信息科技产业发展带来了大量新兴的电子产品，但同时也伴随着电子废物的产生。近年来液晶显示器（LCD）及锂电池等新型电子废物的回收管理和资源化成了新的问题。本文针对LCD和锂电池的资源环境现状，简要阐述了互联网和大数据时代下新型电子废物的回收管理趋势和资源化处理技术，指出绿色设计与制造是今后电子废物资源化处理处置的发展方向。
新型电子废物的发展
LCD自问世以来，以其在显像、节能和便携等方面的优势而迅速成为市场热点，并逐渐取代传统的阴极射线管，广泛应用于电脑、电视、手机、数码相机、仪器仪表等各类设备，成为显示器市场的主导产品。
2013年全球大尺寸（9寸以上）薄膜晶体管液晶面板（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，TFT-LCD）总出货量达到6.97亿片，2015年达8.52亿片。中国自20世纪90年代末介入LCD产业以来，已成为全球最大的LCD销售区。根据市场调研机构DIGITIMES Research预估，2016年中国大陆大尺寸TFT-LCD液晶面板产能可能占全球产能比重达21%，中小尺寸TFT-LCD面板产能市占率预计可达35.7%，TFT-LCD液晶面板整体产能占全球比重可能将由2011年的6.5%迅速增加至2016年的23.7%。
锂电池作为新型的绿色电池，具有工作电压高、比能量大、体积小、质量轻、循环寿命长和安全性能好等优点，已作为各种电子电器产品的动力源，广泛应用于移动电话、笔记本电脑、数码产品、医疗器械等领域。近年来，受电动汽车、电动自行车中储能和动力电池需求的需求驱动，锂电池产业正快速发展。
目前，中国、韩国和日本的锂离子电池产量约占全球产量的95%。2011—2015年，我国锂电池的全球市场份额从33%上升到48%，是全球最主要的锂电池生产、消费和出口国。中国产业信息网数据显示，2012年中国锂电池累计总产量达41亿只，占全球产量的2/3以上，2015年的产量更是突破了56亿只。信息技术研究院公司（Institute of Information Technology, Ltd., IIT）的统计数据显示，2005—2013年，全球锂电池总需求量从8.2GWh增长到36.0GWh，市场规模由56亿美元增长到141亿美元，预计2022年全球锂电池总需求量和市场规模将分别达到125.4GWh和422亿美元。2011—2016年全球锂离子电池及原材料需求如表1所示。
表1 2011—2016年全球锂离子电池及原材料需求
新型电子废物的资源环境问题
LCD和锂电池均为电子消耗品，其使用周期随着产品换代速度的加快而逐渐缩短。如果电脑使用寿命按4—5年，手机按2—3年，液晶电视按8—10年计算，LCD的平均使用寿命为3—5年。锂电池使用寿命则更短，为2—3年。在我国，数量庞大的LCD和锂电池已经或即将进入报废期，但是这些电子废物依旧具有资源化利用的价值，如何对其进行回收处理已成为社会亟待解决的问题。
一是废LCD和废锂电池的环境风险。LCD和锂电池中含有汞、铟、镉、钴、液晶、砷、多溴联苯、多溴联苯醚和有机电解质等多种有毒、有害物质，如处置不当易造成环境污染，进而威胁人类健康。如汞在自然水体中易迁移，经甲基化后具有较强的亲脂性而容易被生物蓄积，通过食物链进入人体后会引起神经系统、肝、肾等部位发生病变；镉会透过土壤渗入地下水，可通过消化道进入人体，对肾脏具有急性和慢性毒性；一些液晶化合物具有毒性、腐蚀性和潜在的细菌诱变性；电解质锂盐及添加剂对皮肤、呼吸道和眼角膜等有一定程度的损害作用等。
