國外有色金屬開發(fā)與資源循環(huán)

1、策 文 |黎建平眾所周知, 所有材料都必 須以資源為依托, 有色 金屬材料也不例外, 必須有豐富的有色金屬礦產(chǎn)作為資 源儲(chǔ)備和來源。 剛剛過去的 20世 紀(jì)是人類大量消耗資源、 快速積 累財(cái)富、 高速發(fā)展經(jīng)濟(jì)的世紀(jì), 科 技的進(jìn)步和發(fā)展使人類煥發(fā)出前 所未有的創(chuàng)造力。 在短短的 100多 年 間,全 球 GDP 增 長 了 18倍,人 類所創(chuàng)造的財(cái)富超過了以往歷史 時(shí)期的總和。 與此同時(shí), 地球資源 消耗的速度和數(shù)量也隨著科技的 進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而迅速增長。為了更有效地利用資源, 世 界各國都將可持續(xù)發(fā)展作為 21世 紀(jì)的發(fā)展戰(zhàn)略。 有色金屬產(chǎn)業(yè)要 實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展, 就必須走資源 循環(huán)之路,

2、實(shí)現(xiàn)人與自然和諧、 健 康發(fā)展。有色金屬資源循環(huán)的理論基礎(chǔ)1. 有色金屬資源循環(huán)的特點(diǎn)與一次原礦產(chǎn)資源的開發(fā)利 用相類似, 二次資源的循環(huán)利用 同樣涉及到選礦、 濕法冶金、 電化 學(xué)冶金以及高溫冶金等多元復(fù)雜 過程 ; 但和一次原礦產(chǎn)資源不同, 二次資源存在如下的特殊性 :(1 原料來源的不確定性 ;(2 資源的豐富性和多樣性 ; (3 組分的高度復(fù)雜性 ; (4 組元含量的高波動(dòng)性 ; (5 材料的高致密性和復(fù)合 性 ;(6 高的綜合回收利用價(jià)值。 正是這些特殊性, 導(dǎo)致現(xiàn)有 的常規(guī)選礦、 濕法冶金、 電化學(xué)冶 金以及高溫冶金等方法均無法滿 足處理此種物料所要求的經(jīng)濟(jì)性、 生態(tài)性、 高效性和

3、綜合性等方面 的基本要求。因此, 從二次資源的特殊性 方面著手, 有必要進(jìn)行二次資源 循環(huán)利用的應(yīng)用基礎(chǔ)研究, 構(gòu)建 有色金屬二次資源的生態(tài)分離和 轉(zhuǎn)化機(jī)制, 為開發(fā)出技術(shù)先進(jìn)、 經(jīng) 濟(jì)合理的二次資源循環(huán)利用工藝提供理論依據(jù), 實(shí)現(xiàn)二次資源循 環(huán)過程的生態(tài)性、 經(jīng)濟(jì)性、 高效性和綜合性。2. 有色金屬資源循環(huán)的目標(biāo)原則在 循 環(huán) 經(jīng) 濟(jì) “ 減 量 化、資 源 化、 再利用、 無害化” 原則的基礎(chǔ) 上, 實(shí)現(xiàn)有色金屬資源循環(huán)的總 體思路是 :以提高資源利用率為 核心目標(biāo), 以降低能耗、 原材料消 耗和減少 “三廢” 為任務(wù), 大力利 用再生資源, 以最少的能耗和材 料消耗獲得最好的經(jīng)濟(jì)效益和社

4、 會(huì)效益。 在二次資源的循環(huán)過程 中, 力求實(shí)現(xiàn)循環(huán)流程最短、 直接利用率最高、 能耗和物耗最少、 環(huán) 境負(fù)荷最低 ;就有色金屬資源循環(huán)利用而 言, 具體的目標(biāo)為 :(1 提高資源利用率 ; (2 充分利用國內(nèi)外有色金 屬再生資源, 大幅度增加再生資 源循環(huán)利用量, 以取得巨大的資 源效益、 經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益 ;(3 加 強(qiáng) 資 源 綜 合 利 用,提 高資源化率, 擴(kuò)大資源利用范圍 ;(4 節(jié)能降耗, 實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。 有色金屬資源循環(huán)的原則主 要有以下幾點(diǎn) :(1 資源輸入減量化 ; (2 資源高效化 ; (3 工藝清潔, 流程短 ; (4 環(huán)境材料開發(fā)利用。國外有色金屬開發(fā)與資源循環(huán)有色

