根据联合国2020年全球电子废弃物监测报告[1]，2019年全球产生了创纪录的5360万吨电子废弃物，比过去五年增长了21%。该报告估计，到2030年，全球电子垃圾将比16年前翻一倍。该报告还发现，2019年只有17.4%的电子垃圾被回收，这意味着黄金、白银、铜和铂等有价值和可回收的材料被丢弃，保守估计价值达570亿美元，这对关键材料回收技术开发的急迫性存有警示的意味。稀土元素是清洁能源和高科技制造中最常被使用的关键材料之一，其独特且多样的特性使其在消费性产品中的应用比任何其他元素都多。

图片来源 : shutterstock、达志影像

稀土矿的开采、加工既昂贵又费力，而且对环境造成很大的负担；若能开发高回收率且兼顾环保效益的稀土回收技术，对供应链的缓解会是一大福音。为此，2021年7月苹果公司(Apple Inc.，Apple)与拥有稀土元素回收专利的卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University，CMU)合作，开发各种稀土回收解决方案。

CMU与Apple合作开发回收机器人

CMU的仿生机器人实验室(Biorobotics Lab)研究团队正与苹果公司合作，设计机器学习模型，开发Daisy和Dave等回收机器人，使其能够自学如何拆卸旧的电子装置，让回收机制能够有效地对电子废弃物进行分类。这些机器人可以用雷射光扫描手机以创建3D模型，模型通常需要大量数据 (如图像)，才能识别物体并将其分解。回收机器人Daisy拆解iPhone设备，以便回收商可以回收更多内部材料；最新的回收机器人Dave从iPhone上拆解触觉引擎 (Taptic Engine)，用以回收稀土磁铁、钨和钢等关键材料。CMU实验室主任Matt Travers说：『垃圾实际上有很多价值，但需要有好的回收机制』。

从这则新闻[2]发现，科技巨臂借重CMU产学双栖的仿生机器人专家合作开发稀土回收解决方案，同时因为有大量的数据引入，使得人工智能和机器学习在回收的领域发挥到极致。不少教授在CMU任教多年后，带团队出去成立了新创公司，将其学术研发成果转化为落地产品及应用。

CMU回收稀土元素专利布局

CMU于2016年申请了二件涉及稀土回收技术的美国专利(表1)，该两件专利申请于2015年提交暂时申请案(Provisional application)主张其优先权。此外，这些关于回收稀土元素的发明，是在美国能源部(the Department of Energy)的支持下完成的，因此美国政府对该等专利享有一定的权利。

表1. 卡内基梅隆大学CMU稀土回收美国专利

CMU有关稀土回收专利简介

(一) 液-液萃取技术回收稀土

美国专利US10422023B2系涉及使用液-液萃取(liquid-liquid extraction, LLE)技术将稀土元素从淡水回收到高盐溶液(hypersaline solutions)中，进而从高盐溶液中经济地回收稀土元素(Rare Earth Element, REE)的方法[3]。这里指的高盐溶液系指比海水更浓缩的溶液。该专利涉及之专利分类号包括C22B 3/26(透过使用有机化合物之液-液萃取)，B01D 11/04(以液态溶液为溶剂萃取的分离技术)以及C22B 59/00(稀土金属之提取)等等。

该专利涉及之稀土元素回收方法包括：使用邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(Bis(2-ethylhexyl) phosphate，缩写HDEHP)作为庚烷稀释剂中的萃取剂进行正向萃取，以将稀土元素从盐水溶液中配位到有机相中；调整正向萃取过程中的操作条件使log Kd>1.6，其中Kd为有机相与盐水溶液的分配系数；稀土元素被萃取剂错合；以及对有机相进行逆向萃取而将该错合的稀土元素分配到水相中。

图1的流程图是该专利示意性的例示一个用于从少量高盐溶液中分离和浓缩稀土元素的液-液萃取方法，过程包括样品制备，然后是三个萃取循环，其中稀土元素与HDEHP 配位基错合进入有机相，留下不含稀土元素的废盐水。最后经过四轮强酸洗脱回收稀土元素。此外，回收的稀土元素可以进行电感耦合等离子体质谱法(Inductively coupled plasma mass spectrometry，简称ICP-MS)分析测试，使用数学模型改变操作条件以提高分离效率，可提高20-40%的稀土回收率(实现镧系元素高于98%的高回收率)，同时使用少量样品和试剂。

