捡金拾塑-磁电生物强化全量回收PCB

来飞生物科技

人民生活水平的日益提高和家电更新换代速度的持续加快，PCB的产量呈现出逐年增长的态势（李金康等,2021）。PCB中文名称为印制电路板，是电子元件的支撑体，预计到2030年，全球PCB将达到7400万吨对环境造成极大危害，对空间造成一定浪费，另外，废弃电器电子设备中也含有重金属、溴化阻燃剂等有毒有害物质，如果处理不当，会对生态环境及人体健康造成严重危害（AkanchiseTetal,2020）。但是同时PCB中包含超过80%可回收的有价金属、稀贵金属、塑料、玻璃等有价值的材料，是一座不可忽视的“城市矿山”（郝娟娟等,2021），为响应我国“2030碳达峰、2060碳中和”战略目标高度不断的提升，助力“双碳”目标实现，同时跟进《关于完善废旧家电回收处理体系推动家电更新消费的实施方案》，协同高效的PCB全量回收处理体系就显得十分重要。届时，电子回收将达到一个非常的时代。

传统的的PCB回收处理方法包括裂解、焚烧、直接冶炼等热解法（SzczepaniakWetal,2021），分选和粉碎等物理机械法（AbdelbasirSMetal,2018）以及溶蚀、电解等化学法等（LeeHetal,2018;BaniasadiMetal,2019），这些方法均存在高污染、高成本、低效率等弊端。因此绿色环保的生物法全量回收PCB中金属和树脂对推进电子废弃物减量化、资源化、无害化至关重要（AndoozAetal,2021）。鉴于此，一个菌系抗逆性强，工艺简单，工艺运行中自养微生物菌系能够同化大气中的CO2，直接参与并影响固碳过程，助力“碳达峰”、“碳中和”产业绿色低碳发展，促进产业结构调整和产业升级的一个低成本高回报、绿色环保，既可以回收金属的同时回收树脂的项目应运而生，本项目低投入高产出，菌系抗逆性强，工艺简单，工艺运行中自养微生物菌系能够同化大气中的CO2，可以直接参与并影响固碳过程，助力“碳达峰”、“碳中和”产业绿色低碳发展，促进我省产业结构调整和产业升级（XiaoKQetal,2021;魏文栋等,2021）。本项目的目的是拟建立一种基于菌群重构、反应器开发和金属分离技术的生物法全量回收PCB中的金属和树脂的工艺。

主要参考文献

AkanchiseT,BoakyeS,BorquayeLS,etalDistributionofheavymetalsinsoilsfromabandoneddumpsitesinKumasi,Ghana[J]ScientificAfrican,2020,10:e00614

SzczepaniakW,Zab?ockaMalickaM,GurgulA,etalComparativesmeltingofthermallypretreatedelectronicwaste[J]PhysicochemicalProblemsofMineralProcessing,2021,57(6):55-70

GetachewB,AmdeM,DannoBLLevelofselectedheavymetalsinsurfacedustcollectedfromelectronicandelectricalmaterialmaintenanceshopsinselectedWesternOromiatowns,Ethiopia[J]EnvironmentalScienceandPollutionResearch,2019,26(18):18593-18603

VanYkenJ,BoxallNJ,ChengKY,etalEwasterecyclingandresourcerecovery:Areviewontechnologies,barriersandenablerswithafocusonoceania[J]Metals,2021,11(8):1313

AkanchiseT,BoakyeS,BorquayeLS,etalDistributionofheavymetalsinsoilsfromabandoneddumpsitesinKumasi,Ghana[J]ScientificAfrican,2020,10:e00614

XiaoKQ,GeTD,WuXH,etalMetagenomicand14CtracingevidenceforautotrophicmicrobialCO2fixationinpaddysoils[J]EnvironmentalMicrobiology,2021,23(2):924-933

LeeH,MishraBSelectiverecoveryandseparationofcopperandironfromfinematerialsofelectronicwasteprocessing[J]MineralsEngineering,2018,123:1-7