5、金屬資源循環(huán)是有效解決有色金屬工業(yè)中資源短缺、耗能巨大、污染嚴(yán)重等 問題的有力措施,是促進(jìn)有色金屬工業(yè)健康發(fā)展和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的有 效途徑。2009年第9期 世界有色金屬23策3. 有色金屬資源循環(huán)的基本理論 有色金屬二次資源的循環(huán)利 用以物質(zhì)守恒定律為基礎(chǔ), 在資 源的回收分離方面則遵循基本的 物理化學(xué)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理。 (1 物質(zhì)守恒定律物質(zhì)守恒定律表明 :物質(zhì)既 不能憑空創(chuàng)造 (如生產(chǎn) , 也不能 任意消滅 (如消費(fèi) , 只是物質(zhì)形 態(tài)的轉(zhuǎn)變。 因此, 根據(jù)物質(zhì)守恒定 律, 一定時(shí)期內(nèi)輸入一個(gè)系統(tǒng)的物 質(zhì)量等于同時(shí)期該系統(tǒng)的存儲(chǔ)量 與輸出該系統(tǒng)的物質(zhì)量之和。 對 于社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)

6、來說, 自然環(huán)境 所提供的輸入物質(zhì) (input 進(jìn)入該 系統(tǒng), 經(jīng)過加工、 貿(mào)易、 使用、 回 收、 廢棄等過程, 一部分成為系統(tǒng) 內(nèi)的存儲(chǔ) (net accumulation , 其 余部分輸出物質(zhì) (output 返回自 然環(huán)境中去, 而整個(gè)過程中的輸 入量恒等于輸出量與存儲(chǔ)量之和, 即input=output+net accumulation, 計(jì)算公式可表示為 “輸入 =輸出 +累積 -釋放” 。同時(shí), 有色金屬無論經(jīng)歷多 少次生命周期, 其元素性質(zhì)穩(wěn)定, 不會(huì)因?yàn)槭褂枚l(fā)生衰變。 對于 二次資源, 只要經(jīng)過必要的物理 化學(xué)過程, 其所含的有色金屬元 素都可轉(zhuǎn)變?yōu)榧兾镔|(zhì)態(tài), 這是有

7、色金屬資源循環(huán)的前提和基礎(chǔ)。 (2 熱力學(xué)在實(shí)現(xiàn)有色金屬二次資源的 循環(huán)過程中, 有效分離和提取廢 棄物中的金屬物質(zhì)及非金屬物質(zhì) 是至關(guān)重要的一環(huán), 其中必然涉 及到物質(zhì)分選、 高溫?fù)]發(fā)、 化學(xué)溶 出和元素分離等一系列物理化學(xué) 過程, 如 :某一反應(yīng)在給定的條 件下能否自發(fā)向預(yù)期的方向進(jìn)行 ; 某反應(yīng)在理論上能夠達(dá)到何種程 度, 即分離提取過程的反應(yīng)率 (或 轉(zhuǎn)化率 能達(dá)到多少 ; 為促使某分 離反應(yīng)進(jìn)一步向有利的方向進(jìn)行, 從而提高反應(yīng)效率應(yīng)采取何種措施等等。作為有色金屬資源循環(huán)科學(xué)的重要理論基礎(chǔ), 熱力學(xué)三大定理等基本理論能夠?yàn)檫@些過程提供有力的理論支持, 即通過計(jì)算給定條件下反應(yīng)的吉布斯

8、自由能值, 根據(jù)其正值或負(fù)值的數(shù)值大小可判斷給定條件下該反應(yīng)能否自發(fā)地向預(yù)期方向進(jìn)行, 以及反應(yīng)發(fā)生的趨勢大小 ; 通過計(jì)算反應(yīng)的平衡常數(shù), 判斷反應(yīng)進(jìn)行的限度即反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的大小 ; 通過熱力學(xué)理論分析, 研究該反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變化值 和平衡常數(shù)的影響因素, 進(jìn)而開發(fā)出具體途徑和措施以促使反應(yīng)向有利的方向進(jìn)行, 進(jìn)一步提高分離效率,并為有色金屬資源循環(huán)過程中工藝的開發(fā)指明方向。(3 動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)理論為有色金屬資源循環(huán)中各個(gè)分離提取工藝的可行性和最大反應(yīng)限度提供了理論支持, 但它只解決了反應(yīng)的平衡問題, 而不能解釋反應(yīng)達(dá)到平衡所經(jīng) 歷 的 反 應(yīng) 歷 程 以 及 速 度 問 題。即使反應(yīng)發(fā)生

