撰写者 | 苏伊尔； 编辑| 果果
→这是《全球零碳》第239篇原创文章
随着5G时代的到来以及物联网和智能设备的普及，地球上废弃的电子产品越来越多，电子垃圾已经成为一场灾难。
联合国最新统计数据显示，2019年全球产生的电子垃圾总量为5360万吨，五年内增长21%； 预计2030年将达到7400万吨，16年内翻一番。
根据最新的《2020年全球电子垃圾监测报告》，全球电子垃圾回收再利用率仅为17.4%，其余大部分进入垃圾填埋场。
全球电子垃圾统计合作伙伴（GESP）预计，2050年全球电子垃圾总量将达到1.2亿吨。
过去，电子垃圾只是一些电动玩具、手机和家用电器。 随着电动汽车和芯片产业的普及和发展，以锂电池和线路板为主的新型废弃电器电子设备成为电子垃圾的主要增长点。
以锂电池为例，东吴证券报告显示，基于对消费电子、新能源汽车、储能等未来需求的判断，预计2021-2025年中国锂电池装机量将保持快速增长。预计涉及的领域包括消费电池、动力电池和储能电池。
然而，大多数锂电池将在10-15年内报废。 如何回收它们不仅是一个挑战，而且蕴藏着巨大的商机。
电子垃圾含有有毒添加剂和汞等有害物质。 如果简单焚烧、填埋，将对环境和人体造成极大危害。
锂电池的回收并不是造成环境压力的唯一原因。 开采锂电池所需的各种金属需要大量资源。 开采一吨锂需要 500,000 加仑的水。 在一些国家，锂矿开采导致了环境问题，例如植被减少、气温上升以及国家保护区内日益严重的干旱。
如果数以百万计的报废锂电池能够得到有效回收，将有助于中和锂电池生产和回收过程中消耗的能源。 电子垃圾通常含有金、银、铂和铜等稀有金属，以及稀土等可回收的有价值材料。
围绕废弃电子产品的回收利用，目前一些企业正在发展这一产业。 一些科研实验室和大学研究机构也在改进更有效的回收方法。 技术不断突破。 最终可以找到一种标准化、环保的回收技术，充分满足锂电池巨大需求的时代。 到达。
本期《全球零碳》“碳中和人物访谈系列”专题采访中南大学特聘副教授万兴邦。 主要研究领域为二次资源（废旧线路板、锂电池、铜矿）的高附加值利用、高温热力学相图、计算流体力学数值模拟（CFD）在工业中的应用。
2017年，万兴邦获得国家留学基金委“高水平大学国家公派研究生项目”资助前往芬兰阿尔托大学攻读博士学位，随后继续在芬兰从事博士后研究。 2022年3月，通过人才引进加入中南大学，担任特聘副教授。
目前，万兴邦已在该领域高水平期刊发表学术论文20余篇，其中第一或通讯作者SCI收录论文（一区、二区）10余篇。 他还作为项目经理参与了芬兰科学院的“从电子废物中回收贵金属”、“从废旧锂电池中回收有价金属”、“碳中和背景下新型火法冶金工艺的开发”等项目。
万教授课题组招收能源、计算机、冶金、环境等背景的学生加入攻读硕士学位。 优秀者可推荐到国外多个课题组攻读博士学位。
《全球零碳》：在您的一些学术论文中，发现很多都是关于元素反应机制的研究。 这对废弃电子设备回收利用的研究有何帮助？
万兴邦：通过研究冶炼过程中相关元素的反应机理、序列和分布行为，为电子废弃物回收利用奠定了理论基础。 同时，想要改进高温金属回收工艺，除了充分了解其机理外，还需要不断优化冶金设备。
例如，废印刷电路板含有大量的铜和贵金属，可以与铜精矿一起在冶炼厂进行加工。 通过研究相关废电路板中金属元素在不同反应中随时间变化的行为，可以获得各种金属在冶炼和回收过程中分布的动力学和热力学数据，从而合理选择分离或富集可以采用一些方法回收相关金属。 。
例如，在《可持续冶金学》（ ）杂志上的一篇论文中，通过研究铜冶炼过程中回收贵金属（金、银、铂、钯）的动力学行为，我发现贵金属会快速迁移到冰铜中。金属相。 ，且在不同气氛（空气和氩气）下，不同相中金属的分布比例不同，但它们在冰面相中的浓度均遵循钯>铂>金>银的顺序。
这些实验结果可用于更新与铜冶炼二次原料加工相关的数据库，也可用于CFD模型中，以更准确地模拟贵金属在冶炼过程中的行为。
《矿物工程》杂志上的一篇论文评估了废弃印刷电路板的火法回收以及杂质元素砷、锑和铋的反应机理[3]。 目前从废PCB中回收金属的最先进方法是首先将它们溶解，然后通过电解或湿法冶金来回收它们。
