一种有机酸-铵盐体系，用于高效去除Sn-Pb焊料并将电子元件从废弃印刷电路板中分离出来

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：An Organic Acid-Ammonium Salt System for Efficient Desoldering of Sn-Pb Solder and Separation of Electronic Components from Waste Printed Circuit Boards

电子废弃物中印刷电路板（WPCB）的锡铅焊料高效温和分离方法，采用有机酸-铵盐体系（125g/L柠檬酸、50g/L酒石酸、30g/L氯化铵、0.6mol/L过氧化氢、85℃）在90分钟内实现电子组件完全剥离，锡铅回收率分别达97.30%和97.03%，150分钟时效率进一步提升至98.77%和99.02%，六次循环后组件剥离效率仍超90%，且WPCB基板印刷层保持完好。该体系无强酸强碱使用，安全性高，适用于消费电子类WPCB资源回收。

　　

彭赛辉|张海琳|张忠义|方旭辉|黄青|袁文毅

上海工程技术大学资源与环境工程学院，中国上海金海路2360号，201209

摘要

从废弃印刷电路板（WPCBs）中高效分离电子元件（ECs）对于资源回收至关重要，然而在不使用强酸或强碱的情况下实现温和的脱焊仍然是一个关键挑战。本研究提出了一种针对小型、低功耗消费电子WPCBs的有机酸-铵盐系统，该系统能够有效浸出Sn-Pb焊料并从中分离出电子元件。通过单因素实验和正交实验优化了焊料浸出过程，最终确定最佳参数为：柠檬酸（125 g/L）、酒石酸（50 g/L）、NH?Cl（30 g/L）、H?O?（0.6 mol/L）以及反应温度85°C。在这些条件下，反应进行90分钟后，电子元件被完全分离，Sn和Pb的浸出效率分别达到97.30%和97.03%。将反应时间延长至150分钟后，Sn和Pb的浸出效率分别提高到98.77%和99.02%，表明焊料几乎完全溶解。值得注意的是，重复使用实验表明，经过六个连续循环后，电子元件的分离效率仍保持在90%以上。更重要的是，后处理分析证实WPCB基材表面的印刷字符和油墨层保持完好无损。通过避免使用强酸和强碱，该系统实现了更安全、更温和且腐蚀性更低的脱焊过程，从而展示了其作为WPCBs脱焊替代策略的潜力。

引言

随着全球集成电路产业的快速发展，电子产品的快速淘汰导致了电子废物（e-waste）产量的急剧增加[1]、[2]。技术创新和市场更替动态缩短了产品寿命，进一步加剧了全球废物管理基础设施的压力。电子废物中含有大量有害物质，主要是集中在废弃印刷电路板（WPCBs）中的有毒重金属（如汞、镉、铅）[3]。这些金属具有高生物累积性和环境持久性，对人类健康和生态稳定性构成重大威胁[3]。不当处理WPCBs会导致重金属渗出，污染土壤和地下水，破坏食物链，并造成长期的环境退化。根据《2024年全球电子废物监测报告》，2022年全球产生的电子废物约为6200万吨[4]，联合国大学（UNU）预测到2030年这一数字将增加到7470万吨[5]，年复合增长率超过了传统废物流的增长速度。WPCBs占电子废物总量的4-7%[6]，其中含有30%的聚合物、30%的难熔材料和40%的金属[7]，尤其是铜（Cu）、铁（Fe）、铝（Al）、锡（Sn）、铅（Pb）等贵重金属的含量甚至比原生矿石高出一个数量级[7]。此外，微量稀土元素进一步提升了它们作为“城市矿产资源”的战略价值[8]、[9]、[10]。因此，从WPCBs中高效分离和回收金属具有多重益处：通过资源循环利用实现经济效益、保护自然资源（如木材、水、矿产）、减少不当处置造成的污染，并促进回收产业的发展[11]，这些都对推进电子行业的循环经济框架至关重要。

当电子产品被丢弃时，安装在WPCBs上的特定电子元件可以通过非破坏性拆卸进行回收再利用，其中许多元件含有高价值的稀有和贵金属[12]。例如，钽电容器含有30-40%的钽；多层陶瓷电容器（MLCCs）富含钯（Pd）；内存芯片中则富含金（Au）[13]。未经预处理的WPCBs直接处置不仅浪费资源，还会将焊料中的Sn和Pb释放到环境中，造成严重的生态风险。因此，在处置WPCBs之前先进行电子元件的脱焊至关重要[14]。

