锗资源供需形势及回收再利用前景研究

一、研究概况锗是一种稀散金属，在地壳中的含量为1～7ppm，分布稀散且难于从矿石中提取，美国地质调查局(USGS)指出，世界上已探明的锗储量只有8600t。通常，锗在自然界中独立矿物很少，大多分散在有色金属、煤和其他矿物中。全球锗的应用领域主要包括红外光学、光纤、电子和太阳能、聚合催化剂等，最初锗在红外光学方面主要用于军事领域，但在过去几年中，民用领域对使用锗透镜的热成像设备的需求增加。此外，在光纤材料中加入锗可以提高通信性能，在太阳能电池板生产中加入含锗的硅化合物可以改善太阳能电池板生产中的能量差。随着科技的发展，锗越来越多地被应用于高技术产业，并在全球范围内成为一种战略性金属资源。欧盟在2011年、2014年及2017年的矿产 告中，均把稀散金属锗列为对经济发展至关重要的关键原材料，2016年和2018年美国关键矿产清单里锗金属也郝然在列(表1)。未来一段时期，随着全球5G相关基础设施的扩张以及新型光纤的出现，预计锗在光纤领域的需求会进一步增长。同时，锗在红外光学方面也极具增长潜力，随着红外热成像技术的进一步发展成熟，红外热像仪的制造成本将进一步降低，无论在军工领域还是民用领域均有广泛的应用潜力，尤其是在森林防火领域将会有广泛应用。此外，随着新能源的发展，锗在电子和太阳能方面的应用也将进一步增长。表12010～2018年欧盟与美国关键矿产品列表

锗是一种稀缺资源，大自然的原生供给是有限的，由于需求增加和储量不足，截至2017年底，锗金属和锗二氧化物的价格分别达到1490美元/kg和1040美元/kg。因此，考虑到锗资源的稀缺性及对高技术产业发展的重要性，对其进行回收利用具有重要的现实意义。很多学者已研究从 废光纤、废旧电子设备、制造废料以及粉煤灰中回收锗资源进行再利用的可靠性。目前，世界上大约30%的锗是从回收材料中获得的，主要是电子设备。光纤技术的快速发展也产生了大量的废旧光缆，在大多数国家，废旧光缆的处理并不到位，没有一个好的方法来回收废弃的光缆。除此之外，工业废料(粉煤灰)中含有大量的锗金属。

二、全球锗资源供需形势分析

图1全球原生锗产量变化情况

2.2全球锗消费状况随着科技的不断变革，锗的消费领域也在发生着改变。最初，锗主要应用于半导体中晶体管材料的制作，是第一代晶体管材料，直到20世纪60年代，逐渐被资源更丰富，价格更低廉的硅替代，相应地在半导体行业的应用逐渐减少。而在红外、光纤、太阳能电池、航空航天等领域仍然占据重要地位，尤其是21世纪以来，锗在诸多高技术行业得到了广泛应用。2005年，全球锗的消费主要集中于光纤(24%)、红外(23%)、催化剂(26%)、电子和太阳能领域(12%)及其他领域(15%)；到2015年以后，全球锗的消费结构出现了明显的变化。十多年来，全球锗消费在光纤领域增势明显，预计未来一段时间将进一步增加，在红外光学领域的应用增势也较为明显，由2005年的23%增加到近三年来的36%～37%，在电子和太阳能领域的消费也较以往有所增长，相反，锗在催化剂领域的应用则出现了非常显著的下降(表3)。表32005～2018年全球锗消费结构

由于锗的光损耗率低，在光纤通信领域中具有不可替代性(锗在通信领域的不可替代性主要表现在掺杂了四氯化锗的石英光纤具有损耗低的优点，能够加强光纤的光电转化作用)。根据安泰科 告，2018年，仅中国生产光纤预制棒的企业锗用量已达到46989kg。未来，随着通信产业的进一步发展，全球5G相关基础设施的扩张以及新型光纤的出现，预计锗在光纤领域的需求会进一步增长。此外，安泰科 告数据显示，2018年，中国在红外领域以及电子领域的锗消费量同比增长分别为5%和10%。近年来，随着空间太阳能的发展，锗作为一种清洁材料得以广泛应用。总体而言，未来锗需求预计进一步增长。长远来讲，考虑到锗资源需求与供给之间的矛盾以及未来低碳循环经济的进一步发展，很有必要对锗金属进行回收再利用。