二是废LCD和废锂电池的资源利用价值。LCD和锂电池含有铟、钴、锂、锡、铜、锌等有价金属及塑料、玻璃基板和石墨等材料，均具有显著的资源化利用价值。一般来说，一块液晶显示器玻璃基板中铟的含量高于0.03%，普遍认为，原料中铟的含量大于0.002%时就有回收价值，铟由于其资源的稀缺性，具有极大的回收价值。对锂电池来说，三元电池中锂的平均含量为1.9%、镍12.1%、钴2.3%；此外，铜部分、铝部分等占比也达到了13.3%和12.7%。已有一些学者研发出钴、锂、铜、铝等金属的有效分离回收方法，但因电池组分复杂，在目标物质分离回收的过程中，往往造成其他有价物难以分离回收或对环境造成潜在危害。
因此，根据LCD和锂电池结构特点与组成材料性质，采用科学有效的方法对废LCD和锂电池进行精准拆解分离，对其中有害成分进行分类处理，对有价组分进行资源化利用，不仅具有环境效益，同时具有显著的社会经济效益。
新型电子废物的回收管理现状、问题及趋势
2009年6月至2011年底，国家出台了家电 “以旧换新”政策，初步建立了由生产企业、销售商、正规拆解企业构成的废家电回收处理体系，促进了电子废物的集中处理。2012年7月以来，环保部实施《废旧电器电子产品处理基金征收使用管理办法》，以 “四机一脑”5种家电为代表组织实施生产者延伸责任制度，使得废弃电器电子产品的处理有法可循，推动了废旧家电拆解规范化进程。
国家的政策制度培育了一批具备废旧家电拆解回收能力的企业，也引导出现了家电回收的系统或网络，现已有109家企业被纳入环境保护部废弃电器电子产品处理信息系统。以伟翔环保科技发展（上海）有限公司为例，2011年该公司“以物易物”模式的电子废物回收平台“鸡毛城”上线。2012—2014年，以物易物的回收模式配合着环保教育进入学校、社区。2014—2015年，该公司以微信和400电话为纽带，以代理门店和物流车辆为载体实现电子废物的线上到线下（Online to Offline）回收，真正实现了门到门的服务。目前，该企业以电子派单系统为核心，以微信平台、APP、400电话共同构建信息流，以实体代理门店、社区环保志愿者、学校、公益团体、物流车辆共同构建逆向物流体系，以现金支付、以物易物等多种支付手段共同构建资金流，构建了一个较为系统、有效的社区电子废物回收体系。2014年，联合国开发计划署和百度启动战略合作，共建大数据联合实验室，并发布了 “百度回收站” 这一电子垃圾绿色回收平台。2015年，“百度回收站2.0” 发布，将使用地域由北京、天津扩展到众多一线、二线城市，回收的电子垃圾种类也扩展到16种，引入了大量的客户资源。结合移动互联网和大数据的优势，我国电子垃圾的新型绿色回收渠道也逐步建立起来。
目前虽已出现了一批具备废旧家电拆解回收能力的企业以及“鸡毛城”、“淘绿”和“再生活”等“互联网+回收”项目，但这些企业的活动范围主要集中在一、二线城市，对于其他三四线城市及广大的农村地区涉及甚少。在三四线城市和农村地区，由于缺乏合适的回收渠道，仍存在早期电子垃圾流动回收形成的利益链，而未能使大量电子废物进入正规的回收管理系统。
不同电子废物在使用寿命和组成成分上差异很大，这也给电子废物的回收及资源化利用带来了困难。日本针对汽车、家用电器及小型家电分别制定了相关的回收利用法，明确了不同电子电器产品回收的具体规定以及回收管理过程中的各方责任。我国近年施行的《废弃电器电子产品回收处理管理条例》将14种电子产品纳入处理目录，包括“四机一脑”、油烟机等厨卫用具、打印机等办公用品、监视器、手持机及电话等，但到目前为止，《废弃电器电子产品处理基金征收使用管理办法》中纳入管理的仅局限于 “四机一脑”，还未有针对特定电子废物回收的相关法律。