李金惠,刘康,刘丽丽固体废物有价资源机械力化学清洁提取技术的研究进展[J]环境工程学报,2021,15(4):1131-1139

郝娟娟,王乙舒,吴玉峰,等废线路板非金属材料回收利用技术现状与展望[J]材料导报,2021,35(7):7001-7012

魏文栋,陈竹君,耿涌,等循环经济助推碳中和的路径和对策建议[J]中国科学院院刊,2021,9:1030-1038

（1）项目技术原理

采用磁电强化生物反应器为技术基础。磁电强化浸出技术基于自行设计PCB金属浸出的生化两级反应器，使用连续定向驯化选育极端酸性条件下高活力的混合菌系进行反应。该反应器是以混合菌系的细胞固定化为核心的生物化学两级浸出反应器，实现了生物反应与化学吸收的分离，同时通过Fe²⁺和Fe³⁺的循环转化，又使两者一体化。气泵将空气先鼓进装有培养基的生物反应器中，使反应器中的固定化细胞和培养基充分混合。生物反应器供混合菌系生长繁殖，培养液提供该菌系所需的所有营养物质并模拟该菌系自然界中的生活环境。化学反应器为目标菌系与PCB提供反应场所，实现Fe³⁺与Fe²⁺的转换。

图1 磁电生化反应器原理图

通过置换实现金属与树脂双回收，提高利润降低成本彻底完成PCB的资源化利用。PCB中金属以离子形式存在，向其中投入大量铁粉，可通过置换反应，将金属置换回收，铁粉转化成Fe²⁺又可以为目标菌系提供生长必要的铁元素支持，进而推动反应持续进行。通过沉淀池入口调整设备运行所需营养物质及pH，挡板设计目的是反应液循环流动过程中冲刷沉淀物。反应液通过涡旋离心、过滤收集树脂并干燥，重新将其应用于电子电器产品、风力、海洋、压力容器、军事、航空航天和汽车等领域的复合材料中，化学反应器一侧磁电场的添加将加快化学反应速率，缩短浸出周期，提高进出效率，有助于降低成本，提高利润。

（2）研究基础

设计制作了磁电强化生化两级反应器，实验室多年来从事嗜酸铁氧化菌的资源发掘工作，对铁氧化菌的研究非常深入，依靠寒区火山环境，多年来奔波采样，并进行铁氧化菌的富集分离，明确氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌的浸出效果，构建了以这两种菌为组成的浸出混合菌系，并对其稳定性和树脂金属回收效果进行了研究。使用连续定向驯化选育极端酸性条件下高活力的混合菌系进行反应。该反应器是以混合菌系的细胞固定化为核心的生物化学两级浸出反应器，实现了生物反应与化学吸收的分离，同时通过Fe²⁺和Fe³⁺的循环转化，又使两者一体化。本实验室为此开展以下研究，1筛选不同类型的铁硫氧化细菌，基于人工生态重构的技术，将浸出效率高的优势菌种进行组配，构建具有高效金属浸出能力的微生物菌系；2在现有生化两级反应器基础上，添加外部磁场强化生物反应器中菌种固定化效率，结合外加电场强化化学反应器中菌种金属浸出能力，获得磁电耦合生化两级反应器高效浸出PCB中金属的技术工艺；3采用离心方法分离金属和非金属（玻璃纤维和树脂、热固性塑料），通过过滤方法实现黄钾铁矾与金属液体固液分离，利用置换和电镀实现金属液体中各组分金属的分离；4建立科学、绿色、环保的PCB金属资源化回收技术工艺并将科技成果高质量就地转化。在前期研究基础上，依靠多年的工作，充分了解铁氧化菌的生存生长特性，掌握了铁氧化菌的分离技术。并且，多年来，从福建紫金山、甘肃白银、黑龙江五大连池、小古里火山群等全国100多处矿山或者泉水中富集培养、分离筛选获得了200多株铁氧化单菌和30组铁氧化复合菌系，筛选亚铁氧化能力最强同时能耐受高浓度金属离子的铁氧化菌，建立了较为丰富的火山微生物资源库。

