根據聯合國2020年全球電子廢棄物監測報告[1]，2019年全球產生了創紀錄的5360萬噸電子廢棄物，比過去五年增長了21%。該報告估計，到2030年，全球電子垃圾將比16年前翻一倍。該報告還發現，2019年只有17.4%的電子垃圾被回收，這意味著黃金、白銀、銅和鉑等有價值和可回收的材料被丟棄，保守估計價值達570億美元，這對關鍵材料回收技術開發的急迫性存有警示的意味。稀土元素是清潔能源和高科技製造中最常被使用的關鍵材料之一，其獨特且多樣的特性使其在消費性產品中的應用比任何其他元素都多。

圖片來源 : shutterstock、達志影像

稀土礦的開採、加工既昂貴又費力，而且對環境造成很大的負擔；若能開發高回收率且兼顧環保效益的稀土回收技術，對供應鏈的緩解會是一大福音。為此，2021年7月蘋果公司(Apple Inc.，Apple)與擁有稀土元素回收專利的卡內基梅隆大學(Carnegie Mellon University，CMU)合作，開發各種稀土回收解決方案。

CMU與Apple合作開發回收機器人

CMU的仿生機器人實驗室(Biorobotics Lab)研究團隊正與蘋果公司合作，設計機器學習模型，開發Daisy和Dave等回收機器人，使其能夠自學如何拆卸舊的電子裝置，讓回收機制能夠有效地對電子廢棄物進行分類。這些機器人可以用雷射光掃描手機以創建3D模型，模型通常需要大量數據(如圖像)，才能識別物體並將其分解。回收機器人Daisy拆解iPhone設備，以便回收商可以回收更多內部材料；最新的回收機器人Dave從iPhone上拆解觸覺引擎(Taptic Engine)，用以回收稀土磁鐵、鎢和鋼等關鍵材料。CMU實驗室主任Matt Travers說：『垃圾實際上有很多價值，但需要有好的回收機制』。從這則新聞[2]發現，科技巨臂借重CMU產學雙棲的仿生機器人專家合作開發稀土回收解決方案，同時因為有大量的數據引入，使得人工智慧和機器學習在回收的領域發揮到極致。不少教授在CMU任教多年後，帶團隊出去成立了新創公司，將其學術研發成果轉化為落地產品及應用。

CMU回收稀土元素專利佈局

CMU於2016年申請了二件涉及稀土回收技術的美國專利(表1)，該兩件專利申請於2015年提交暫時申請案(Provisional application)主張其優先權。此外，這些關於回收稀土元素的發明，是在美國能源部(the Department of Energy)的支持下完成的，因此美國政府對該等專利享有一定的權利。

表1 卡內基梅隆大學CMU稀土回收美國專利

CMU有關稀土回收專利簡介

(一) 液-液萃取技術回收稀土

美國專利US10422023B2係涉及使用液-液萃取(liquid-liquid extraction, LLE)技術將稀土元素從淡水回收到高鹽溶液(hypersaline solutions)中，進而從高鹽溶液中經濟地回收稀土元素(Rare Earth Element, REE)的方法[3]。這裡指的高鹽溶液係指比海水更濃縮的溶液。該專利涉及之專利分類號包括C22B 3/26(透過使用有機化合物之液-液萃取)，B01D 11/04(以液態溶液為溶劑萃取的分離技術)以及C22B 59/00(稀土金屬之提取)等等。

該專利涉及之稀土元素回收方法包括：使用鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(Bis(2-ethylhexyl) phosphate，縮寫HDEHP)作為庚烷稀釋劑中的萃取劑進行正向萃取，以將稀土元素從鹽水溶液中配位到有機相中；調整正向萃取過程中的操作條件使log Kd>1.6，其中Kd為有機相與鹽水溶液的分配係數；稀土元素被萃取劑錯合；以及對有機相進行逆向萃取而將該錯合的稀土元素分配到水相中。

圖1的流程圖是該專利示意性的例示一個用於從少量高鹽溶液中分離和濃縮稀土元素的液-液萃取方法，過程包括樣品製備，然後是三個萃取循環，其中稀土元素與HDEHP 配位基錯合進入有機相，留下不含稀土元素的廢鹽水。最後經過四輪強酸洗脫回收稀土元素。此外，回收的稀土元素可以進行電感耦合等離子體質譜法(Inductively coupled plasma mass spectrometry，簡稱ICP-MS)分析測試，使用數學模型改變操作條件以提高分離效率，可提高20-40%的稀土回收率(實現鑭系元素高於98%的高回收率)，同時使用少量樣品和試劑。