此外，电子废物回收管理系统的复杂性还包括电子电器的性能安全和信息安全问题。以锂电池为例，一个封闭的锂电池体系存在潜在的危险，这与材料的热稳定性有关；当电池体系发生破坏时，其中易燃的电解液与氧气接触，有发生燃烧甚至爆炸的危险。市面上手机和电脑回收过程中，还存在信息安全问题。
一个完善的回收管理体系应当兼顾电子电器产品流通中各个环节的各方利益，充分考虑信息流、物流、经济条件、科技水平和文化水平等多个要素。互联网快速发展和大数据时代的背景，为电子废物的回收管理提供了有力的工具，开辟了电子废物回收新的途径。
根据产品的流通过程，将从产品生产、销售、使用及维护网点体系着手，借助互联网和大数据分析，建立废锂电池和废LCD回收的信息平台、商业模式和物流仓储系统，实现电子废物高效回收的技术突破。但光靠市场的自我调节机制，短期内还难以构建起一个全面规范化的电子废物回收体系， 应遵循“政府为主导、企业为主体”的模式，以各级政府为主导，企业协助开展相关的组织管理工作，加快立法，明确电子电器产品流动中有关各方的主体责任；政策上约束非正规拆解途径的发展，扶持具备合格回收拆解资质的企业，才能全面推进电子废物的有效回收，促进后续资源化利用，使之产生重要的商业价值、环境和社会效益。
新型电子废物资源化处理的技术发展
基于锂电池全生命周期的绿色设计与制造。近两年，汽车动力电池的梯级利用成为一个热门话题。当动力电池的容量低于额定容量的80%时，就不能作为动力电池继续使用，但作为储能系统仍具有较大的使用价值，可用作相关的供电基站及家庭备用电源等领域。在电池的梯级利用中，核心问题在于筛选后的配对重新成组。由于退运电池的一致性差异很大，其中一些电池性能上已丧失梯级利用的价值，而筛选的成本又过高。
梯级利用之所以在实际操作层面上受阻碍，主要原因是电池在设计时就没有考虑后续的梯级利用，加上不同电池的规格要求不同、型号众多，加大了梯级利用的难度。作为锂电池的制造厂商，锂电池设计制造时就考虑其报废回收后的逆向拆解、检测、修复和再利用问题，并开发相应的工艺技术，是锂电池研发、服务和资源化利用的最佳途径。
图1 废锂电池的资源化回收
规模化废锂电池回收处理工艺与设备。废锂电池中高价金属的回收及部分材料或零部件的修复是实现其高价值资源化的有效途径（如图1所示）。目前的资源化途径仍以实验室研究为主，将研究成果产业化是其必然的发展趋势。同时，相应的标准体系建设与工程示范也是工艺技术与产业化生产获得商业价值先机和引领的关键。
安全、先进的成套分离技术与装备是废锂电池拆解产业化、深度分离和高值利用的前提。目前，已有研究通过物理、化学和生物方法对锂电池正、负极材料中的铝、钴、锂、铜等有价金属进行了有效的分离回收。松田光明等通过机械分离浮选法分离电极材料粉末中的钴酸锂和石墨，回收的钴和锂含量高于93%，回收率为92%。贺文智等基于废锂离子电池负极组成材料碳粉和铜的物料特性，采用机械破碎、振动筛分与气流分选组合工艺，实现了铜与碳粉的有效分离回收，铜的回收率达92.3%，品位达84.4%。在酸碱浸出后，也可利用萃取法对钴、锂、铜等有价金属进行分离回收。