当前很多PCB处理企业因无法回收到可维持企业正常产能的电路板，回收处理利润低，无法实现盈利，使之得不到良性发展最终导致PCB回收行业萎靡，进而形成PCB在全国各地积累。国内无规模化带头企业，国外发达国家普遍将之运往非洲等第三世界国家。

常见的PCB回收处理方法包括裂解、粉随、直接冶炼等热解法，分选和粉碎等物理机械法以及溶蚀、电解等化学法等，这些方法均存在高污染、高成本、低效率等弊端。因此绿色环保的生物法全量回收PCB中金属和树脂对推进PCB减量化、资源化、无害化至关重要生物浸出领域被认为是解决PCB资源化回收的有效途径，但数据显示，生物浸出应用于PCB资源化回收过程中，其成本虽然低廉，并且绿色无污染，但是资金回笼时间太久，往往企业五年后才开始盈利，这也是影响PCB回收处理行业的另一主要原因。

磁电强化生物浸出技术将极大缩短资金回笼时间，是有效改变这一行业的有效手段。已有数据证明磁电场可以缩短浸出时间，可短时间回收PCB中全部金属，磁电场强化生物浸出技术将打破行业技术壁垒，推动PCB回收处理行业前进。与同类产品相比，磁电强化生物浸出技术更便捷、更绿色、回收率更高、回收周期更短。

（1）技术：

1高氧化活性、高金属耐受性的嗜酸性铁氧化菌菌株

实验室多年来从事嗜酸铁氧化菌的资源发掘工作，对铁氧化菌的研究非常深入，依托寒区火山环境，多年来奔波采样，对铁氧化菌富集分离。本实验室在前期研究基础上，研发基于生化两级反应的PCB金属浸提技术，充分了解铁氧化菌生长特性，熟悉掌握铁氧化菌分离技术，对铁氧化菌氧化活性和金属耐受性研究。

2高吸附型固定化火山石载体

火山石具有孔隙发达、比表面积大、质地坚硬、抗腐蚀性强等特点，将其用于铁氧化菌的固定化，获得火山石固定化铁氧化菌细胞，为探究火山石固定微生物机制提供基础数据，也为开发以火山石为载体的微生物固定化细胞提供思路；填充火山石固定化细胞的生化两级反应器可有效解决菌体浪费问题，固定化铁氧化菌具有高金属耐受能力和抗外力冲击能力，为提高电子废物金属浸出率提供保障，以获得的高效菌系固定化细胞为核心，将其填充至生化两级反应器的生物反应罐中，同时向反应器中添加亚铁液体培养基，生物罐中固定化细胞和培养液占其总体积的70%。在反应器化学反应罐中加入不同种类电子废物（数码产品电脑手机电路板、家用电器电视冰箱电路板、废旧锂电池等），待培养基98%Fe²⁺氧化为Fe³⁺后启动PCB浸出。本团队在前期研究基础上，进一步优化设备及工艺，专注于PCB中金属和树脂的全量回收。

3磁电强化生物浸出技术

以石墨材料的电极放入化学反应器一侧，电极间距为5cm 。前期大量实验证明，外加磁电场可改善溶质在浸柱内的均匀性，均匀程度随磁电场强度的增大而增强；浸柱内溶质迁移速率随磁电场强度的增加而增大，两者呈线性关系。磁电场的添加将促进PCB中的金属浸出速率，大幅缩短浸出周期，为生物浸出技术推广和应用提供便利，同时降低成本，提升利润，实现最优浸出工艺。

