国外有色金属开发与资源循环

1、策 文 |黎建平众所周知, 所有材料都必 须以资源为依托, 有色 金属材料也不例外, 必须有丰富的有色金属矿产作为资 源储备和来源。 刚刚过去的 20世 纪是人类大量消耗资源、 快速积 累财富、 高速发展经济的世纪, 科 技的进步和发展使人类焕发出前 所未有的创造力。 在短短的 100多 年 间,全 球 GDP 增 长 了 18倍,人 类所创造的财富超过了以往历史 时期的总和。 与此同时, 地球资源 消耗的速度和数量也随着科技的 进步和经济的发展而迅速增长。为了更有效地利用资源, 世 界各国都将可持续发展作为 21世 纪的发展战略。 有色金属产业要 实现可持续发展, 就必须走资源 循环之路,

2、实现人与自然和谐、 健 康发展。有色金属资源循环的理论基础1. 有色金属资源循环的特点与一次原矿产资源的开发利 用相类似, 二次资源的循环利用 同样涉及到选矿、 湿法冶金、 电化 学冶金以及高温冶金等多元复杂 过程 ; 但和一次原矿产资源不同, 二次资源存在如下的特殊性 :(1 原料来源的不确定性 ;(2 资源的丰富性和多样性 ; (3 组分的高度复杂性 ; (4 组元含量的高波动性 ; (5 材料的高致密性和复合 性 ;(6 高的综合回收利用价值。 正是这些特殊性, 导致现有 的常规选矿、 湿法冶金、 电化学冶 金以及高温冶金等方法均无法满 足处理此种物料所要求的经济性、 生态性、 高效性和

3、综合性等方面 的基本要求。因此, 从二次资源的特殊性 方面着手, 有必要进行二次资源 循环利用的应用基础研究, 构建 有色金属二次资源的生态分离和 转化机制, 为开发出技术先进、 经 济合理的二次资源循环利用工艺提供理论依据, 实现二次资源循 环过程的生态性、 经济性、 高效性和综合性。2. 有色金属资源循环的目标原则在 循 环 经 济 “ 减 量 化、资 源 化、 再利用、 无害化” 原则的基础 上, 实现有色金属资源循环的总 体思路是 :以提高资源利用率为 核心目标, 以降低能耗、 原材料消 耗和减少 “三废” 为任务, 大力利 用再生资源, 以最少的能耗和材 料消耗获得最好的经济效益和社

4、 会效益。 在二次资源的循环过程 中, 力求实现循环流程最短、 直接利用率最高、 能耗和物耗最少、 环 境负荷最低 ;就有色金属资源循环利用而 言, 具体的目标为 :(1 提高资源利用率 ; (2 充分利用国内外有色金 属再生资源, 大幅度增加再生资 源循环利用量, 以取得巨大的资 源效益、 经济效益和环境效益 ;(3 加 强 资 源 综 合 利 用,提 高资源化率, 扩大资源利用范围 ;(4 节能降耗, 实现清洁生产。 有色金属资源循环的原则主 要有以下几点 :(1 资源输入减量化 ; (2 资源高效化 ; (3 工艺清洁, 流程短 ; (4 环境材料开发利用。国外有色金属开发与资源循环有色

5、金属资源循环是有效解决有色金属工业中资源短缺、耗能巨大、污染严重等 问题的有力措施,是促进有色金属工业健康发展和人类社会经济可持续发展的有 效途径。2009年第9期 世界有色金属23策3. 有色金属资源循环的基本理论 有色金属二次资源的循环利 用以物质守恒定律为基础, 在资 源的回收分离方面则遵循基本的 物理化学热力学和动力学原理。 (1 物质守恒定律物质守恒定律表明 :物质既 不能凭空创造 (如生产 , 也不能 任意消灭 (如消费 , 只是物质形 态的转变。 因此, 根据物质守恒定 律, 一定时期内输入一个系统的物 质量等于同时期该系统的存储量 与输出该系统的物质量之和。 对 于社会经济系统