图1. 液-液萃取技术回收稀土元素之方法流程图

图片来源：美国专利US10422023B2

(二) 自含水介质中回收稀土元素

稀土元素是现代能源技术和电子产品的关键组成，系由一组化学性质相似的镧系金属再加上钇和钪所构成。全球稀土元素的生产以开采、提取等加工、精炼为主。稀土元素在地壳中虽含量丰富，但也高度分散，使得它们用于工业用途的提取和浓缩成本高且困难。然而，诸如海水、盐水、地下水等不同类型的水都含有一定程度的稀土元素，但传统的采矿技术无法回收这些稀土元素，因此开发可以从水性介质中浓缩和提取稀土元素的方法是有利的。从不同基质中分离和回收稀土元素的替代方法，已成为稀土供应短缺窘境下迫切的需要，从而天然水、海水、盐水以及从传统石油／天然气和页岩气开采或热能作业产生的废水等水性介质(aqueous media)为回收稀土元素提供了一个新的机会。

因为现有的稀土元素分离技术没有足够的选择性，且化学步骤繁琐提高成本，使得从复杂的水介质中回收稀土元素具有挑战性。CMU为此提出一种从水性介质中回收稀土元素的方法专利[4]。该专利涉及之专利分类号包括C22B 3/24(透过固态物质之吸附提取金属)，B01J 20/3057(使用压印材料之固态吸附剂组合物)，以及B01D 15/08(使用固体吸附剂选择性地吸附来处理液体之分离)等等。

该专利涉及之稀土元素回收方法如图2所示，包括：提供一吸附剂 (100)，其中所述吸附剂包括一衬底 (101)以及附着于该衬底表面的材料 (110)，其中所述材料选择性地与至少一种稀土元素结合；然后将该吸附剂 (100)暴露于水性介质，其中稀土元素与衬底表面上的材料结合；再用酸冲洗该吸附剂；最后可从酸中回收稀土元素。在其实施例中，衬底可以是含有羧酸或胺基之硅胶，以及衬底表面上的材料可以是离子压印聚合物 (ion imprinted polymers，IIP)，且该离子压印聚合物可从一系列水性基质中选择性的回收稀土元素 (如镧系元素)。该专利之申请专利范围亦主张一种用于从水溶液中提取稀土元素的功能性吸附剂。该吸附剂包括具有稀土元素吸附材料的固态衬底，且该吸附材料设置在衬底的表面上。

图2. 将离子压印聚合物涂覆衬底表面上形成功能性吸附剂的示意图

图片来源：美国专利US20170101698A1

该专利揭露了一种用于选择性螯合稀土元素之固相衬底的合成及其两步骤回收稀土元素的方法。两步骤包括：稀土元素在吸附剂上的预浓缩以及酸洗脱进行回收。也就是，将稀土元素预浓缩在固相衬底的表面上；接着透过酸洗脱回收稀土元素，并将稀土元素与衬底分离。以此方法回收稀土，相对于其他如液-液分离或共沉淀等分离技术，简化了工艺步骤，消耗有限的试剂，具有降低成本的理想优势。

观点：产学合作开发回收技术   加速缓解供应链压力

F35是美国最尖端的战机，根据彭博社引述美国国会的报告[5]，指出一架美F35战机里面的控制计算机、飞弹的射控和导引系统等特别需要稀土元素才可运作。然而，稀土元素的取得受限于原料供应国。为确保高科技产品和武器装备生产所必需的稀土元素不受制于人，实现境内所需的稀土金属完全由美国本土供给，美国特朗普政府呼吁资源永续回收再利用的理念，能够落实在科技公司所主张的ESG永续责任里，包括从废旧的电子产品中开发提取稀土金属的技术。为响应循环经济并兼顾环保成本效益，开发稀土回收新技术，从现有电子产品废弃物中进行回收，可大幅降低从国外进口依赖的程度，纾解全球稀土供应链压力。构筑产学携手合作，开发回收创新技术，加速落实循环再生经济及公司ESG永续企业责任，不失为一种可行的解决之道。

备注：

好消息～北美智权报有微信公众号了！ 《北美智权报》内容涵盖世界各国的知识产权新闻、重要的侵权诉讼案例分析、法规解析，以及产业与技术新知等等。 立即关注北美智权微信公众号→ NAIP_IPServices ～欢迎读者分享与转发～

【本文只反映专家作者意见，不代表本报及其任职单位立场。】

作者： 芮嘉玮 现任： 台湾中技社能源暨产业研究中心组长 学历： 台湾清华大学 奈米工程与微系统研究所 博士 台湾中原大学 财经法律研究所 硕士 台湾科技大学 材料科学与工程研究所 硕士 经历： 台湾工研院技术移转与法律中心执行长室 台湾工研院电子与光电研究所专利副主委 光电产业知识产权经理 专长： 长期从事产业研究、专利知识产权与投资评估等工作，专注于能源、产业、环境、经济等议题。擅长创新技术策略分析、科技预测及评估、专利分析与布局、产业分析、知识产权管理与经营策略、专利的商业化与货币化。熟捻产业技术发展趋势，并常在各媒体平台发表文章、应邀演讲，成功引领技术前瞻与产业关键议题。