4不同类型金属提取纯化及树脂回收工艺开发

采用板框过滤的方法，利用多孔性过滤介质，截留液体与固体颗粒混合物中的固体颗粒，而实现PCB浸提液中黄钾铁矾沉淀和树脂的分离，进而以水为溶剂清洗回收树脂。同时，根据金属的活泼性强弱，采用铁粉置换法，通过控制铁粉的用量和电场指标将浸出液金属活性小的金、银、铜等金属分离出来，通过电场强化铁粉还原，置换出镍、锡等活性较小的金属。在此基础上采用氧化法、氨法、萃取法等方式，在(NH₄)₂SO₄和NH₄Cl等氨溶液中，选用适宜的氧化剂浸出PCB上的金属，再基于萃取原理选取适宜的萃取剂进行萃取分离到各类高纯度金属。

（2）商业模式：

本团队采用成熟的Business-to-Business渠道开发商业模式，我们的目标客户是各种PCB回收或处理企业，为其提供可高效处理PCB的解决方案。

以技术服务费和30%的利润分成作为收入来源。也可制作不同规模的反应设备，形成一套完整的生产线，已全部工业化投入生产。本项目工艺集高效、无污染等优点为一体，为PCB的绿色循环回收利用提供技术和工艺参考。对于当前市场的可行性进行了充分调查，了解当前市场需求量，根据不同需求设计了尺寸不同的反应器，目前已经与常州赛尔斯生物科技有限公司等达成合作，可制作不同规模的反应设备，形成一套完整的生产线，已全部工业化投入生产。

（1）创业过程：

在创业初期建立公司网络系统，通过互联网进行产品交易，加快本公司的工作效率，使用网络为我们进行服务，增加公信度，广告宣传力求真实，让大家在庞杂的网络信息中，辨别真假，了解我们公司的优势。以我们公司的优势，突出强调环保与再利用，给公众树立一个良好的形象。

中期随着产品进步、公司品牌打响、周边市场打开，运用网络打造产品知名度，拓展线下，公司必然会转亏为盈，逐步增加营业额，达到预期效果我们可以通过参与线下各式各样的行业圈子，来建立媒体关系，这样可以帮助我们获取更多的潜在客户。

在此之后把我们的产品与线下各地的渠道商合作，渠道商通常有其他类型产品的客户，当客户有相应需求时，可以给予优惠推荐，也可以解决该地区无法推广的问题。其实简单来说就是通过商家联盟，实现商家互惠。

（2）机会与商业分析：

受邀代表企业参加江苏省常州市职工创意大赛，取得优异成绩并接受媒体采访，目前正在与常州诺赛生物科技有限公司等洽谈合作事宜我们建立公司初期开始的必要工作。其包括相应公关的活动，其重点是能够提高公司知名度，我们利用社交网络、当代大学生的有利资源进行宣传。

通过承办大型的学术交流研讨会促进学术理论的深入研究，更好指导实践。在本团队所属学校进行人才培养。与多家知名媒体合作宣传，宣传公司产品，为相关单位前期提供免费技术服务支持，打响公司品牌。

王顺，本科生物技术微生物专业在读学生。本项目负责人，负责菌种库的维护运行、反应器设计总体规划，掌握反应流程及关键点。

南正雨，本科生物技术微生物专业在读学生。负责菌种鉴定、保藏，已保藏菌种300株，负责专利撰写及申请，负责样品采集，已从全国30多个城市采集近500个地点的样品。

袁欣茹，本科在读学生。负责建立客户数据库，品售后，定期回访；负责反应器设计、运行维护，样品采集，寻找投资人，转化10万项目订单。

张芮，本科在读学生。负责合同管理；负责项目成本预算；负责菌种分离、纯化，定期菌种活化、成本核算。

本团队的管理形式是以制度化管理为基础结合系统化标准化统筹化的管理模式，即按照一定的已经确定的规则来推动项目管理，通过完成企业组织机构战略愿景管理、工作责任分工、薪酬设计、绩效管理、招聘、全员培训、员工生涯规划等七大系统的建立来完成的。这种规则是大家所认可的带有契约性的规则，也是责权利对称的。

