Bảo hộ sáng chế về xử lý chất thải điện tử theo thời gian
Tính đến tháng 12/2020, trên toàn thế giới đã có 22.961 sáng chế liên quan đến xử lý chất thải điện tử được công bố và bảo hộ Sáng chế đầu tiên được đăng ký tại Pháp vào năm 1906, tập trung vào việc xử lý chất điện phân đã qua sử dụng từ sản xuất pin kẽm-chì-peroxit Quy trình này bao gồm việc làm bay hơi dung dịch kẽm sunfat dưới áp suất giảm để thu hồi nước, axit sunfuric và kẽm sunfat; trong đó, nước và axit sunfuric được tái sử dụng, còn kẽm sunfat được đun nóng để sản xuất oxit kẽm.
Biểu đồ 1 Tình hình bảo hộ sáng chế xử lý chất thải điện tử trên thế giới
Giai đoạn từ 1906 đến 1972, nghiên cứu về công nghệ xử lý chất thải điện tử chưa phát triển mạnh mẽ, dẫn đến số lượng sáng chế công bố rất hạn chế Tuy nhiên, từ năm 1973 đến 1991, lĩnh vực này bắt đầu thu hút nhiều sự chú ý hơn trên toàn cầu, với số lượng sáng chế tăng nhẹ nhưng vẫn duy trì ở mức thấp, dưới 200 sáng chế mỗi năm.
Kể từ năm 1992, lượng sáng chế trong lĩnh vực công nghệ xử lý chất thải điện tử đã tăng mạnh, với số lượng sáng chế giai đoạn 1992-2020 cao gấp 9 lần so với tổng số sáng chế của tất cả các giai đoạn trước Sự gia tăng này cho thấy nghiên cứu và phát triển công nghệ xử lý chất thải điện tử đang thu hút ngày càng nhiều sự quan tâm trên toàn cầu.
Bảo hộ sáng chế về xử lý chất thải điện tử theo các châu lục
Mặc dù công nghệ xử lý chất thải điện tử được phát triển đầu tiên ở châu Âu, nhưng hiện tại, châu Á dẫn đầu với 20.125 sáng chế, chiếm 82,3% tổng số sáng chế toàn cầu Châu Âu theo sau với 10,9% và châu Mỹ đứng ở mức 6,3%.
Biểu đồ 2 Tỉ lệ tương quan bảo hộ sáng chế về xử lý chất thải điện tử theo các châu lục
Bảo hộ sáng chế về xử lý chất thải điện tử tại một số quốc gia và vùng lãnh thổ
Sáng chế về xử lý chất thải điện tử đã được bảo hộ tại 53 quốc gia và vùng lãnh thổ, cùng với sự công nhận từ hai tổ chức quốc tế là Tổ chức Sở hữu trí tuệ thế giới (WIPO) và Cơ quan sáng chế châu Âu (EPO) Trung Quốc và Nhật Bản dẫn đầu về số lượng sáng chế trong lĩnh vực này, với 10.517 và 8.233 sáng chế, tương ứng, gấp hơn 6 lần so với Mỹ, quốc gia đứng thứ ba với chỉ 1.371 sáng chế.
Biểu đồ 3 Bảo hộ sáng chế về xử lý chất thải điện tử tại một số quốc gia và vùng lãnh thổ
Mặc dù Trung Quốc dẫn đầu về số lượng sáng chế trong lĩnh vực xử lý chất thải điện tử, quốc gia này chỉ bắt đầu nghiên cứu từ năm 1985, muộn hơn 20 năm so với Nhật Bản và gần 80 năm so với Pháp, quốc gia đầu tiên công bố sáng chế trong lĩnh vực này vào năm 1906 Từ năm 2006, số lượng sáng chế của Trung Quốc đã tăng mạnh, với 8.788 sáng chế được ghi nhận trong giai đoạn 2006-2020, chiếm 97% tổng số sáng chế của nước này và gấp hơn 20 lần so với giai đoạn trước đó.
Năm 2005, số lượng sáng chế liên quan đến xử lý chất thải điện tử đạt 278, trong đó Nhật Bản là quốc gia châu Á tiên phong trong nghiên cứu lĩnh vực này từ năm 1962 Số sáng chế của Nhật Bản tăng mạnh trong giai đoạn 1990-2000 nhưng có xu hướng giảm sau năm 2000.
Biểu đồ 4 Diễn biến về tình hình bảo hộ sáng chế xử lý chất thải điện tử của Trung Quốc và
Các hướng nghiên cứu công nghệ xử lý chất thải điện tử
Nghiên cứu xử lý theo nguồn chất thải điện tử
Nghiên cứu và xử lý chất thải điện tử đã thu hút sự quan tâm của nhiều chuyên gia trên toàn thế giới, với bốn nguồn chính được chú trọng là pin/ắc quy, dây cáp điện, đèn phóng điện và các thành phần thiết bị điện tử Trong số đó, pin/ắc quy dẫn đầu với 6.271 sáng chế, chiếm hơn 70% tổng số sáng chế liên quan đến xử lý chất thải điện tử Dây cáp điện đứng thứ hai với 1.816 sáng chế, chiếm hơn 20% tổng số sáng chế.