三、锗二次资源回收研究现状

目前，锗大部分是从含锗褐煤火法冶炼富集的烟尘及煤灰、铅锌冶炼过程中的锗富集物中提取。然而，全球范围内，锌精矿中锗的回收率仅为3%(由于锌精矿在全球贸易流转并在冶炼厂混合，因此锌储量中的可回收锗无法确定)。燃煤发电过程中产生的灰烬和烟尘中含有大量的锗可以回收再利用。一般来说，可以从工业废料、废弃电子产品、废太阳能电池板和废光纤等含锗的材料中回收锗金属。对这些材料进行X射线荧光分析可以得到各种代表材料中的锗含量：IGCC粉煤灰(integrated gasification with combined cycle fly ash)中的锗含量约420mg/kg；光纤生产过程中锗废料的二氧化锗含量为1.47%；废太阳能电池板粉末中锗含量约4.1%；废光纤粉末中锗含量为0.11%(图2)。

图3粉煤灰中锗回收工艺

3.2从废太阳能电池板中回收锗的研究进展随着太阳能资源开发利用的不断开展， 废太阳能电池板的扩散问题日益突出。太阳能电池板的使用寿命均较长， 废电池板的回收利用在其最初的25年开发过程中并没有受到关注，然而相当数量的第一批安装的太阳能电池板正在退役，对寿命终止的太阳能电池板的良好管理正逐渐成为一个重要的环境问题。目前，市场上很少关注到 废太阳能电池板的拆卸和回收，比如，缺乏专门的太阳能电池板回收厂。KUROIWA等运用离子交换膜与溶剂萃取法研究了从 废太阳能电池板中回收锗金属。2012年7月，欧盟正式修订了《废弃电子电气设备(WEEE)指令》，将光伏组件添加为废弃电子设备，将其纳入WEEE的十大类，此后，太阳能光伏组件被纳入电子废物管理系统，必须收集和回收。3.3从废光纤(光缆)中回收锗的研究进展光纤技术的快速发展产生了大量的废旧光缆，在大多数国家，废旧光缆的处理均不到位，目前，还没有一个好的方法来回收废弃的光缆。随着通信产业的发展，未来几年 废光缆的数量将持续增加，同时，锗金属储量有限，高精尖技术产业对锗的需求量大。因此，很有必要对废旧光缆中锗的回收工艺进行研究以增加锗的有效供给。在目前的相关研究中，比较具有代表性的是CHEN等研究了用湿法(hydrometallurgical method)从废光缆中回收锗。首先，经过预处理程序移除光纤电缆的塑料套管；其次，尝试了不同的浸出实验，在浸出过程中，考察了不同酸的浓度、反应时间和固液比等；为了优化锗的提取工艺，研究了锗的pH值、萃取剂浓度、萃取时间等以达到较好的回收率。在最佳条件下，锗的回收率可达99%，并且分离后的锗能有效地回收利用回到工业生产中。但目前，仍处于实验阶段，并没有投入商业应用。

四、结语

随着全球科技的突飞猛进，锗在各项高端领域的应用逐步显现，然而，物以稀为贵，资源的有限性一直是各大国竞争博弈的焦点，锗金属也不例外。锗作为重要的战略金属资源，在现代通讯、新能源与军工等领域的应用越来越突出，在现有的技术水平下，是一种几乎不可替代的资源。一方面寄希望于技术的突破，开发或合成出更多替代锗的资源，但随着技术的突破，锗的应用范围也将进一步扩展；另一方面，从环保角度而言，随着各种产品不断生产、利用、 废，未来社会将会有大量含锗废物涌现，不但“无处安放”，而且会带来环境负载过重的问题，将是我们不得不解决的一大难题。所以，对锗资源进行二次回收再利用既是出于资源供给安全的考虑，同时又是低碳、绿色、环保、发展循环经济的时代需求。但现阶段，除了从粉煤灰中回收锗在实际应用中相对成熟外，从其他各种含锗废料或 废产品中回收再利用锗还需要大量的研发，才能投入实际应用。