6、来说, 自然环境 所提供的输入物质 (input 进入该 系统, 经过加工、 贸易、 使用、 回 收、 废弃等过程, 一部分成为系统 内的存储 (net accumulation , 其 余部分输出物质 (output 返回自 然环境中去, 而整个过程中的输 入量恒等于输出量与存储量之和, 即input=output+net accumulation, 计算公式可表示为 “输入 =输出 +累积 -释放” 。同时, 有色金属无论经历多 少次生命周期, 其元素性质稳定, 不会因为使用而发生衰变。 对于 二次资源, 只要经过必要的物理 化学过程, 其所含的有色金属元 素都可转变为纯物质态, 这是有

7、色金属资源循环的前提和基础。 (2 热力学在实现有色金属二次资源的 循环过程中, 有效分离和提取废 弃物中的金属物质及非金属物质 是至关重要的一环, 其中必然涉 及到物质分选、 高温挥发、 化学溶 出和元素分离等一系列物理化学 过程, 如 :某一反应在给定的条 件下能否自发向预期的方向进行 ; 某反应在理论上能够达到何种程 度, 即分离提取过程的反应率 (或 转化率 能达到多少 ; 为促使某分 离反应进一步向有利的方向进行, 从而提高反应效率应采取何种措施等等。作为有色金属资源循环科学的重要理论基础, 热力学三大定理等基本理论能够为这些过程提供有力的理论支持, 即通过计算给定条件下反应的吉布斯

8、自由能值, 根据其正值或负值的数值大小可判断给定条件下该反应能否自发地向预期方向进行, 以及反应发生的趋势大小 ; 通过计算反应的平衡常数, 判断反应进行的限度即反应转化率的大小 ; 通过热力学理论分析, 研究该反应标准吉布斯自由能变化值 和平衡常数的影响因素, 进而开发出具体途径和措施以促使反应向有利的方向进行, 进一步提高分离效率,并为有色金属资源循环过程中工艺的开发指明方向。(3 动力学热力学理论为有色金属资源循环中各个分离提取工艺的可行性和最大反应限度提供了理论支持, 但它只解决了反应的平衡问题, 而不能解释反应达到平衡所经 历 的 反 应 历 程 以 及 速 度 问 题。即使反应发生

9、的趋势很大, 还必须有足够并且合适的效率, 因此要对影响反应效率的各个因素进行深入研究, 从中找出限制环节,优化工艺参数, 提高或控制反应过程的强度及生产率。 因此, 对于有色金属资源循环而言, 动力学理论具有极其重要的实际意义。微观动力学从分子理论微观地研究了反应的速度和机理, 宏观动力学则在有流体流动、 传质及传热条件下研究反应机理, 从而确定物理因素在反应过程中的作用。 通过动力学研究可以知道各种因素,如浓度、 压力、 温度和催化剂等如何影响有色金属资源循环过程中各过程的反应速率 ; 反应实际进行过程中要经历哪些步骤 ; 如何 控制反应条件以提高反应的速率 并增加产量 ; 如何抑制或减慢

10、副 反应的速率以减少原料和能量消 耗, 减轻分离操作的负担。另外, 通过反应速度的定量 化研究, 动力学理论还能为有色 金属资源循环提供最佳的工业化 设计和控制, 为实际生产选择最 适宜的操作条件。国外有色金属资源循环现状 及发展1. 日本日本是一个人多地少、 资源 匮乏、 能源短缺的岛国。 它的工业 化和现代化是以沉重的环境破坏 为代价换来的, 在创造世界经济 发展奇迹的同时, 日本曾经被戴 上 “世界公害大国” 的帽子。 为摆 脱这一 “罪名” , 同时也是自身生 存和发展的需要, 日本政府被迫 较早地关注经济发展与生态环境 的关系, 探寻人与自然、 经济与社 会和谐发展的路径。在这一进程

11、中, 日本经历了 四个阶段 :一是 20世纪 70年代面 对 “大量生产、 大量消费、 大量废 弃” 的社会经济模式所带来的环 境污染和生态破坏, 日本主要采 取 “末端治理” 的环保方式 ; 二是 80年代以后, 提出了从生产和消 费源头防止环境污染的产生, 称 之为 “管段预防” 方式 ; 三是 20世 纪 90年代以来, 在可持续发展的 理念指导下, 开始推动 “循环经济” 的发展, 在生产过程中减少资源 的消耗和废弃物的排放, 重视废 弃物的回收利用和再资源化, 认 为发展循环经济将使日本环保产 业创造近 37亿日元的产值, 提供 1400万 个 就 业 机 会。 2000年,日 本政