Biểu đồ 7 Các nguồn thải điện tử được được quan tâm xử lý nhiều nhất
Nguồn RTĐT_Pin/ắc quy Nguồn RTĐT_Dây cáp điện Nguồn RTĐT_Đèn phóng điện Nguồn RTĐT_Thành phần kết cấu thiết bị điện
Kỹ thuật xử lý, tái chế_Loại bỏ chất thải rắn
Kỹ thuật xử lý, tái chế_Chiết tách
Kỹ thuật xử lý, tái chế_Tinh luyện kim loại bằng điện phân
Kỹ thuật xử lý, tái chế_Khác (xử lý sơ bộ quặng, thép …
Vật liệu thu hồi, tái chế_Kim loại màu Vật liệu thu hồi, tái chế_Nhựa Vật liệu thu hồi, tái chế_Kim loại độc hại
Vật liệu thu hồi, tái chế_Kim loại quý Vật liệu thu hồi, tái chế_Kim loại đen Vật liệu thu hồi, tái chế_Kim loại đất hiếm
Pin/ắc quy Dây cáp điện Đèn phóng điện Thành phần kết cấu thiết bị điện
Biểu đồ 8 cho thấy tỉ lệ tương quan giữa các nguồn chất thải điện tử được quan tâm nhiều nhất Tại các quốc gia có nhiều sáng chế về xử lý chất thải điện tử như Trung Quốc, Pháp, Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan, Mỹ và Đức, pin và ắc quy là nguồn chất thải điện tử được chú trọng xử lý hàng đầu (Biểu đồ 9).
Hơn 75% sáng chế liên quan đến xử lý chất thải điện tử tại Trung Quốc tập trung vào việc xử lý pin và ắc quy Một ví dụ tiêu biểu là sáng chế CN110343862A, được công bố vào ngày 18/10/2019, nghiên cứu phương pháp xử lý ắc quy axit chì thông qua việc sử dụng điện thế để tạo ra phản ứng với dung dịch ion chì Phương pháp này cho phép hình thành chì kết dính và axit alkan sulfonic tái chế, đồng thời tạo ra hỗn hợp chì dioxit trên cực âm để tiếp xúc với chất khử, từ đó chuyển đổi thành oxit chì Sáng chế này khắc phục những hạn chế trong xử lý ắc quy hiện tại, bao gồm việc loại bỏ hóa chất độc hại, giảm thiểu khí thải độc hại, nâng cao năng suất xử lý và cải thiện tính kinh tế của quá trình.
Trong nhóm các lĩnh vực liên quan đến xử lý chất thải điện tử, pin và ắc quy chiếm 42% tổng số sáng chế Tuy nhiên, việc xử lý dây cáp điện lại nhận được sự quan tâm lớn nhất tại Anh, với 46% sáng chế tập trung vào lĩnh vực này.
Thành phần kết cấu thiết bị điện (thân, bảng đấu dây…) 2.8%
Biểu đồ 9 Bảo hộ sáng chế xử lý các nguồn chất thải điện tử được quan tâm nhiều nhất ở một số quốc gia
Các giải pháp kỹ thuật xử lý, tái chế chất thải điện tử
Các kỹ thuật xử lý và tái chế chất thải điện tử trên toàn cầu rất đa dạng, bao gồm các phương pháp như loại bỏ chất thải rắn, chiết tách và tinh luyện kim loại bằng điện phân Trong số đó, loại bỏ chất thải rắn, bao gồm các quy trình tháo rời, cắt nhỏ và nghiền, được chú trọng nhiều nhất, với 6.708 sáng chế liên quan đến vấn đề này.
Kỹ thuật chiết tách các chất ra khỏi hỗn hợp hiện đang chiếm 3.331 sáng chế, với nhiều phương pháp khác nhau như chiết tách hóa chất, chất lỏng, máy tách chuyên dụng và chiết tách từ tính Trong số đó, phương pháp chiết tách sử dụng hóa chất là phổ biến nhất, chiếm 45,7% tổng số sáng chế trong nhóm này (Biểu đồ 11).
Pin/ắc quy Dây cáp điện Đèn phóng điện Thành phần kết cấu thiết bị điện 0%
Bản Hàn Quốc ĐàiLoan Anh Mỹ
Biểu đồ 10 Phân tích các giải pháp kỹ thuật xử lý, tái chế chất thải điện tử
Biểu đồ 11 Tỷ lệ tương quan giữa các giải pháp kỹ thuật xử lý, tái chế chất thải điện tử
Nhiều doanh nghiệp trên thế giới đang nghiên cứu và chế tạo các thiết bị phân loại và loại bỏ chất thải rắn từ chất thải điện tử Một ví dụ tiêu biểu là thiết bị phân loại vật liệu (sáng chế số FR3024669A1, ngày 12/02/2016) của công ty Commissariat A L'energie Atomique.
Thiết bị này bao gồm băng chuyền vận chuyển chất thải rắn, nguồn bức xạ điện từ để kích thích phát huỳnh quang tia X, và máy dò phân tích, phát hiện huỳnh quang tia X Nhờ vào công nghệ này, thiết bị có khả năng phân loại chính xác chất thải rắn.
Loại bỏ chất thải rắn
Chiết tách các chất ra khỏi hỗn hợp từ rác thải điện tử
Tinh luyện kim loại bằng điện phân
Khác (xử lý sơ bộ quặng, thép vụn bằng phương pháp thiêu…)
Dùng máy tách chuyên dụng cho phế liệu 13.9%
Chiết tách bằng từ tính
11.8% ngay cả khi nguyên liệu chứa nhiều hợp chất với những đặc điểm khác nhau (ví dụ như nhôm, silicon, magie, đồng ) với năng suất cao.