圖1. 液-液萃取技術回收稀土元素之方法流程圖

圖片來源：美國專利US10422023B2

(二) 自含水介質中回收稀土元素

稀土元素是現代能源技術和電子產品的關鍵組成，係由一組化學性質相似的鑭系金屬再加上釔和鈧所構成。全球稀土元素的生產以開採、提取等加工、精煉為主。稀土元素在地殼中雖含量豐富，但也高度分散，使得它們用於工業用途的提取和濃縮成本高且困難。然而，諸如海水、鹽水、地下水等不同類型的水都含有一定程度的稀土元素，但傳統的採礦技術無法回收這些稀土元素，因此開發可以從水性介質中濃縮和提取稀土元素的方法是有利的。從不同基質中分離和回收稀土元素的替代方法，已成為稀土供應短缺窘境下迫切的需要，從而天然水、海水、鹽水以及從傳統石油／天然氣和頁岩氣開採或熱能作業產生的廢水等水性介質(aqueous media)為回收稀土元素提供了一個新的機會。

因為現有的稀土元素分離技術沒有足夠的選擇性，且化學步驟繁瑣提高成本，使得從復雜的水介質中回收稀土元素具有挑戰性。CMU為此提出一種從水性介質中回收稀土元素的方法專利[4]。該專利涉及之專利分類號包括C22B 3/24(透過固態物質之吸附提取金屬)，B01J 20/3057(使用壓印材料之固態吸附劑組合物)，以及B01D 15/08(使用固體吸附劑選擇性地吸附來處理液體之分離)等等。

該專利涉及之稀土元素回收方法如圖2所示，包括：提供一吸附劑 (100)，其中所述吸附劑包括一襯底 (101)以及附著於該襯底表面的材料 (110)，其中所述材料選擇性地與至少一種稀土元素結合；然後將該吸附劑 (100)暴露於水性介質，其中稀土元素與襯底表面上的材料結合；再用酸沖洗該吸附劑；最後可從酸中回收稀土元素。在其實施例中，襯底可以是含有羧酸或胺基之矽膠，以及襯底表面上的材料可以是離子壓印聚合物 (ion imprinted polymers，IIP)，且該離子壓印聚合物可從一系列水性基質中選擇性的回收稀土元素 (如鑭系元素)。該專利之申請專利範圍亦主張一種用於從水溶液中提取稀土元素的功能性吸附劑。該吸附劑包括具有稀土元素吸附材料的固態襯底，且該吸附材料設置在襯底的表面上。

圖2. 將離子壓印聚合物塗覆襯底表面上形成功能性吸附劑的示意圖

圖片來源：美國專利US20170101698A1

該專利揭露了一種用於選擇性螯合稀土元素之固相襯底的合成及其兩步驟回收稀土元素的方法。兩步驟包括：稀土元素在吸附劑上的預濃縮以及酸洗脫進行回收。也就是，將稀土元素預濃縮在固相襯底的表面上；接著透過酸洗脫回收稀土元素，並將稀土元素與襯底分離。以此方法回收稀土，相對於其他如液-液分離或共沉澱等分離技術，簡化了工藝步驟，消耗有限的試劑，具有降低成本的理想優勢。

觀點：產學合作開發回收技術 加速緩解供應鏈壓力

F35是美國最尖端的戰機，根據彭博社引述美國國會的報告[5]，指出一架美F35戰機裡面的控制電腦、飛彈的射控和導引系統等特別需要稀土元素才可運作。然而，稀土元素的取得受限於原料供應國。為確保高科技產品和武器裝備生產所必需的稀土元素不受制於人，實現境內所需的稀土金屬完全由美國本土供給，美國川普政府呼籲資源永續回收再利用的理念，能夠落實在科技公司所主張的ESG永續責任裡，包括從廢舊的電子產品中開發提取稀土金屬的技術。為響應循環經濟並兼顧環保成本效益，開發稀土回收新技術，從現有電子產品廢棄物中進行回收，可大幅降低從國外進口依賴的程度，紓解全球稀土供應鏈壓力。構築產學攜手合作，開發回收創新技術，加速落實循環再生經濟及公司ESG永續企業責任，不失為一種可行的解決之道。

備註：

【本文僅反映專家作者意見，不代表本報及其任職單位之立場。】

作者： 芮嘉瑋 現任： 中技社能源暨產業研究中心組長 學歷： 國立清華大學 奈米工程與微系統研究所 博士 中原大學 財經法律研究所 碩士 國立台灣科技大學 材料科學與工程研究所 碩士 經歷： 工研院技術移轉與法律中心執行長室 工研院電子與光電研究所專利副主委 光電產業智權經理 專長： 長期從事產業研究、專利智財與投資評估等工作，專注於能源、產業、環境、經濟等議題。擅長創新技術策略分析、科技預測及評估、專利分析與布局、產業分析、智慧財產權管理與經營策略、專利的商業化與貨幣化。熟捻產業技術發展趨勢，並常在各媒體平台發表文章、應邀演講，成功引領技術前瞻與產業關鍵議題。

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