12、府颁布 推进形成循环型社会 基本法 , 从法制方面建设循环型世界有色金属 2009年第9期 24策社会的行动准则 ; 四是 21世纪初,提出 “环境立国” 战略, 即确立创建循环型社会的国家目标。2. 德国在有色金属资源循环利用方面, 德国始终走在世界前列。 早在1972年德国就制定和颁布了 废弃物处理法 , 1986年修改为 废弃物限制处理法 , 从以怎样处理废弃物转向避免产生废弃物为中心。 1996年颁布 循环经济和废物管理法 , 确定产生废弃物最小法、污染者承担治理义务以及政府与 公民合作三原则。3. 美国美国于 1976年就制定和颁布 固体废弃物处置法 。 美国加州 于 1989年通过

13、 综合废弃物管理 法 令 ,要 求 在 2000年 以 前, 50%废弃物通过源消减和再循环的方 式进行处理, 未达到要求的城市将 被处以每天 1万美元的行政罚款。 2003年, 美国城镇产生的废弃物 为 5.5亿吨, 回收利用达到 40%。 4. 其他国家在日本、 德国和美国对循环 经济立法的影响下, 欧盟和北美 国家相继制定鼓励二手产品回收、 绿色包装等法律, 同时规定包装 废弃物的回收、 复用或再生的具 体目标。 如欧盟实施的家用电器 回收方法, 规定商业界必须回收 90%的 废 弃 电 冰 箱 及 洗 衣 机,并 将此类大型电器用品的 60%用于 再生产利用。 在个人电脑方面, 其 回

14、收比例则按产品重量, 由原定 的 60%提 高 到 70%,再 生 率 也 由 50%提高到 60%。 此外, 法国政府 要求应有 85%的包装废弃物循环 利用 ; 荷兰政府规定废弃物循环 利 用 率 应 达 到 60%; 奥 地 利 法 规 要求 80%回收包装材料必须进行 再循环处理或再利用 ; 丹麦政府 规定所有废弃物要由 50%进行再 循环处理。综上所述, 德、 日、 美及欧盟等工业发达国家将发展循环经济的重点领域放在废弃物的回收利用方面。 西方发达国家经历了 200多年的工业化发展, 在资源和能源的利用率方面达到相当高的水平, 通过废弃物的再资源化减少原生资源的消耗, 同时也减少废弃

15、物的排放对生态环境的破坏。常见有色金属资源循环 11. 从工业废渣中循环利用有色金属从锡炉渣中回收钽、 铌、 钨,其具体实施步骤 :(1 焙烧及水浸 ;(2 脱硅及脱锡 ;(3 氢氟酸分解 ;(4 萃取分离钽、 铌及产品沉淀;(5 钨的回收。从氧化铝生产赤泥中综合回收有色金属。2. 含锌烟尘循环利用有色金属3. 废旧电池循环利用有色金属传 统 的 废 旧 电 池 处 理 方 法有 :(1 湿法冶金(2 火法冶金废旧电池循环利用新技术与工艺 :(1 冶炼处理工艺(2 锌锰废电池制备锌软磁铁氧体工艺(3 Ni-Cd 电池湿法处理新工 艺4. 有色金属铜二次资源循环利用 (1 传统领域 直接利用 就是对那些成分 明确的纯废料, 直接回炉配练成 某种牌号或与之相近的合金的利 用方法。 用黄铜屑净化硫酸锌溶液 脱铜 从黄铜渣中生产七水硫酸锌 从氧化铜渣中生产硫酸铜 用废杂铜生产电解铜 电炉熔炼黄杂铜新工艺 (2 新兴领域 电子废弃物 从汽车水箱中回收焊锡 5. 从含钒固体废弃物中回收金属钒 (1 从废钒催化剂中回收钒 无添加剂焙烧弱碱浸 取法