川省固体废物与化学品管理中心，成都 610000）

稀土包括镧、铈、镨等元素，具有独特的4f 层电子结构，是重要的战略资源[1-2]，广泛应用于新材料、冶金工业、石油化工、玻璃陶瓷、军工等领域，被誉为“新材料之母”[3]。2021年，全球已探明稀土储量约为1.2 亿t，我国约占全球总储量的35.2%。中国长期出口稀土，供给量约占全球需求量的95%[4]。近年来，随着新能源、信息通信、航天航空等行业的快速发展，稀土的需求迅速增长[5]，仅风电领域，2021—2050年稀土需求量高达90.2 万t[6]。因此，稀土元素的循环利用具有重要意义。

电子废弃物是重要的“城市矿山”，近年来，随着技术的进步、人民生活水平的提高和电子产品更新换代时间的缩短，电子垃圾不断增加[7-9]。预计到2045年，全球电子垃圾将达7 800 万t[10]。电子垃圾，尤其是电子元器件含有大量的稀土资源[11]，从中回收稀土元素，可以减少浪费，保障稀土战略资源安全[12]。与稀土冶炼行业相比，从废旧电子元器件中回收稀土资源还具有显著的碳减排效益。然而，目前仍极少有文献报道电子垃圾中稀土的含量与分布，其资源潜力和碳减排潜力的研究不足。本文以电子垃圾为研究对象，分析电脑、电视机、电冰箱、洗衣机、空调（简称四机一脑）等的废电路板电子元器件构成，选择典型的电子元器件，分析其所含稀土元素的种类与含量，探讨其资源潜力和碳减排潜力，以期为其资源化循环利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

我国现有109 家拥有资质的电子垃圾处理厂，随机抽取4 家，分别为中国再生资源开发集团有限公司、四川长虹格润环保科技股份有限公司、成都仁新科技股份有限公司及什邡大爱感恩环保科技有限公司。然后，在每家企业仓库内随机抽取电脑、电视机、电冰箱、洗衣机、空调等五类电子废物拆解后的电路板。通风橱内手工拆解收集的5 类废电路板，统计并按功能、材质等差异细分所得元器件，选取23 类元器件作为研究样品。

1.2 稀土元素分析

将同类电子元器件破碎，过40 目筛（筛网孔径425 μm），利用HClO4-HF-HNO3体系消解所得的23 类电子元器件粉末，利用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y 和La 的含量。

1.3 碳减排潜力计算

废电路板元器件稀土回收的碳减排潜力核算边界如图1所示。废电路板元器件中稀土材料可能由稀土氧化物（Ⅰ）或稀土单质（Ⅱ）加工而成，故存在3 个可能的回收路径。路径一是从废电路板元器件Ⅰ类稀土材料回收稀土氧化物，其碳减排潜力采用式（1）计算；路径二是从废电路板元器件Ⅰ类稀土材料回收稀土单质，其碳减排潜力采用式（2）计算；路径三是从废电路板元器件Ⅱ类稀土材料回收稀土单质，其碳减排潜力采用式（3）计算。其中，稀土资源潜力是指废电路板所含的稀土元素质量。

图1 废电路板元器件稀土回收的碳减排潜力核算边界

式中：P为不同回收路径的碳减排潜力；Xabm为a年b类电路板的稀土元素m的资源潜力，t；Es为从电路板提取含单位质量m氧化物的碳排放系数，kg CO2eq/kg；Ey为从地壳开采到生产含单位质量m氧化物的碳排放系数，kg CO2eq/kg；Ej为从电路板中提取单位质量m单质的碳排放系数，kg CO2eq/kg；Ek为从地壳开采到生产单位质量m单质的碳排放系数，kg CO2eq/kg；El为从电路板提取单位质量m单质的碳排放系数，kg CO2eq/kg；Ez为氧化物氧化还原生产单位质量m单质的碳排放系数，kg CO2eq/kg。此外，由于从电路板元器件中回收稀土单质/稀土的碳排放系数不可得，Es、Ej、El均假设为0，即计算的碳减排潜力均为最大碳减排潜力。

根据文献调研[13]，生产的稀土主要源于内蒙古自治区包头市、四川省凉山彝族自治州、江西省赣州市，生产稀土单质和稀土氧化物的平均碳排放系数如表1所示。

表1 生产稀土单质或氧化物的碳排放系数

2 结果与讨论

2.1 废电路板元器件统计分析

四机一脑废电路板涉及23 类元器件，统计结果如表2、表3所示。从废电路板元器件数量上看，电脑最多，达866 个/块；其次是电视机，为400 个/块；之后依次为电冰箱、洗衣机和空调。由此可知，电器功能越复杂，其功能实现越依赖电路板，所含的元器件数量越多。从元器件占比来看，电阻和电容的数量在所有电路板元器件中占比最高。其中，电脑电阻和电容占比超85%，电阻约为45.03%，电容为40.18%。

