台灣過濾與分離學會電子報2025年第6期

研究新知

◎電子廢棄物回收的過濾與分離技術

　　現代生活依賴科技運轉。無論是工作還是居家生活，幾乎每個人都離不開智慧型手機、電腦和平板等設備，這也推動了對這些「必需品」的需求。為了滿足需求，大量礦物與材料被開採，但當這些設備達到使用壽命時，往往被丟棄在垃圾掩埋場。與此同時，合成化學物質如全氟和多氟烷基物質（PFAS）——被廣泛應用於工業領域——也開始出現在廢水中，帶來環境挑戰。

　　全球的科學家與工程師正積極開發方法，從電子廢棄物（e-waste）與受汙染水源中回收並再利用材料，創造減少汙染的機會，同時滿足我們對資源的需求。

目前全球僅有138億公斤的電子廢棄物被正式回收，並以環保方式處理

更適用於產業的解決方案

　　目前的分離技術速度較慢且耗能，導致業界採用率低。然而，美國能源部下屬的太平洋西北國家實驗室（PNNL）研究人員已開發出一種更快速且成本更低的方法，可從多種來源（包括電子廢棄物）回收礦物。PNNL 研究團隊開發出一種方法，能夠透過常見化學物質，而非昂貴的離子液體或金屬有機框架（MOFs），來分離錳（Mn）、鎂（Mg）、鏑（Dy）和釹（Nd）等電子設備中的關鍵礦物。

　　去年 PNNL 研究人員Wang和Subban希望從廢棄 NdFeB 磁鐵和天然礦物源中選擇性萃取稀土元素，他們使用層流共流法（LCM）以磷酸二丁酯鈉（NaDBP）為選擇性沉澱的反應物，從 Nd/DyCl3 混合水溶液中分離出兩種必需稀土元素釹和鏑，從 50:50 和 30:70 比例的 Nd:Dy 起始混合物中可以得到接近 Dy 純（99.9%）的沉澱物。兩種分離且純化的固體在反應室中僅需 4 小時即可形成，而傳統分離方法通常需要 30 小時。

流動驅動增強釹和鏑從水溶液中的分離

　　Wang和Nakouzi利用反應-擴散耦合促進從電池廢料溶液中回收錳，他們使用凝膠介質來聚集反應物，將溶液放置在裝有沉澱劑（即氫氧化鈉）的水凝膠頂部，隨著鋰、錳、鈷和鎳離子擴散到凝膠中，沿著反應器的長度形成了沉澱物梯度。元素分析顯示，鎳在凝膠-溶液界面附近聚集，隨後在反應器進一步形成幾乎純淨（> 96％）的錳產品。最佳化實驗顯示，氫氧化鈉濃度為10 mM、凝膠/溶液體積比為2:1有利於有效分離。

反應-擴散耦合促進電池原料溶液中金屬離子的逐次沉澱

非平衡傳輸驅動分離技術

　　上述研究屬於 PNNL 更廣泛的「非平衡傳輸驅動分離技術」（Non-Equilibrium Transport Driven Separations, NETS）計畫的一部分，該計畫致力於開發與評估新一代分離技術，以提供關鍵礦物和稀土元素的供應鏈。未來希望這種方法能夠廣泛應用於從複雜進料流和多種化學物質中進行化學分離，例如，它們可以用來從磁鐵、電池、硬碟、海水或石油工業產生的水中回收鎂從而實現更永續的材料提取和加工。目前，這項研究的技術成熟度等級（TRL）處於 3 至 4 級，表示已經完成概念驗證並進行了示範試驗，但仍需進一步放大試驗，以確保分離效果。

流動凝膠法從海水中快速提取純鎂相沉澱的分離方法示意圖。（a）沉澱劑（A）和原料（M）溶液的批量混合，（b）沉澱色譜法和（c）層流共流分離，（d）液-液界面處的陡峭濃度梯度，（e）提出的流動凝膠法快速分離

過濾「永久化學物質」

　　澳洲昆士蘭大學（University of Queensland, UQ）的研究人員Cheng Zhang開發出一種創新技術，不僅能從水中去除俗稱「永久化學物質」的全氟與多氟烷基物質（PFAS），還能將其重新利用於再生電池。研究人員設計了新型磁性氟化聚合物吸附劑（polymer@IONPs），以有效捕獲 PFAS 並快速磁回收吸附材料。與市售的活性碳和離子交換樹脂相比，新型吸附劑具有更優異的 PFAS 去除效率。六氟環氧丙烷二聚酸（GenX）銨鹽的去除在30秒內達到99%以上，根據Langmuir模型估算的吸附容量為219 mg g-1。透過四個循環中 GenX 的反覆吸附和脫附，證實了磁性聚合物吸附劑的穩健且高效的再生。在兩種真實的汙染水中，以環境相關濃度 (1 ppb) 對多種 PFAS 進行吸附，結果顯示，對於本研究中測試的大多數 PFAS，去除率均超過 95%。

　　該過濾系統已在實驗室成功測試，目前研究團隊正於布里斯本市政府管理的一處垃圾掩埋場進行試點測試。計畫的第二年將擴大測試範圍，包括與水資源管理公司 GHD、專案管理公司 OCTA 及昆士蘭州環境、科學與創新部門合作，在 Luggage Point 汙水處理廠 設立額外的試點場地。此外，研究團隊也與美國化工公司 Chemours 合作，該公司希望透過這項技術去除廢水中的 PFAS，目前正攜手建立試點測試場地。如果一切順利，希望能在三年內商業化。

　　氟元素在電池性能中發揮關鍵作用，因其能增強電解液與電極之間的穩定性，提高循環壽命，並有助於提升電池容量。研究還發現，在電化學反應條件下，PFAS 會降解。因此，研究團隊決定開發電池，希望回收捕捉到的 PFAS，並將這些廢棄物轉化為有用的產品，改善電池性能，但仍需進一步研究 PFAS 的降解機制及其對電池的影響。

使用磁性氟化聚合物吸附劑有效去除汙染水源中的全氟化學物質

　　儘管上述研究尚處於發展初期，美國 PNNL 和澳洲 UQ 的研究計畫已展現出巨大的潛力，能夠減少廢棄物、降低環境汙染，並創造有價值的資源。隨著這些技術逐步邁向商業化，它們代表著過濾與分離技術在電子廢棄物回收與再利用過程中扮演非常重要的角色。

資料來源：

1、 Keri Allan, A new lease of life, Filtration+Separation, 62(1), 18-21, 2025.
2、 Q. Wang, C.V. Subban, RSC Sustainability, 2, 1400-1407, 2024. https://doi.org/10.1039/D3SU00403A
3、 Q. Wang, E. Nakouzi, Environmental Science & Technology Letters, 10(12), 1188-1194, 2023. https://doi.org/10.1021/acs.estlett.3c00754
4、 P. Butreddy, A. Ritchhart, Q. Wang, H. Job, M.L. Sushko, J. Chun, E. Nakouzi, Chemical Communications, 60, 13718-13721, 2024. https://doi.org/10.1039/D4CC04711G
5、 X. Tan, P. Dewapriya, P. Prasad, Y. Chang, X. Huang, Y. Wang, X. Gong, T.E. Hopkins, C. Fu, K.V. Thomas, H. Peng, A.K. Whittaker, C. Zhang, Angewandte Chemie International Edition, 61(49), e202213071, 2022. https://doi.org/10.1002/anie.202213071

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