Nhiều quốc gia như Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc và Đài Loan chú trọng vào công nghệ xử lý chất thải điện tử thông qua việc loại bỏ chất thải rắn Trong khi đó, Đức dẫn đầu với 47% sáng chế sử dụng máy tách chuyên dụng để chiết tách chất thải Tại Anh, 25% sáng chế tập trung vào nghiên cứu tinh luyện kim loại bằng phương pháp điện phân, trong khi Mỹ có 29% sáng chế liên quan đến chiết tách bằng chất lỏng.
Biểu đồ 12 trình bày ứng dụng các kỹ thuật xử lý và tái chế chất thải điện tử tại một số quốc gia Để đánh giá tính ổn định và xu hướng của các kỹ thuật này trong những năm gần đây, chỉ tiêu tốc độ tăng trưởng kép sẽ được sử dụng.
Theo nguyên lý này, phương pháp xử lý chất thải rắn chủ yếu là kỹ thuật tái chế chất thải điện tử, nhưng chiết tách bằng máy tách chuyên dụng đã cho thấy sự tăng trưởng ổn định từ năm 2010 đến 2019, với tốc độ tăng trưởng kép đạt 14,9%.
Loại bỏ chất thải rắn
Sử dụng hóa chất Điện phân
Sử dụng chất lỏng Tách bằng từ tính Dùng máy tách chuyên dụng Khác
Trung Quốc Pháp Đức Nhật Bản
Hàn Quốc Đài Loan Anh Mỹ
Biểu đồ 13 Tốc độ tăng trưởng kép các kỹ thuật xử lý, tái chế chất thải điện tử trong giai đoạn 2010-2019
Trong giai đoạn gần đây, nhiều máy tách chuyên dụng đã được phát triển, điển hình là thiết bị tái chế bảng mạch in do công ty ENTEGRIS nghiên cứu và chế tạo vào năm 2017 (sáng chế số CN106944452A) Thiết bị này bao gồm các mô-đun như loại bỏ mối hàn cơ học, loại bỏ hóa chất và thu hồi kim loại quý, giúp phân tách hiệu quả các loại vật liệu Sáng chế này không chỉ nâng cao tỷ lệ thu hồi linh kiện điện tử, kim loại màu và kim loại quý từ bảng mạch in mà còn giải quyết vấn đề xử lý cơ học với tỷ lệ thu hồi thấp và lượng bùn thải lớn.
Nghiên cứu thu hồi, tái chế vật liệu từ chất thải điện tử
Khi nghiên cứu công nghệ xử lý chất thải điện tử, kim loại màu là vật liệu được quan tâm nhiều nhất, với 7.137 sáng chế liên quan Một ví dụ nổi bật là sáng chế KR1020150132348 của tổ chức KNU-Industry Cooperation Foundation (Hàn Quốc), cho phép sản xuất mangan sulphat tinh khiết cao từ chất lỏng thải của quá trình tái chế pin Sáng chế này không chỉ tạo ra mangan sunfat chất lượng cao mà còn tái chế hiệu quả nước thải chứa mangan sunfat, đồng thời tận dụng nguồn tài nguyên quý giá từ pin lithium ion đã qua sử dụng, chứa nhiều kim loại có giá trị như lithium và coban, mang lại lợi ích kinh tế lớn và thân thiện với môi trường.
Chiết tách_Dùng máy tách chuyên dụng
Tinh luyện kim loại bằng điện phân
Loại bỏ chất thải rắn Chiết tách_Sử dụng chất lỏng
Chiết tách_Sử dụng hóa chất
Chiết tách_Bằng từ tính
Ngoài việc thu hồi kim loại màu, nhiều nhà sáng chế đang tìm kiếm phương pháp thu hồi nhựa và kim loại độc hại, nhưng số lượng sáng chế trong lĩnh vực này chỉ đạt khoảng 1/3 so với thu hồi kim loại màu Đồng thời, kim loại đen và kim loại đất hiếm vẫn là những loại vật liệu chưa được nghiên cứu nhiều trong việc thu hồi.
Biểu đồ 14 Phân tích các sáng chế nhằm thu hồi, tái chế vật liệu từ chất thải điện tử
Trong các nghiên cứu về công nghệ thu hồi kim loại màu từ xử lý chất thải điện tử, công nghệ thu hồi đồng được chú trọng nhất, chiếm tỷ lệ 36,5% Tiếp theo là liti với 21,4%, gali và indi 13,3%, và kẽm 12,6%.
Biểu đồ 15 Tỉ lệ tương quan giữa các sáng chế thu hồi, tái chế kim loại màu từ chất thải điện tử
Nhựa Kim loại độc hại
Kim loại đất hiếm Đồng 36.5%
Sáng chế số CN10006864 của Đại học Khoa học và Công nghệ Bắc Kinh, được công bố vào ngày 05/01/2017, giới thiệu công nghệ thu hồi kim loại giá trị từ mảnh thải bảng mạch in Công nghệ này ứng dụng nguyên lý phân tách vật liệu siêu trọng lực ở các mức nhiệt khác nhau, cho phép tách nhanh chóng và hiệu quả các kim loại hoặc hợp kim khác nhau Sáng chế này mang lại giải pháp đơn giản và chi phí thấp cho việc tách và thu hồi kim loại quý từ chất thải điện tử.
Trong số các kim loại độc hại, chì, niken, coban và antimon là những kim loại được nghiên cứu nhiều nhất để thu hồi trên toàn cầu Đặc biệt, chì chiếm tỷ lệ cao nhất với gần 70% tổng số sáng chế trong lĩnh vực này.