表2 5 类废电路板的元器件数量

表3 5 种废电路板元器件质量占比

2.2 废电路板元器件稀土元素含量分布

四机一脑废电路板中，23 类电子元器件的稀土元素含量如表4所示。从稀土总含量来看，电阻中稀土元素含量最高，达18 890 mg/kg，其次为散热片，达11 437 mg/kg；与电阻和散热片相比，高压包、连接器、开关、变压器和三极管中稀土含量低一个数量级，依次为5 336 mg/kg、4 021 mg/kg、3 693 mg/kg、3 572 mg/kg 和2 089 mg/kg。其余电子元器件中，稀土元素含量介于155～960 mg/kg，继电器和数码管中稀土元素含量最低，分别为42 mg/kg 和8 mg/kg。从稀土元素的种类来看，23 类电子元器件中，铒（Er）含量最高，其次为铥（Tm）。铒氧化物薄膜具有优良的光学和电学性能，耐腐蚀性能好，透光率和折射率高，被广泛应用于电子行业[14]。电容中铒含量高达17 641 mg/kg，约为其稀土总含量的93.39%。而散热片中铥含量为1 192 mg/kg，为其稀土总量的10.07%，仅次于铒（79.71%），两者约占散热片稀土总量的90%。

表4 电子元器件中稀土元素的含量

2.3 废电路板元器件稀土资源潜力现状

假定每台废电器只含一块废电路板，根据废电器中各类元器件个数、质量及所含稀土元素含量，结合理论测算的2010—2022年电器报废量[15]，得出这期间各类废电路板的稀土资源潜力，结果如表5 至表10所示。

表5 2010—2022年废电脑板稀土潜力

如表5所示，2010—2022年，废电脑板各稀土元素的资源潜力呈线性增长，Er 的资源潜力最大，增长速度也最快。2010年，理论废电脑板元器件稀土资源潜力为86.28 t，其中Er 为73.78 t；2022年，稀土资源潜力增至638.06 t，Er 也迅速增加至545.63 t；2010—2022年，废电脑板元器件稀土总资源潜力达4 534.72 t，Er占比为85.51%。其次是La，占比为7.07%，然后是Ce、Nd 和Y，占比分别为2.39%、2.13%、1.05%。

如表6所示，2010—2022年，废电视机板各稀土元素的资源潜力呈线性增长，Er 的资源潜力最大，增长速度也最快。2010年，理论废电视机板元器件稀土资源潜力为52.71 t，其中Er 为46.10 t；2022年，稀土资源潜力增至137.12 t，Er 也迅速增加至119.91 t；2010—2022年，废电视机板元器件稀土总资源潜力达1 230.49 t，Er 占比为87.45%。其次是Tm，占比为5.06%，然后是Ce，占比为1.95%，最后是Nd、La、Pr、Eu、Gd、Sm、Tb，占比介于0.41%～0.87%。

表6 2010—2022年废电视机板稀土潜力

如表7所示，2010—2022年，废洗衣机板各稀土元素的资源潜力呈线性增长，Er 的资源潜力最大，增长速度也最快。2010年，理论废洗衣机板元器件稀土资源潜力为8.29 t，其中Er 为7.16 t；2022年，稀土资源潜力增至45.78 t，Er 也迅速增加至119.91 t；2010—2022年，废洗衣机板元器件稀土总资源潜力达336.69 t，Er 占比为86.41%。其次是Tm，占比为4.55%，然后是Ce，占比为2.64%，最后是Nd、La，占比分别为1.41%和1.04%。

表7 2010—2022年废洗衣机板稀土潜力

如表8所示，2010—2022年，废冰箱板各稀土元素的资源潜力呈线性增长，Er 的资源潜力最大，增长速度也最快。2010年，理论冰箱板元器件稀土资源潜力为8.34 t，其中Er 为7.56 t；2022年，稀土资源潜力增至73.25 t，Er 也迅速增加至66.46 t；2010—2022年，废冰箱板元器件稀土总资源潜力达469.91 t，Er 占比为90.74%。其次是Tm，占比为2.24%，然后是Ce、Nd和La，占比分别为1.70%、1.42%、1.26%。

