《Process Safety and Environmental Protection》：Integrated experimental and life cycle assessment of hydrometallurgical WPCB recycling: Environmental trade-offs, pollution transfer, and pathways toward circular processing
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摘要本研究结合实验研究与生命周期评估（LCA），在综合污染防控框架下，评估了从废弃印刷电路板（WPCB）中湿法冶金回收铜和金的环境绩效。表征结果显示铜含量为20.8%，金含量为0.015%，浸出过程实现了92%的铜回收率和87%的金回收率。对每吨废弃印刷电路板评估了五种情景的
摘要
本研究结合实验研究与生命周期评估（LCA），在综合污染防控框架下，评估了从废弃印刷电路板（WPCB）中湿法冶金回收铜和金的环境绩效。表征结果显示铜含量为20.8%，金含量为0.015%，浸出过程实现了92%的铜回收率和87%的金回收率。对每吨废弃印刷电路板评估了五种情景的环境绩效：基线情景（S1）、资源精简优化情景（S2）、高强度处理情景（S3）、含80%酸回收和水/溶剂再用的循环处理情景（S4），以及使用风电的绿色技术情景（S5）。与S1相比，S2将环境影响降低了4–24%，而S3使环境影响增加了17–29%。S4实现了27–33%的降低，而S5带来了最大的改善（42–69%），其中包括全球变暖潜势（GWP）降低41.9%。贡献分析揭示了一种污染转移效应，危险废物焚烧仍然是主要的热点，贡献了S1全球变暖潜势的43.7%，而在S5中则上升至75.1%（随着上游负担的降低）。这表明仅靠上游优化只能转移而非消除环境负担。避免负担分析表明，回收的金属使初级生产避免了3,785?kg CO? eq，但仅S5实现了净环境收益（1,175?kg CO? eq/吨WPCB）。研究结果强调，残渣增值化和综合废物管理是降低WPCB回收环境影响的关键途径。
引言
全球电子产业的快速增长加速了电子废弃物的产生，2022年达到6200万公吨，预计到2030年将超过8200万公吨（Baldé等，2024年）。在这一废弃物流中，废弃印刷电路板（WPCB）是资源密集型最高的组成部分之一，其含有高浓度的有价值金属，包括铜（15–25?wt.%）和金（120–500 ppm），其品位常常超过原生地质矿石的品位（Schwartz等，2024年）。这使得WPCB成为金属回收的关键二次资源或"城市矿产"。然而，WPCB也含有铅、镉、汞和卤化阻燃剂等有害成分，当管理不当时，这些成分可能通过金属浸出、二噁英形成和持久性有机污染物释放产生重大的环境和健康风险（Yang等，2026年；Cai等，2025年；Li等，2015年；Hu等，2011年）。因此，可持续的WPCB管理不仅需要高效的金属回收，还需要有效控制有害物质和工艺相关排放。与原生采矿相比，二次冶金回收提供了减少资源消耗、降低碳排放强度以及减轻对原生金属生产的政治地理依赖的机会（Wu等，2025年）。
湿法冶金加工因其更低的能耗、更高的选择性和操作灵活性而日益受到关注，被视为传统火法的替代方案（Schwartz等，2024年）。然而，这些系统通常依赖高强度的化学投入，包括硫酸、过氧化氢、硝酸和盐酸，由此带来与试剂消耗、腐蚀性化学品处理、中和要求以及有害残渣产生相关的环境和工艺安全挑战（Do-Minh-Huy等，2023年）。这些挑战在回收效率和环境绩效之间引入了固有的权衡。减少试剂消耗可以降低化学负担，但可能损害浸出效率和金属回收率（Hao等，2022年），而增加热或化学强度可以改善提取动力学，同时增加能耗和下游环境影响（León等，2025年）。同样，高浓度酸系统可以增强金属溶解，但可能增加化学品依赖性和残渣管理需求（Yang等，2026年；Yao等，2025年）。因此，湿法冶金优化呈现出一个基本的试剂强度和有害残渣悖论，即回收绩效的改善可能只是转移而非消除环境负担（Binnemans & Jones 2023）。
在废物管理中，污染转移是指某种处理方法在降低一种环境负担的同时，将影响转移到另一种介质中，例如从水转移到空气中，或从固体废物转移到气态排放（Qian等，2024年）。这一现象在回收评估中往往被忽视，因为评估往往侧重于直接的资源回收效益，而未考虑下游残渣后果。近期研究表明，通过闭环物料循环的增值化策略可以减轻污染转移。例如，Meng等（2025年）表明，铁矿尾矿可以转化为有价值的胶凝材料，有效防止了填埋及相关的污染转移。同样，工业废物流的闭环资源回收已被证明可以在回收有价值材料的同时减少环境负担（Tang等，2026年）。
循环处理策略，包括酸回收、溶剂回收和水回用，提供了减少资源消耗和废物产生的潜在途径。然而，在WPCB湿法冶金回收系统中，这些策略对能源脱碳策略的综合影响尚未得到系统量化。这些交互作用凸显了对能够平衡资源效率、回收绩效、环境影响和工艺安全考虑的综合评估方法的迫切需求。