Biểu đồ 16 Tỉ lệ tương quan giữa các sáng chế thu hồi kim loại độc hại từ chất thải điện tử
Nghiên cứu về vật liệu thu hồi từ chất thải điện tử cho thấy các quốc gia như Trung Quốc, Pháp, Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan, Anh và Mỹ đều tập trung vào việc thu hồi kim loại màu, chiếm hơn 40% tổng số sáng chế Đức và Nhật Bản cũng chú trọng đến việc thu hồi nhựa với tỷ lệ lần lượt là 35% và 32%, trong khi Pháp và Anh quan tâm đến việc thu hồi kim loại độc hại, chiếm hơn 30% số sáng chế của họ.
Biểu đồ 17 Phân tích các sáng chế thu hồi, tái chế vật liệu từ chất thải điện tử ở một số quốc gia
Trong các nghiên cứu công nghệ thu hồi và tái chế vật liệu từ chất thải điện tử, việc thu hồi kim loại màu có nhiều sáng chế nhất, nhưng nghiên cứu thu hồi kim loại đen lại cho thấy xu hướng tăng trưởng cao trong giai đoạn 2010–2019 với tốc độ tăng trưởng kép đạt 23,1% Đáng chú ý, kim loại đất hiếm lại ghi nhận tốc độ tăng trưởng kép âm trong cùng giai đoạn này.
Biểu đồ 18 Tốc độ tăng trưởng kép của các sáng chế thu hồi, tái chế vật liệu từ chất thải điện tử giai đoạn 2010–2019
Kim loại độc hại Kim loại quý Kim loại đen Kim loại đất hiếm
Kim loại đen Kim loại độc hại
Nhựa Kim loại quý Kim loại đất hiếm
Các đơn vị sở hữu nhiều sáng chế về xử lý chất thải điện tử
Top 20 đơn vị sở hữu sáng chế nhiều nhất
Các doanh nghiệp lớn, đặc biệt là các tập đoàn đa quốc gia như Panasonic, Sumitomo Metal Mining, Nippon Mining & Metals, Toshiba, Hitachi và Mitsubishi, đang dẫn đầu trong lĩnh vực công nghệ xử lý chất thải điện tử với hơn 100 sáng chế Trong số đó, Panasonic nổi bật với 328 sáng chế được công bố bảo hộ, cho thấy vai trò quan trọng của họ trong ngành này.
Không chỉ doanh nghiệp mà còn có sự tham gia của khu vực nghiên cứu trong việc sở hữu nhiều sáng chế xử lý chất thải điện tử Trong số này, có bốn trường đại học và học viện nổi bật, bao gồm Cent South, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Kunming Sci.
& Technology và National Institute for Industry Science and Technology (Biểu đồ 19)
Biểu đồ 19 Các đơn vị sở hữu nhiều sáng chế xử lý chất thải điện tử
Nhật Bản và Trung Quốc đứng đầu trong số các quốc gia sở hữu nhiều sáng chế về xử lý chất thải điện tử, với Nhật Bản dẫn đầu với 16 đơn vị (15 doanh nghiệp và 1 học viện), tổng cộng 3.034 sáng chế Ba đơn vị sở hữu nhiều sáng chế nhất đều đến từ Nhật Bản, bao gồm Panasonic, Sumitomo Metal Mining và Nippon Mining & Metals Trung Quốc có 4 đơn vị (1 doanh nghiệp và 3 trường đại học, học viện) với tổng cộng 789 sáng chế.
PANASONIC SUMITOMO METAL MINING NIPPON MINING & METALS
TOSHIBA HITACHI CHINESE ACADEMY OF SCIENCE
MITSUBISHI MATERIALS TOYOTA MOTOR KOBE STEEL MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES
SHARP MITSUBISHI ELECTRIC NIPPON STEEL GEM UNIV KUNMING SCI & TECHNOLOGY
TAIHEIYO CEMENTNATIONAL INSTITUTE FOR INDUSTRIAL SCIENCE… SONY
B ảng 1 Đóng góp của Nhật Bản và Trung Quốc vào Top 20 đơn vị sở hữu nhiều sáng ch ế về xử lý chất thải điện tử
STT Đơn vị sở hữu sáng chế Quốc gia Số lượng sáng chế
2 SUMITOMO METAL MINING Nhật Bản 308
3 NIPPON MINING & METALS Nhật Bản 306
9 MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES Nhật Bản 170
13 DOWA METALS & MINING Nhật Bản 111
16 NATIONAL INSTITUTE FOR INDUSTRIAL SCIENCE
17 UNIV CENT SOUTH Trung Quốc 288
18 CHINESE ACADEMY OF SCIENCE Trung Quốc 241
20 UNIV KUNMING SCI & TECHNOLOGY Trung Quốc 130
Các hướng nghiên cứu chính của Top 20 đơn vị sở hữu sáng chế nhiều nhất
Theo dõi các xu hướng nghiên cứu chính từ 20 đơn vị hàng đầu sở hữu nhiều sáng chế về xử lý chất thải điện tử, có thể nhận thấy một số nội dung quan trọng như được trình bày trong Bảng 2.
Hướng nghiên cứu hiện nay tập trung chủ yếu vào việc xử lý nguồn chất thải điện tử, trong đó pin và ắc-quy vẫn là đối tượng chính được 14/20 đơn vị quan tâm nghiên cứu.
- Về các giải pháp kỹ thuật xử lý, tái chế chất thải điện tử: đa số các đơn vị sử dụng phương thức chiết tách bằng hóa chất (12/20)
Nghiên cứu thu hồi và tái chế vật liệu từ chất thải điện tử hiện nay chủ yếu tập trung vào việc thu hồi kim loại màu, với 16 trong số 20 đơn vị tham gia nghiên cứu này.