表8 2010—2022年废冰箱板稀土潜力

如表9所示，2010—2022年，废空调板各稀土元素的资源潜力呈线性增长，Er 的资源潜力最大，增长速度也最快。2010年，理论空调机板元器件稀土资源潜力为6.95 t，其中Er 为5.78 t；2022年，稀土资源潜力增至40.97 t，Er 也迅速增加至34.08 t；2010—2022年，废空调板元器件稀土总资源潜力达298.01 t，Er 占比为83.19%。其次是Ce，占比为5.87%，然后是Nd、Tm和La，占比分别为3.76%、2.62%、1.71%。

表9 2010—2022年废空调板稀土潜力

五类废电器板元器件均为Er 元素的资源潜力最大，占比均高于83%。除Er 外，Ce、Nd、Tm、La是含量较高的4 种稀土元素。2010—2022年，废电脑板的稀土资源累积量为4 534.72 t，为其他四类线路板稀土资源累积量的3.6～15.0 倍，侧面反映废电脑的回收价值最高，受其高报废量和单板中高稀土资源含量影响。

如表10所示，五类废电器电路板元器件总稀土资源潜力仍呈线性增长。2010年，总资源潜力仅为162.58 t，2022年总资源潜力为935.17 t。此外，同样地，Er 占比最高，占当年总稀土资源量的86.15%～86.36%。La、Ce、Tm、Nd 占比分别为5.03%、2.42%、1.93%和1.89%。2020—2022年，废电路板总稀土资源量为6 869.83 t，Nd 为129.92 t。考虑废电器寿命，假设其中稀土含量不变，结合理论测算的2010—2050年的电器报废量[15]，研究发现，回收四机一脑废线路板中的累积稀土资源，回收量可高达6.1 万t。2021年，我国约生产稀土16.8 万t，若能将2010—2050年四机一脑废电路板元器件的稀土全部回收，则能适量缓解资源压力。

表10 2010—2022年四机一脑总稀土潜力

2.4 废电路板元器件稀土回收的碳减排潜力现状

根据2010—2022年四机一脑废电路板元器件的稀土资源潜力，结合表1 给出的碳排放系数，采用式（1）、式（2）和式（3）进行计算，得出3 种路径的碳减排潜力，结果如表11、表12 和表13所示。

表11 2010—2022年四机一脑废电路板元器件稀土回收的碳减排潜力（路径一）

表12 2010—2022年四机一脑废电路板元器件稀土回收的碳减排潜力（路径二）

表13 2010—2022年四机一脑废电路板元器件稀土回收的碳减排潜力（路径三）

由表11、表12 和表13 可以看出，3 个情形下，四机一脑五类废电路板元器件稀土回收的碳减排潜力变化趋势相似，也与其资源潜力类似，都呈线性增长，都是Er 占比最大。2010年，路径一、路径二和路径三的五类废电路板元器件稀土回收的碳减排潜力分别为5 235.37 t、1.47 万t、1.99 万t，2022年上升至3.02 万t、8.39 万t、11.42 万t；整体来看，2010—2022年，总的碳减排潜力为22.2 万～83.9 万t CO2eq。其中，路径三的碳减排潜力最大，其次为路径二，再为路径一。从已报道的数据来看，我国通过资质企业回收五类废电器，2019年回收可减排3 851 万t CO2[16]，但此数据没有包含稀土回收的碳减排潜力。此外，当前废电器回收行业碳减排潜力的计算以原生行业为基准，主要关注回收得到的再生资源，没有考虑修复、再使用、零部件或模块再利用等方式的碳减排潜力，也没有考虑其截污产生的碳减排潜力。当然，方法学可能还有待进一步完善。

3 结论

废电路板元器件蕴含丰富的稀土资源。2010—2022年，四机一脑废电路板元器件的稀土资源潜力为6 869.83 t，具有极为显著的资源价值。回收稀土元素的3 种路径中，Er 回收的碳减排潜力最大。2010—2022年，四机一脑废电路板元器件稀土回收的碳减排潜力为22.2 万～83.9 万t CO2eq。作为典型的“城市矿山”，电子垃圾蕴含大量稀土资源，稀土回收有利于保障稀土战略资源安全，具有巨大的经济价值，也可以助力无废城市建设，达成碳达峰碳中和目标，具有重要的社会效益、经济效益和环境效益。固体废物资源化具有显著的减污降碳和协同增效作用，但碳减排的核算太多以原生行业为基准，仅仅关注再生资源量，并没考虑其减污产生的碳减排效应，方法学有待进一步优化。