9、的趨勢很大, 還必須有足夠并且合適的效率, 因此要對影響反應(yīng)效率的各個(gè)因素進(jìn)行深入研究, 從中找出限制環(huán)節(jié),優(yōu)化工藝參數(shù), 提高或控制反應(yīng)過程的強(qiáng)度及生產(chǎn)率。 因此, 對于有色金屬資源循環(huán)而言, 動(dòng)力學(xué)理論具有極其重要的實(shí)際意義。微觀動(dòng)力學(xué)從分子理論微觀地研究了反應(yīng)的速度和機(jī)理, 宏觀動(dòng)力學(xué)則在有流體流動(dòng)、 傳質(zhì)及傳熱條件下研究反應(yīng)機(jī)理, 從而確定物理因素在反應(yīng)過程中的作用。 通過動(dòng)力學(xué)研究可以知道各種因素,如濃度、 壓力、 溫度和催化劑等如何影響有色金屬資源循環(huán)過程中各過程的反應(yīng)速率 ; 反應(yīng)實(shí)際進(jìn)行過程中要經(jīng)歷哪些步驟 ; 如何 控制反應(yīng)條件以提高反應(yīng)的速率 并增加產(chǎn)量 ; 如何抑制或減慢

10、副 反應(yīng)的速率以減少原料和能量消 耗, 減輕分離操作的負(fù)擔(dān)。另外, 通過反應(yīng)速度的定量 化研究, 動(dòng)力學(xué)理論還能為有色 金屬資源循環(huán)提供最佳的工業(yè)化 設(shè)計(jì)和控制, 為實(shí)際生產(chǎn)選擇最 適宜的操作條件。國外有色金屬資源循環(huán)現(xiàn)狀 及發(fā)展1. 日本日本是一個(gè)人多地少、 資源 匱乏、 能源短缺的島國。 它的工業(yè) 化和現(xiàn)代化是以沉重的環(huán)境破壞 為代價(jià)換來的, 在創(chuàng)造世界經(jīng)濟(jì) 發(fā)展奇跡的同時(shí), 日本曾經(jīng)被戴 上 “世界公害大國” 的帽子。 為擺 脫這一 “罪名” , 同時(shí)也是自身生 存和發(fā)展的需要, 日本政府被迫 較早地關(guān)注經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境 的關(guān)系, 探尋人與自然、 經(jīng)濟(jì)與社 會(huì)和諧發(fā)展的路徑。在這一進(jìn)程

11、中, 日本經(jīng)歷了 四個(gè)階段 :一是 20世紀(jì) 70年代面 對 “大量生產(chǎn)、 大量消費(fèi)、 大量廢 棄” 的社會(huì)經(jīng)濟(jì)模式所帶來的環(huán) 境污染和生態(tài)破壞, 日本主要采 取 “末端治理” 的環(huán)保方式 ; 二是 80年代以后, 提出了從生產(chǎn)和消 費(fèi)源頭防止環(huán)境污染的產(chǎn)生, 稱 之為 “管段預(yù)防” 方式 ; 三是 20世 紀(jì) 90年代以來, 在可持續(xù)發(fā)展的 理念指導(dǎo)下, 開始推動(dòng) “循環(huán)經(jīng)濟(jì)” 的發(fā)展, 在生產(chǎn)過程中減少資源 的消耗和廢棄物的排放, 重視廢 棄物的回收利用和再資源化, 認(rèn) 為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)將使日本環(huán)保產(chǎn) 業(yè)創(chuàng)造近 37億日元的產(chǎn)值, 提供 1400萬 個(gè) 就 業(yè) 機(jī) 會(huì)。 2000年,日 本政

12、府頒布 推進(jìn)形成循環(huán)型社會(huì) 基本法 , 從法制方面建設(shè)循環(huán)型世界有色金屬 2009年第9期 24策社會(huì)的行動(dòng)準(zhǔn)則 ; 四是 21世紀(jì)初,提出 “環(huán)境立國” 戰(zhàn)略, 即確立創(chuàng)建循環(huán)型社會(huì)的國家目標(biāo)。2. 德國在有色金屬資源循環(huán)利用方面, 德國始終走在世界前列。 早在1972年德國就制定和頒布了 廢棄物處理法 , 1986年修改為 廢棄物限制處理法 , 從以怎樣處理廢棄物轉(zhuǎn)向避免產(chǎn)生廢棄物為中心。 1996年頒布 循環(huán)經(jīng)濟(jì)和廢物管理法 , 確定產(chǎn)生廢棄物最小法、污染者承擔(dān)治理義務(wù)以及政府與 公民合作三原則。3. 美國美國于 1976年就制定和頒布 固體廢棄物處置法 。 美國加州 于 1989年通過