因此，研究表明，较高的氧分压有助于更有效地将杂质元素从冰铜中去除到炉渣中，因为它们以氧化物的形式存在于炉渣中。 并且这项研究可以防止后续电解中的杂质影响贵金属回收。
我在危险材料杂志《之》的一篇论文中，根据每种金属的活性及其在不同条件下的赋存状态，提出了硫化焙烧和水浸的新工艺。 该工艺经实验室测试证明，二次资源（废铜渣）中的有价金属（铜、镍、钴）可以得到有效回收，并与铁高效、清洁地分离。 基于研究的金属元素机理和优化的实验结果，提出了一种在新冶炼地点附近回收工艺的方法：火法-湿法冶金相结合的工艺[4]。
《全球零碳》：火法冶金回收金属有哪些优势？ 对此你们做了哪些改进？
万兴邦：火法冶金的原理是通过高温从矿石中冶炼金属或其化合物的过程，而湿法冶金的原理是利用相应的溶剂和化学反应原理提取和分离矿石中的金属的过程。
火法冶金处理是电子垃圾的有效处理方式，也是回收废旧金属的传统方法。 火法冶金工艺在利用初级资源生产金属方面发挥着重要作用。 同时，火法冶金可以在原工厂设备的基础上直接改进，回收工艺可以大量投入现有生产设备。 通过在原有大型冶炼设备的前端或尾部增加处理设备，可以帮助冶炼废料。 加工。
由于火法冶金反应温度太高，一般在1000度左右，会消耗大量的能量。 针对传统冶炼厂使用焦煤作为热源，造成大量碳排放的情况，目前的冶炼厂也在改进，减少焦煤的使用，转向天然气等相对清洁的能源。 同时，精炼金属具有自热熔点，氧化时会产生热量，不会过多消耗能源。
但根据金属的特性，可以选择不同的回收方法。 您还可以结合使用这两种方法：
基于所研究的金属元素机理和优化的实验结果，提出了一种在冶炼厂附近的新型回收工艺：火法-湿法冶金联合工艺[4]，具有广阔的工业应用场景。 回收有价金属铜、镍、钴可产生巨大的经济效益。 不仅大部分余热从烟气中回收，铜渣的余热也可以收集起来，充分利用仍然具有潜在的经济价值。 这种方法的收入可以来自废热收集和金属回收。
“全球零碳”：计算流体力学（CFD）是一门交叉学科，目前广泛应用于航空、航天、化工、冶金、建筑、环境等领域。 这种方法如何帮助您研究冶金过程？
万兴邦：CFD（计算流体力学）技术的发展起源于核武器、航空航天等一些高科技领域。 随着计算机及相关技术的快速发展，特别是一些CFD商业软件的出现，CFD技术在冶金、环境工程等重要科学中发挥着越来越重要的作用。
可以使用 CFD 流体力学方法来优化冶金工艺。 CFD技术利用流体力学、传热学、冶金反应工程等多学科交叉学科模拟，对实际反应过程中难以检测和控制的环节进行模拟，避免了传统对搅拌中多相流的预测。基于半经验和半理论方法的坦克。 可以避免缺陷，节省成本和时间，以较小的成本达到优化反应设备和控制最佳反应过程的目的。
计算流体动力学模拟可以在项目施工之前或之后应用。 在项目建设前，CFD模拟可以选择设备，模拟和调整设计尺寸，减少样机的实验测试，加快研发周期。
项目建设后，可利用CFD模拟调整冶金各阶段的供给条件、管道位置、熔体飞溅角度等参数，有助于以更少的成本和更短的时间灵活改进工程设计。 并且可以利用该软件获取温度和浓度参数，并有效预测改进值。
特别是对于投资大、周期长、难度大、高温现场测量的冶金工艺，特别是对于危险的、超出正常条件的、待开发的、看不见的或难以测试的冶金新工艺和新产品开发。 优势更加突出。
目前，在工业4.0中，各种技术的发展方向是朝着可视化、透明化、可预测性、智能化、自主化方向发展。 其中，整个流程的数字化、可视化是工业4.0的基本点。 CFD的应用迎合了工业4.0的基调，为冶金过程提供全面的模拟和预测。
全球零碳：您目前的主要研究领域是什么？
万兴邦：目前的主要研究课题是二次资源（废旧线路板、锂电池、铜渣等矿物）高附加值利用的反应机理研究，通过机理研发寻求新工艺。 此外，研究方向还侧重于通过CFD等方法优化相关设备，进一步提高反应效率。 目前的一些研究还侧重于金属元素全生命周期碳足迹的分析。 主要针对冶炼企业的特定金属，对其生产和运输过程进行能效评估，对生产的各个环节进行能源消耗统计，计算能源消耗量及其碳足迹。