生命周期评估（LCA）提供了一个标准化框架，通过量化整个回收系统的环境影响来评估这些复杂的交互作用，从WPCB加工到最终废物管理（Schwartz等，2024年）。重要的是，LCA还能捕获与二次金属生产相关的避免负担，从而深入了解与原生开采路线相比回收的净环境效益（Beylot等，2021年）。尽管此前的研究已探讨了湿法冶金回收途径和电子废物管理系统（Amusa等，2025年），但对将实验验证的回收数据与渐进式循环工艺配置以及本地化能源转型情景相结合的关注仍然有限。此外，碳密集型电力系统（如发展中的电网环境）对大规模WPCB回收环境可行性的影响仍未得到充分探索。
此前的LCA研究已证明了二次金属回收、余热利用和更清洁的化学策略相较于传统生产路线的环境优势（Wang等，2025年；D'Adamo等，2025年）。然而，现有研究通常评估的是单一的工艺改进，而非从传统湿法冶金操作向资源高效、循环以及可再生能源集成系统渐进过渡的过程。同时考虑化学品消耗、能源来源、循环资源回路、避免的原生金属负担以及有害残渣管理的综合评估仍然有限。因此，需要一种基于情景的LCA框架来识别环境权衡，并确定最大化WPCB回收可持续潜力的路径。
为解决这些缺口，本研究将实验导出的湿法冶金回收数据与使用openLCA和ecoinvent数据库开发的预先多情景LCA框架相结合。评估了每吨WPCB的五种工艺配置，代表从传统线性加工向循环和低碳系统渐进过渡的过程。这些包括基线工业情景（S1）、资源精简优化（S2）、高强度回收（S3）、含化学品和溶剂回收的循环处理（S4），以及将循环处理与风电集成相结合的技术情景（S5）。
情景边界采用先前研究中报告的实验验证的湿法冶金参数来确定。情景2代表通过减少试剂需求、优化浸出条件、提高矿浆密度和降低外部能源需求来实现的资源效率提升（Hao等，2022年；León等，2025年；Yao等，2025年）。情景3评估在报告的操作范围内增加化学品和能源强度以最大化提取绩效的后果（Hao等，2022年；Ayodele等，2023年）。情景4纳入了循环策略，包括酸回收、溶液再使用和减少淡水需求，基于已建立的闭环湿法冶金实践（Wang等，2020年；Trujillo等，2014年）。情景5在此基础上进一步集成可再生风电，以量化能源脱碳的潜在效益。
因此，本研究的目标是：(i) 量化从WPCB中顺序回收铜和金的环境权衡和避免负担；(ii) 评估化学品循环策略（包括酸回收、水回用和溶剂回收）的环境效益和局限性；(iii) 确定可再生电力集成如何影响向低影响和更安全的WPCB回收系统转型。通过将实验湿法冶金金属回收与系统级环境评估相结合，本研究为设计循环WPCB回收路径提供了决策支持框架，这些路径在提高资源回收的同时，最大限度地减少污染转移和有害工艺负担。
章节摘要
实验与建模方法
本研究将实验室规模的湿法冶金实验与前瞻性工艺工程相结合，用于模拟替代废弃印刷电路板（WPCB）回收网络的环境绩效。在基线条件下（情景1）推导的定量实验回收参数建立了经验输入清单。该清单作为四个逐步优化的对比配置的数据基础，这些配置追踪了不同层级的资源
结果与讨论
本节首先介绍WPCB原料和回收金属的表征，随后介绍基线湿法冶金工艺（情景1）的实验回收绩效。然后比较所有五种情景的生命周期影响评估结果，并进行贡献分析以识别主要的环境热点和各情景特定的权衡。环境绩效的驱动因素包括资源效率（S2）、工艺
关键发现总结
本研究结合实验研究与生命周期评估，在五种逻辑建立的情景中评估了从废弃印刷电路板中顺序湿法冶金回收铜和金的环境绩效，这些情景从线性加工到集成可再生能源的循环经济配置不等。通过利用XRD、FTIR、EDX、SEM对原料和回收金属进行综合表征，证明了高纯度金属回收
资助
本研究未从公共、商业或非营利部门的任何资助机构获得专门资助。
CRediT作者贡献声明
Manabu Fujii：写作 – 审阅与编辑、可视化、验证、指导。Mahmoud Nasr：写作 – 审阅与编辑、写作 – 原始草稿、可视化、验证、指导。Tunde Oloriegbe：写作 – 审阅与编辑、写作 – 原始草稿、可视化、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。Hassan Shokry：写作 – 审阅与编辑、写作 – 原始草稿、可视化、验证、指导、软件、调查。
生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明
作者在手稿准备期间使用了Gemini和Grammarly来润色语言和语法。使用这些工具后，作者审阅并编辑了所有内容，并对已发表的工作承担全部责任。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。
Tunde Oloriegbe|Mahmoud Nasr|Manabu Fujii|Hassan Shokry