13、 綜合廢棄物管理 法 令 ,要 求 在 2000年 以 前, 50%廢棄物通過源消減和再循環(huán)的方 式進(jìn)行處理, 未達(dá)到要求的城市將 被處以每天 1萬美元的行政罰款。 2003年, 美國城鎮(zhèn)產(chǎn)生的廢棄物 為 5.5億噸, 回收利用達(dá)到 40%。 4. 其他國家在日本、 德國和美國對循環(huán) 經(jīng)濟(jì)立法的影響下, 歐盟和北美 國家相繼制定鼓勵(lì)二手產(chǎn)品回收、 綠色包裝等法律, 同時(shí)規(guī)定包裝 廢棄物的回收、 復(fù)用或再生的具 體目標(biāo)。 如歐盟實(shí)施的家用電器 回收方法, 規(guī)定商業(yè)界必須回收 90%的 廢 棄 電 冰 箱 及 洗 衣 機(jī),并 將此類大型電器用品的 60%用于 再生產(chǎn)利用。 在個(gè)人電腦方面, 其 回

14、收比例則按產(chǎn)品重量, 由原定 的 60%提 高 到 70%,再 生 率 也 由 50%提高到 60%。 此外, 法國政府 要求應(yīng)有 85%的包裝廢棄物循環(huán) 利用 ; 荷蘭政府規(guī)定廢棄物循環(huán) 利 用 率 應(yīng) 達(dá) 到 60%; 奧 地 利 法 規(guī) 要求 80%回收包裝材料必須進(jìn)行 再循環(huán)處理或再利用 ; 丹麥政府 規(guī)定所有廢棄物要由 50%進(jìn)行再 循環(huán)處理。綜上所述, 德、 日、 美及歐盟等工業(yè)發(fā)達(dá)國家將發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重點(diǎn)領(lǐng)域放在廢棄物的回收利用方面。 西方發(fā)達(dá)國家經(jīng)歷了 200多年的工業(yè)化發(fā)展, 在資源和能源的利用率方面達(dá)到相當(dāng)高的水平, 通過廢棄物的再資源化減少原生資源的消耗, 同時(shí)也減少廢棄

15、物的排放對生態(tài)環(huán)境的破壞。常見有色金屬資源循環(huán) 11. 從工業(yè)廢渣中循環(huán)利用有色金屬從錫爐渣中回收鉭、 鈮、 鎢,其具體實(shí)施步驟 :(1 焙燒及水浸 ;(2 脫硅及脫錫 ;(3 氫氟酸分解 ;(4 萃取分離鉭、 鈮及產(chǎn)品沉淀;(5 鎢的回收。從氧化鋁生產(chǎn)赤泥中綜合回收有色金屬。2. 含鋅煙塵循環(huán)利用有色金屬3. 廢舊電池循環(huán)利用有色金屬傳 統(tǒng) 的 廢 舊 電 池 處 理 方 法有 :(1 濕法冶金(2 火法冶金廢舊電池循環(huán)利用新技術(shù)與工藝 :(1 冶煉處理工藝(2 鋅錳廢電池制備鋅軟磁鐵氧體工藝(3 Ni-Cd 電池濕法處理新工 藝4. 有色金屬銅二次資源循環(huán)利用 (1 傳統(tǒng)領(lǐng)域 直接利用 就是對那些成分 明確的純廢料, 直接回爐配練成 某種牌號或與之相近的合金的利 用方法。 用黃銅屑凈化硫酸鋅溶液 脫銅 從黃銅渣中生產(chǎn)七水硫酸鋅 從氧化銅渣中生產(chǎn)硫酸銅 用廢雜銅生產(chǎn)電解銅 電爐熔煉黃雜銅新工藝 (2 新興領(lǐng)域 電子廢棄物 從汽車水箱中回收焊錫 5. 從含釩固體廢棄物中回收金屬釩 (1 從廢釩催化劑中回收釩 無添加劑焙燒弱堿浸 取法