Bảng 2 trình bày các hướng nghiên cứu chính của 20 đơn vị hàng đầu sở hữu sáng chế trong lĩnh vực xử lý chất thải điện tử trên toàn cầu Những đơn vị này tập trung vào các phương pháp và công nghệ tiên tiến nhằm cải thiện hiệu quả xử lý và tái chế chất thải điện tử, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.
MINING Pin/Ắc quy; Chiết tách_Sử dụng hóa chất; Thu nhận kim loại màu
Pin/Ắc quy; Chiết tách_Sử dụng hóa chất; Thu nhận kim loại màu
SCIENCE Pin/Ắc quy; Chiết tách_Sử dụng hóa chất; Thu nhận kim loại màu
MITSUBISHI MATERIALS Pin/Ắc quy; Chiết tách_Sử dụng hóa chất; Thu nhận kim loại màu
Pin/Ắc quy; Chiết tách_Sử dụng hóa chất; Thu nhận kim loại màu
NIPPON STEEL Pin/Ắc quy; Chiết tách_Sử dụng hóa chất; Thu nhận kim loại màu
DOWA METALS & MINING Pin/Ắc quy; Chiết tách_Sử dụng hóa chất; Thu nhận kim loại màu
TAIHEIYO CEMENT Pin/Ắc quy; Chiết tách_Sử dụng hóa chất; Thu nhận kim loại màu
UNIV CENT SOUTH Pin/Ắc quy; Tinh luyện kim loại bằng điện phân; Thu nhận kim loại màu
TOYOTA MOTOR Pin/Ắc quy; Tinh luyện kim loại bằng điện phân; Thu nhận kim loại màu
Pin/Ắc quy; Tinh luyện kim loại bằng điện phân; Thu nhận kim loại màu
GEM Pin/Ắc quy; Chiết tách_Sử dụng chất lỏng; Thu nhận kim loại màu
SHARP sử dụng pin và ắc quy cùng với máy tách chuyên dụng để thu nhận nhựa HITACHI áp dụng phương pháp chiết tách bằng từ tính để thu nhựa từ pin và ắc quy PANASONIC sử dụng đèn phóng điện và hóa chất để chiết tách, thu nhận kim loại màu từ các thiết bị Các đơn vị này đều sở hữu sáng chế và tập trung vào nghiên cứu phát triển công nghệ tái chế.
SONY Đèn phóng điện; Chiết tách_Sử dụng hóa chất; Thu nhận kim loại màu
MITSUBISHI ELECTRIC Đèn phóng điện; Chiết tách_Bằng từ tính; Thu nhận nhựa TOSHIBA
Thành phần kết cấu thiết bị điện (thân, bảng đấu dây…); Chiết tách_Sử dụng hóa chất; Thu nhận kim loại màu
Thành phần kết cấu thiết bị điện (thân, bảng đấu dây…); Chiết tách_Sử dụng hóa chất; Thu nhận kim loại màu
CÁC GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CHẤT THẢI ĐIỆN TỬ TẠI VIỆT NAM
Các sáng chế được bảo hộ tại Việt Nam
Có 10 sáng chế xử lý chất thải điện tử được bảo hộ tại Việt Nam, đa phần có nguồn gốc từ một số quốc gia sở hữu nhiều sáng chế nhất, như Nhật Bản, Trung Quốc và
Việt Nam, thông qua Viện Khoa học, Công nghệ và Môi trường thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội, đang đóng góp vào lĩnh vực thu hồi kim loại màu, chủ yếu là đồng, từ chất thải điện tử Nhiều sáng chế trong lĩnh vực này đã được phát triển tại Mỹ, nhằm nâng cao hiệu quả trong việc tái chế và bảo vệ môi trường.
2.1.1 Sáng chế về kỹ thuật xử lý, tái chế chất thải điện tử
2.1.1.1 Phương pháp tái chế bảng mạch in bằng cách tách sợi thủy tinh cacbon hóa và lá đồng sử dụng hóa chất
Chủ sáng chế: WU Hsieh Sen (Trung Quốc)
Phương pháp tái chế bảng mạch in sử dụng hóa chất để tách sợi thủy tinh cacbon hóa và lá đồng Quá trình bắt đầu bằng việc ngâm bảng mạch in trong natri nitrat nấu chảy, kích thích phản ứng hóa học phân hủy nung nóng nhằm tách nhựa epoxy brom hóa ra khỏi sợi thủy tinh Kết quả của quá trình này là natri bromua, sợi thủy tinh cacbon hóa, lá đồng, khí hữu cơ và oxit nitơ Cuối cùng, sợi thủy tinh cacbon hóa và lá đồng được tách ra bằng cách tráng nước lên hỗn hợp, cho phép thu trực tiếp các thành phần này.
2.1.1.2 Phương pháp thu nhận kim loại từ việc bóc tách bảng mạch in và các thành ph ần khác của thiết bị điện tử phế thải
Chủ sáng chế: Nippon Magnetic Dressing Co.Ltd (Nhật Bản)
Phương pháp thu nhận kim loại từ bảng mạch in và các thành phần thiết bị điện tử phế thải bao gồm hai bước chính: đầu tiên, tách bảng mạch in bằng cách nghiền thiết bị điện tử thải với máy nghiền và đập; tiếp theo, sử dụng máy nghiền tác động quay để tách các thành phần gắn trên mạch in.