现有研究主要集中在经济价值较高的金属成分，对石墨电极的关注相对较少。同济大学的研究团队针对废旧锂离子电池负极组成材料的性质以及石墨电极的结构，探究了废旧锂离子电池碳材料的高质化利用制备石墨烯的可行性。研究采用了Hummers法氧化废石墨电极粉末，制得氧化石墨，再用超声处理分散在NaOH溶液中的氧化石墨，经离心得到稳定的氧化石墨烯悬浮液，用水合肼为还原剂将其在高温下还原，再经真空抽滤、烘干制备石墨烯。
此外，从钴酸锂在锂电池产业中的循环利用来看，当其失效后，采用超声修复再生，可以提高废锂电池贵重组分的资源化处理效率。研究对失效钴酸锂表面的聚偏氟乙烯（PVDF）和碳酸乙烯酯（EC）进行超声强化下水热氧化去除，将修复后的钴酸锂材料制备成扣式电池进行电化学充放电实验时，电池首次充放电容量分别为135.8mAh/g和135.6mAh/g，循环效率达99.8%，经过50次循环放电后放电容量仍能达到134.5 mAh/g，呈现良好的循环性能，其电化学性能可达商用电池对钴酸锂材料的要求。
LCD组成复杂，结构上主要由液晶显示面板、塑料外壳、薄膜集和背光灯模块等4个部分组成。拆解分离后的四个部分都具有相应的处置方法，如图2所示。
图2 废LCD面板的资源化处置
一是拆解工艺与装备。将废LCD外壳、薄膜集、液晶显示面板和背光灯模块拆分开来，对薄膜集、液晶显示面板和塑料外壳等高价值部件、高品质材料进行拆除分类，以简化后续材料分离再生过程，对含汞背光灯、电容等危害性零部件进行专门的无害化处理，保证各组分及其所含元器件的安全、精准且高效的拆解分离。在此基础上，开展拆解后电子元器件性能的分析检测研究，形成相关的技术流程、测试标准和操作规范，实现可用电子元器件的拣选回用。
二是液晶显示面板的无害化和资源化。LCD的塑料外壳及薄膜集主要为高分子有机物，成分比较单一，可将其集中分类后回收利用。背光灯包括荧光管和印刷线路板两部分，其中印刷线路板的资源化处理技术较为成熟，可通过化学处理法、热解法、生物法及超临界流体回收法等多种技术实现有价值组分的回收利用。需要注意的是，荧光管中含有金属汞，因此操作中应做好防范措施，避免引起汞泄露和汞污染。
液晶显示面板是LCD的核心组件，主要由封有液晶的2块玻璃基板及基板外侧的偏光片构成，其中的有机材料——液晶及偏光片的去除是实现其无害化及资源化的前提和基础。目前，关于液晶及偏光片的分离与去除主要包括热析出法、超声清洗法及有机溶剂浸取法。分离得到的偏光片由于含有聚乙烯醇（PVA）和三醋酸纤维素等高分子有机化合物，具有较好资的源化价值。关注较多的是通过水热技术实现有机物以降解为主的热解、水解和溶解及氧化反应产生有机酸，包括乙酸、乳酸等。
玻璃基板及玻璃基板上刻蚀的铟锡氧化膜也具有较好的资源化利用价值。对脱除偏光片有机物的显示器玻璃板进行金属铟的浸提，可实现贵金属铟的分离回收。主要方法包括沉淀法、电解法、萃取法、真空碳还原法及氯化挥发法等。浸提金属铟后的显示器玻璃可作为基础材料，用于制造水泥混凝土、玻璃陶瓷等，由此逐步实现液晶显示面板各部分的资源化利用。
被称为“城市矿山”的电子废物，拥有资源和环境危害的双重属性。随着信息科技的进步，新兴电子产品不断涌现，随之而来的数量庞大的新型电子废物既给社会发展带来新的挑战，也为促进废物资源化利用提供了良好机遇。与此同时，电子废物管理和资源化技术也在不断进步，互联网的发展和大数据技术为电子废物的回收管理提供了新的思路。技术的进步是实现废物资源化利用的根本方式。从源头上进行控制，对产品进行绿色设计与制造以实现物质循环，是电子废物资源化必由之路。
（作者王璐琰、朱云杰、贺文智来自同济大学环境科学与工程学院；作者李光明系同济大学环境科学与工程学院教授）