目前的WPCBs脱焊技术主要包括机械处理、热处理和湿法冶金[15]。机械处理通过研磨焊点来分离电子元件；虽然操作简单且对环境影响小，但适用于单面或表面贴装WPCBs时效果不佳，且可能损坏基材，并在研磨过程中损失贵金属[16]。热处理通过加热（如熔融浴、红外线或热空气）来熔化焊料以分离电子元件。尽管效率高且速度快，但设备成本高、热效率低、电子元件容易受损，并会产生有毒气体（如二噁英）[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。湿法冶金焊料浸出技术最近成为研究热点，主要使用强酸或强碱体系。与热处理方法相比，该方法具有更好的环境兼容性、能源效率、回收率和操作安全性[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。例如，张等人使用2.5 mol/L氟硼酸和0.4 mol/L H?O?在35分钟内实现了完全脱焊[29]；Soni等人使用HBF?（2.5 mol/L）、H?O?（0.4 mol/L）和HNO?（3.0%）在40分钟内完全分离了电子元件，同时保持了WPCB表面的标记不变色[30]；Moosakazemi等人使用HCl浸出焊料，并利用回收的铝散热器沉淀出97%的Sn和94.9%的Pb[31]；张等人通过碱性电化学浸出（3 mol/L NaOH、300 A/m2电流密度、>8°C）在120分钟后实现了Sn和Pb的100%提取[32]。

然而，尽管强酸或强碱体系具有较高的浸出效率，但它们也存在显著局限性：WPCB基材（如环氧树脂）严重降解、电子元件受损严重、反应器腐蚀加速，以及产生有毒挥发性气体（如浓HCl产生的Cl?）和需要复杂后处理的危险废水。为此，最近的研究转向使用有机酸来浸出电子废物中的Sn和Pb，这些方法具有环境安全性高、生物降解性强、降低金属设备腐蚀性和反应条件温和等优点。例如，李等人开发了一种超声辅助的柠檬酸-抗坏血酸体系，实现了89.03%的Sn浸出效率（0.80 mol/L柠檬酸、0.20 mol/L抗坏血酸、96 W超声功率）[33]；Click等人使用醋酸-H?O?体系快速溶解了报废太阳能模块中的Pb[34]。这些进展表明，有机酸介导的焊料浸出是可持续电子废物回收领域的一个重要方向。

柠檬酸和酒石酸作为天然存在的有机羧酸，具有优异的环境友好性，已成为电子废物回收和工业冶金中传统无机浸出剂的 promising 替代品。它们的低毒性、高生物降解性和通过与金属形成稳定螯合物的能力（通过羧基和羟基官能团）能够选择性地溶解目标金属，同时最小化基材损伤，这对于资源回收至关重要。例如，一种由氟化钙、酒石酸和柠檬酸组成的协同体系从石英矿石中实现了95%的铝去除，利用了有机酸的螯合能力和氟化物促进的矿物溶解[35]、[36]。

本研究系统地研究了一种用于WPCBs脱焊的有机酸-铵盐体系。该新型体系在浸出Sn和Pb方面表现出优异的效果，同时将对WPCB基材和电子元件的损伤降到最低。与传统方法（如热风脱焊、无机酸浸出）相比，该体系具有更好的环境友好性、操作安全性和低生态毒性。通过高效去除焊料的同时保留有价值的电子元件和无铅焊盘，这种方法支持电子废物管理中的循环经济实践，并为开发更温和、更安全的脱焊技术提供了技术基础，符合全球应对资源枯竭和电子废物相关污染的努力。

材料与试剂

WPCB样品来自中国嘉秦电子有限公司生产的Type-C充电模块（型号：Black 4.2V单充电单元）。在实验处理之前，WPCB样品经过标准化预处理，包括在25°C的去离子水中进行10分钟的超声清洗，有效去除了表面污染物（如灰尘、残留的助焊剂），而不会损坏基材

CA和TA浓度对浸出效率的影响

图3a和图3b分别展示了在50°C下反应120分钟时，CA和TA浓度对Sn-Pb焊料浸出效率的影响。图3a显示，在没有CA的情况下，Sn和Pb的浸出效率很低。随着CA浓度的增加（0-100 g/L），Sn和Pb的浸出效率显著提高。然而，当浓度进一步增加到100-200 g/L时，浸出效率略有提升后趋于平稳

结论

本研究成功开发了一种新型高效的有机酸-铵盐体系，用于从小型、低功耗消费电子PCBs中脱焊Sn-Pb焊料，为传统脱焊方法提供了一种可行的替代方案。该体系能够在不使用强酸或强碱的情况下高效浸出Sn-Pb焊料并有效分离电子元件，有助于实现可持续的电子废物管理目标。

CRediT作者贡献声明

袁文毅：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。黄青：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。张海琳：项目管理，数据管理。彭赛辉：撰写 – 初稿撰写，正式分析，数据管理。方旭辉：撰写 – 审稿与编辑。张忠义：项目管理，数据管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（22576131）、上海市自然科学基金（24ZR1425300）和浦东民生计划（PKJ2025-C03）的财政支持。