2.1.1.3 Thi ết bị thu hồi kim loại quý từ bảng mạch in
Chủ sáng chế: Singwei Technologies Co Ltd (Đài Loan)
Thiết bị thu hồi kim loại quý bao gồm băng tải, bộ phận nạp liệu, cánh tay robot, bộ phận nhúng, bộ phận hòa tan và bộ phận làm sạch bằng nước Cánh tay robot mở nắp ca-pô của bộ phận nạp liệu, cho phép nạp kim loại quý từ thùng chứa hình lăng kính năm cạnh Bộ phận nạp liệu được chuyển đến các bộ phận nhúng, hòa tan và làm sạch qua băng tải, sử dụng nước để thu hồi kim loại quý từ các vật thể chứa Thiết bị này hoạt động liên tục và tự động, giúp cải thiện tốc độ và hiệu quả thu hồi kim loại quý.
2.1.1.4 Thi ết bị thu hồi kim loại quý từ chất thải từ bảng mạch in, có băng tải, thi ết bị vận chuyển vật liệu có chứa kim loại quý, thiết bị ngâm vật liệu trong dung d ịch, thiết bị hòa tan và thiết bị rửa
Chủ sáng chế: Singwei Technologies Co Ltd (Đài Loan)
Thiết bị tái chế kim loại quý bao gồm băng tải, vật mang, thiết bị ngâm, thiết bị hòa tan và thiết bị rửa Băng tải chuyển các chất đến từng thiết bị để thực hiện quy trình tái chế Với khả năng hoạt động liên tục, thiết bị này không chỉ nâng cao tốc độ mà còn gia tăng lượng kim loại quý được tái chế hiệu quả.
2.1.1.5 Phương pháp xử lý pin axit-chì thải, bao gồm việc tách, nghiền và xử lý các m ảnh nhựa trong pin
Chủ sáng chế: Chang Y (Trung Quốc)
Phương pháp xử lý pin axit-chì bao gồm 4 bước chính: nghiền, phân loại, xử lý mảnh nhựa và tái chế nhựa Qua quy trình này, pin axit-chì được chuyển đổi thành các mảnh chì và mảnh nhựa có thể tái sử dụng Đồng thời, chất lỏng thải và khí thải từ pin được xử lý qua các thiết bị chuyên dụng, giúp ngăn ngừa ô nhiễm môi trường Nhờ đó, phương pháp này không chỉ tái chế hiệu quả các vật liệu hữu ích mà còn bảo vệ môi trường khỏi chất thải độc hại.
2.1.2 Sáng chế hồi vật liệu từ chất thải điện tử
2.1.2.1 Phương pháp thu hồi đồng từ chất thải lỏng thải khi khắc bảng mạch in
Chủ sáng chế: Ebara Engineering Service Co Ltd (Nhật Bản)
Phương pháp thu hồi đồng từ chất thải lỏng trong quá trình khắc bảng mạch in bao gồm việc trộn chất lỏng với chất oxy hóa như hydrogen peroxide, sau đó kết hợp với dung dịch kiềm-hóa chất Quan trọng là phải kiểm soát mức pH của hỗn hợp để không giảm xuống dưới 7 Cuối cùng, chất rắn đồng oxit được tách ra khỏi hỗn hợp thông qua quá trình điện phân.
2.1.2.2 H ệ thống thu gom các kim loại như niken, coban, vàng, bạc, bạch kim và palađi
Chủ sáng chế: Matsuda Sangyo Co Ltd (Nhật Bản)
Hệ thống thu gom kim loại như niken, coban, vàng, bạc, bạch kim và palađi từ chất thải lỏng trong sản xuất linh kiện điện tử và thiết bị bán dẫn Thiết bị này được trang bị bộ phận xử lý thông tin, giúp xác định loại kim loại đang được thu nhận và cảnh báo khi có sự bất thường trong quá trình thu gom.
2.1.2.3 Thu nh ận kim loại từ quặng khoáng sử dụng các hợp chất dithiocacbamat
Chủ sáng chế: Cytec Technology Corp (Mỹ)
Sáng chế này liên quan đến việc thu nhận kim loại như đồng, niken, molypden, chì, kẽm, vàng, bạc, bạch kim và palađi từ quặng khoáng thông qua các hợp chất dithiocacbamat Những hợp chất này cho thấy hiệu suất thu nhận kim loại vượt trội trong nhiều điều kiện pH khác nhau, mang lại cải tiến đáng kể trong việc thu hồi kim loại so với các chất truyền thống như thionocarbamat Việc sử dụng các hợp chất này với liều lượng nhỏ hơn không chỉ nâng cao hiệu quả mà còn giúp tiết kiệm chi phí cho mỗi đơn vị kim loại thu hồi.
2.1.2.4 Phương pháp thu hồi đồng từ dung dịch phân hủy bảng mạch in của ch ất thải điện tử gia dụng
Chủ sáng chế: School Enviromental Sci & Technology (Việt Nam)
Phương pháp thu hồi đồng từ dung dịch phân hủy bảng mạch in của chất thải điện tử gia dụng sử dụng cực dương là than chì, cho phép kim loại đồng điện phân bám vào cực âm để thu hồi Nồng độ đồng trong dung dịch điện phân bắt đầu ở mức 0,4M và giảm xuống 0,21M sau quá trình điện phân Quá trình này được chia thành ba giai đoạn với mật độ dòng điện lần lượt là 4, 3 và 2A/dm2, tương ứng với nồng độ đồng trong từng giai đoạn từ 0,4 - 0,3M, 0,3 - 0,25M đến 0,25 - 0,21M Thời gian điện phân cho mỗi giai đoạn được xác định theo công thức Faraday trong các trường hợp cụ thể.