同时也会适当地吸收和利用其他几种人性化管理模式的某些有用因素，注重组织的整体性和目标性，强调人与人之间、人与部门之间、部门与部门之间的整体协调，对员工实行协作互动式管理。综合成一种带有混合性的企业管理模式。

我们公司的性质是技术服务性，经营成本主要为技术维护与突出更新、办公管理、财务费用等。而这些都是随着业务量的变化而成比例增长变化的。从现金流量表看出，公司成本约占经营收入的88%，技术服务消耗、办公管理、财务费用等约占12%，也就是说，经营成本相对于经营收入来说是相对稳定的，不会有太大的变化，其主要取决于经营收入。

通过以上分析，本项目通过投资回收年限总投资/每年净利润，进行计算，本项目初期投资10万元，由于菌种的前期培养条件已经进行优化，除去人员开销、水电费等其他费用、花销最大的为后期维修与售后保障，本项目预计回收年限为半年的时间。虽然接受新型技术会有一部分的前期投入，但是对于这些环保及电子废物处理公司的未来发展绝对有实质性的帮助。

本项目已经完成菌株筛选、条件优化、反应器设计、添加电场并利用计算机及相关软件对反应器运行过程中相关数据进行分析并实时监控。经过多次测试已经达到完全熟练的程度。企业成长性的内涵 一般认为企业成长是指企业由小变大、由弱变强的发展过程。

1年内，完成融资将企业建立起来，设备、人员、服务产品落地、销售各环节准备就位，稳定生产形成标准处理PCB?1000?kg。

2年内，各环节正常运行，分析评价产品并改进完善各环节方案。形成多项自主知识产权，具备生产竞争能力的系列产品。

3年内，产品产量增加，效益增加。寻求合作，注册商标，启动市场推广。企业完全进入正常运营状态。

5年内，产品具有市场知名度，创立分公司，占领市场盈利指标

（1）项目实施的制约因素

项目审批手续繁杂，批复耗时长，影响了项目实施进度。研究费用、设备采购、项目宣传等费用，项目资金不足是影响进度的重要因素。

（2）风险预测

目前国内同类竞争产品不多，但是随着国家对环境保护的越发重视，同类产品竞争激烈，产品市场份额会受到一定影响，销售量不及预期，产品的生存和成长将受到威胁。由于供求关系和市场竞争等变化，导致价格波动。

（3）应对措施

1针对同类商品的竞争，本团队以在未来开发应用于回收电厂、化工厂或其他工厂的PCB中的金属和树脂，在未来开发脱硫、脱硝同步应用于电厂、化工厂或其他工厂的处理，研发应用PCB中高浓度的金属以及树脂回收的菌剂，进行产品升级，保存产品优势，将浸矿菌种的性能加以优化，应用于清泥金属和树脂的回收等领域。

2在技术方面，我们也将一直研发，将菌种性能优化的同时，也将让其更加绿色，盈利更多。在寻找性能更加有效、绿色、价格低廉的菌株，来巩固市场地位。成本变得低廉的同时，增加盈利。

3实行线上线下融资，大力推广本产品，让更多相关企业看到这一技术在应用和资金回流上的优势，同时在网络办公系统上使用网络为我们进行服务，增加公信度，广告宣传力求真实，让大家在庞杂的网络信息中，辨别真假，了解我们公司的优势。以我们公司的优势，突出强调环保与再利用，给公众树立一个良好的形象。从而寻找合作伙伴，打破资金链的限制。

由于公司在前面几年全新业务的开展和对市场尽大可能的争取，故前期需加重宣传花费，明确宣传本项目为技术与产品并行，即提供技术服务也进行反应器的销售，故可实现第一年以后每年分红为净利润的40%，对于PCB年处理量最高可达2000kg ，规模化后纯利润可达13.6%，生产线稳定投产运行后，预计年收益可达200万元。本团队技术建立稳定运行且环保无污染的生产线，菌体利用CO₂于环境上减少碳排，减轻污染，技术上国内领先，国际先进，低能高效可持续运行，将成本缩减30%，具有较高环境及经济效益。