2.1.2.5 Phương pháp thu hồi đồng từ chất thải lỏng có tính axit chứa đồng, bao g ồm việc trộn chất thải lỏng với chất oxy hóa, trước khi trộn hỗn hợp chất lỏng v ới dung dịch kiềm với mức độ pH được kiểm soát
Chủ sáng chế: Ebara Corp (Nhật Bản)
Phương pháp thu hồi đồng từ chất thải lỏng axit chứa đồng, như chất lỏng thải ăn mòn từ quá trình mạ đồng, bao gồm việc trộn chất thải với chất oxy hóa vào dung dịch kiềm và điều chỉnh pH không giảm xuống 7 Quá trình này giúp cô lập chất rắn chứa đồng oxit làm thành phần chính, mang lại hiệu quả trong việc tái chế và bảo vệ môi trường.
Các giải pháp công nghệ trong nước sẵn sàng chuyển giao
2.2.1 Quản lý chất thải điện tử tại Việt Nam theo định hướng kinh tế tuần hoàn
Tác giả: GS.TS Huỳnh Trung Hải; PGS.TS Nguyễn Đức Quảng – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Để quản lý chất thải điện tử theo định hướng kinh tế tuần hoàn, cần xây dựng và triển khai một giải pháp tổng thể bao gồm: phát triển công nghệ tiền xử lý và tháo dỡ chất thải điện tử hiệu quả; cải thiện hệ thống thu gom; phát triển công nghệ xử lý chất thải nguy hại; tối ưu hóa quy trình thủy luyện để thu hồi kim loại từ bảng mạch điện tử (PCB); và phát triển công nghệ tái chế thủy tinh.
Hình 1: Quản lý chất thải điện tử theo xu thế kinh tế tuần hoàn
Quy trình công nghệ thu hồi kim loại từ bảng mạch điện tử bắt đầu bằng việc tháo dỡ và phân loại các thành phần như nhựa, sắt, nhôm, và tụ điện Sau đó, các thành phần này được xay nghiền và tách riêng bột nhựa bằng phương pháp trọng lực Hỗn hợp kim loại còn lại được xử lý bằng các phương pháp hóa lý, trong đó sắt từ được tách ra bằng công nghệ tuyển từ Việc ứng dụng NH4/NH3 và quá trình điện phân cho phép thu hồi đồng (Cu), trong khi HCl được sử dụng để thu hồi chì (Pb), kẽm (Zn), và thiếc (Sn) thông qua các phản ứng hóa học Sự kết hợp giữa điện phân và hóa lý giúp sản phẩm kim loại thu được có độ tinh khiết cao.
Hình 2: Quy trình công nghệ thu hồi kim loại từ bảng mạch điện tử
Trong điều kiện tối ưu, công nghệ thủy luyện cho phép thu hồi và tái chế kim loại từ bảng mạch với hiệu suất cao, cụ thể là 92% cho thiếc oxit (SnO2) và 81% cho muối chì (PbCl2) Đặc biệt, hiệu suất hòa tách kim loại đồng (Cu) có thể đạt tới 99%.
Tháo dỡ, phân loại thủ công
Thu hồi chì Thu hồi thiếc
Sắt Nhựa Cắt, nghiền, sàng
Sắt từ Điện phân đồng
Giải pháp này nâng cao hiệu quả trong quá trình tiền xử lý và xử lý chất thải điện tử, cho phép tăng cường hiệu suất hòa tách các kim loại như thiếc, chì và đồng đạt trên 80% khi kết hợp đồng thời nhiều phương pháp.
2.2.2 Lò đốt bảng mạch và tái chế kim loại trong xử lý rác thải điện tử
Bảng mạch điện tử, một loại chất thải nguy hại, cần được xử lý đúng cách Sau khi tháo dỡ và phân tách các thành phần như IC, tụ điện và điện trở, chúng sẽ được xử lý bằng phương pháp đốt và tái chế kim loại Việc này không chỉ giúp giảm thiểu tác động môi trường mà còn tận dụng được các nguyên liệu quý giá.
Các lò đốt thông thường thải ra nhiều khí độc hại như lưu huỳnh dioxide (SO2), oxit nitơ (NOx), carbon monoxide (CO), acid hydrochloric (HCl) và hydro fluoride (HF) do quá trình đốt cháy không hoàn toàn hoặc thành phần rác thải Để xử lý các khí thải này, hệ thống xử lý khí thường sử dụng phương pháp hấp thụ với dung dịch kiềm như natri hydroxide (NaOH) và natri carbonate (Na2CO3), hoặc hấp phụ bằng khoáng chất vôi (CaO) kết hợp với dolomit (CaCO3.MgCO3) Đặc biệt, than hoạt tính (activated carbon) được sử dụng để loại bỏ hoàn toàn dioxin và furans còn lại trong khói thải trước khi thải ra môi trường.
Công nghệ đốt hồ quang cho phép nhiệt độ ngọn lửa đạt tới 1.500°C, giúp thiêu đốt hoàn toàn các chất chứa carbon và hydro trong linh kiện Với hiệu suất nhiệt đạt 98%, lò đốt hồ quang giảm thiểu đáng kể lượng dioxin và furans thải ra môi trường (giảm từ 5,9 ngTEQ/N.m³ xuống 1,16 ngTEQ/N.m³, tức là giảm 5 lần so với đốt thứ cấp thông thường), đồng thời nồng độ carbon monoxide và bụi cũng giảm 2-3 lần Nhờ vào nhiệt độ cao, lò đốt hồ quang rất phù hợp cho việc xử lý chất thải nguy hại, với hiệu suất sử dụng cao và chi phí đầu tư cũng như phí vận hành thấp hơn so với lò đốt thông thường.
Hình 4: Mô hình lò đốt rác hồ quang
Lò tái sinh kim lo ại
Phế liệu kim loại (chứa nhôm) sau khi phân loại, làm sạch được đưa vào lò tái sinh kim loại ở nhiệt độ khoảng 750-1.100°C để nấu nóng chảy
Hình 5: Quy trình công nghệ lò nấu nhôm
Trong quá trình tái sinh kim loại, các cặn bã và tạp chất được loại bỏ, trong khi khí hydro (H) sinh ra sẽ được khử bằng khí Chlor (Cl) và khí nitơ (N) Tùy theo yêu cầu sản phẩm cuối cùng, nhôm có thể được đúc thành thỏi, phôi, thanh, hoặc hình thành tấm lớn cho quá trình cán, phun thành bột, hoặc vận chuyển trong trạng thái nóng chảy đến các cơ sở chế biến khác Khí thải được xử lý qua các lớp than hoạt tính để hấp thụ, hấp phụ và thải nhiệt trước khi thải ra môi trường.
Lò nấu nhôm có khả năng sản xuất lên đến 10 tấn nhôm mỗi ngày và tiêu tốn ít năng lượng hơn so với việc sản xuất nhôm mới Việc sử dụng lò này giúp giảm thiểu việc khai thác khoáng sản nhôm, từ đó bảo vệ tài nguyên môi trường Hơn nữa, quá trình nấu nhôm tái chế không làm biến đổi các nguyên tố khác, dẫn đến lượng nhôm tái chế cao.
2.2.3 Một số giải pháp tái chế vàng và ứng dụng vật liệu hấp phụ trong công nghệ tái chế rác thải điện tử
Tác giả: TS Triệu Quốc An – Khoa Kỹ thuật Thực phẩm và Môi trường (Trường Đại học Nguyễn Tất Thành)
Các linh kiện điện tử như thanh RAM, chip xử lý và chân tiếp xúc trong bảng mạch chứa nhiều vàng Phương pháp bóc tách vàng trực tiếp từ bảng mạch điện tử được thực hiện thông qua phản ứng ôxy hóa chọn lọc, sử dụng hỗn hợp persulfate và hydroxy peroxide (S2O8 2-).
Các kim loại cơ bản như sắt, niken, nhôm và đồng có thể bị hòa tan một phần trong quá trình xử lý, trong khi vàng hầu như không bị hòa tan, cho phép nó được giải phóng khỏi bề mặt bảng mạch điện tử Hiệu suất thu hồi kim loại có thể đạt tới 98% với độ tinh khiết lên đến 95%.
Hình 6: Quá trình bóc tách vàng trực tiếp từ bảng mạch điện tử
Dung dịch sau khi hòa tan kim loại, vẫn còn tồn đọng một lượng vàng nhất định, sẽ được phân tách qua quá trình thủy luyện bằng vật liệu hấp phụ zirconia (ZrO2) đã được biến tính bề mặt Quá trình biến tính này sử dụng thioctic acid (TOA), giúp zirconia có khả năng bắt giữ chọn lọc ion Au (III) và ion Pd(II) Bề mặt zirconia gắn các tác nhân alendronic acid (AA) và tạo nối hóa trị với TOA thông qua phản ứng ghép cặp amide, nhằm hạn chế sự rửa trôi các nhóm chức.
Hình 7: Quá trình biến tính bề mặt vật liệu ZrO 2
Dung lượng hấp phụ của vật liệu sau khi biến tính cho phép thu hồi tối đa 4,3 mg Au/g vật liệu và 6,3 mg Pd/g vật liệu
Quy trình bóc tách vàng trực tiếp mang lại hiệu quả cao, đơn giản và ít ảnh hưởng đến môi trường Phương pháp này cho phép mở rộng quy mô dễ dàng, sử dụng vật liệu có khả năng phân tách chọn lọc các ion Au(III) và Pd(II), đồng thời có thể tái sử dụng.
2.2.4 Công nghệ thu hồi Yttri và Europi từ đèn huỳnh quang sau sử dụng
Tác giả: TS Hà Vĩnh Hưng – Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội)
Yttri và Europi là hai thành phần quan trọng trong bột huỳnh quang, giúp tạo ra ánh sáng khả kiến Việc thu hồi Yttri và Europi không chỉ giảm thiểu sự phát tán ra môi trường mà còn bảo vệ sức khỏe con người.
Bóng đen huỳnh quang, sau khi được đập vỡ bằng phương pháp cơ học hoặc siêu âm, sẽ phân tách và thu hồi bột huỳnh quang Bột này được kiềm hóa để dễ dàng hòa tách, sử dụng thiết bị thùng quay ở nhiệt độ 950°C trong 2 giờ Sau khi kiềm hóa, bột huỳnh quang được rửa trong 15 phút để loại bỏ hóa chất dư thừa, sau đó hòa tách bằng cách khuấy và gia nhiệt ở 50°C trong 20 phút, sử dụng axit như HCl với nồng độ 3,5M, rồi lọc và thu dung dịch hòa tách.
Hình 8: Quy trình tái chế đèn huỳnh quang
