謝雅敏、周信輝、謝興文、王銘隆、官晉安、鄭文明 / 成信實業股份有限公司
本技術屬於都市採礦創新技術的開發專案，利用火法冶金及濕法冶金等兩大核心技術原理，進行CMP工業污泥的產品化開發，加工成為礦石粉及工業級硫酸銅等兩項產品。本技術將CMP污泥利用火法冶金中焙燒技術進行前處理矽鋁氧化物濃集，再利用濕法冶金中浸漬技術，使矽鋁氧化物與有價銅金屬進行分離，提高固相中矽鋁氧化物之純度，矽鋁氧化物再經粉體加工程序生產礦石粉產品，作為塑料、建材填充粉等用途。另一方面，分離後之液相，利用溶媒萃取製程，將液相中銅離子萃取反萃濃縮，產出硫酸銅水溶液產品供工業應用。於2022年8月至2023年4月完成先導廠試車驗證，規模為每日投料量1.2噸污泥。整體試車之總投料量為9.7噸CMP污泥，產出3.72噸礦石粉、硫酸銅水溶液0.66噸，並完成產品客戶驗證。本技術所獲得的先導廠試車生產操作參數，預計作為投料量約1萬噸/年產能規模之商轉工廠的設計參考資料。
污泥來源
CMP污泥為化學機械研磨(Chemical-Mechanical Polishing; CMP)程序中產生的廢水經處理後所得之副產物。CMP程序是晶圓代工廠關鍵製程之一，此程序是為了使積體電路層平坦化，其研磨介質，主要之成分以氧化矽、氧化鋁、氧化鈰等高硬度的礦物陶瓷材料為主。經研磨後產生之研磨廢料再經廢水處理程序處理後會生成CMP污泥，此污泥目前主要以掩埋或作為水泥原料等去化方式，為了避免資源浪費，可利用城市採礦之概念將CMP污泥製成產品。採樣取得之CMP污泥進行烘乾分析含水率並利用XRF分析成分。結果顯示，CMP污泥含水率約為60%，其主要成分為氧化矽、氧化鋁等研磨礦物；其餘成分為硫及銅等元素之化合物。
火法及濕法冶金技術介紹
火法冶金(Pyrometallurgy)是利用高溫條件將礦物或廢棄物中金屬及其他雜質進行物理化學一系列之變化，使金屬與其他雜質進行分離，從而得到金屬的冶金方法。
焙燒技術是其中常見的成熟技術之一，在低於物料熔化溫度下進行熱處理反應等之處理技術。CMP污泥經焙燒處理後可①使污泥中非氧化物礦物變成氧化物，有助於後續的濕法溶解程序；②去除污泥中可熱分解之易揮發成分；③使CMP污泥中粉狀物變成塊狀或球團狀，以利後續冶煉過程。
濕法冶金(Hydrometallurgy)是選用適合的酸或鹼性等化學溶液，將目標金屬溶解在溶液中，此過程稱為浸漬程序。經浸漬後得到的金屬液再根據金屬之化學性質不同進行分離，其分離程序包含沉澱法、溶媒萃取法、置換法、電解法、離子交換法、吸附法等。
溶媒萃取是利用溶媒去選擇性提取目標金屬離子，再從溶媒中卸載目標金屬，達到分離與控制純化與濃縮之目的。將CMP污泥進行浸漬處理，使銅成分分離到溶液中，再透過溶媒萃取處理，對溶液中的銅加以提取並濃縮，成為銅相關產品能再資源利用。
火法及濕法冶金實驗設計
(1) 原料背景
台灣知名晶圓代工廠所提供之CMP污泥，含水率約60%；除氧化礦物等主成分之外，金屬銅之品位為1~2%。
(2) 實驗流程
依據本公司專利技術流程如圖一所示（中華民國專利號M640701），採用火法及濕法冶金之技術單元：焙燒、浸漬、萃取加以整合。將CMP污泥經乾燥及焙燒等火法冶金程序處理後，再使用浸漬、萃取等濕法冶金程序處理，浸漬後可分成固相及液相，其固相經水洗後可生產出礦石粉之產品；液相經萃取及反萃取後，可生產出硫酸銅水溶液。關鍵參數條件如下。
圖一、技術流程
(3) 實驗結果
①焙燒：於不同焙燒溫度及不同時間下，將1 kg之CMP污泥放入高溫批次爐進行處理。實驗結果顯示，於850˚C、持溫1 hr可使CMP污泥灼熱減量<1%。
②浸漬：取焙燒後之CMP污泥添加不同比例之藥劑進行浸漬實驗。實驗結果顯示，常溫下，添加配方藥劑0.1 N、固液比1:4.5、反應1 hr，銅浸漬率達99%以上。
③萃取：將上述最佳條件獲得之浸漬液，進行溶媒萃取實驗。以小於500毫升之萃取瓶進行實驗，採用工業上常見之銅萃取劑LIX 984N，調整萃取劑濃度、油水比(O/A)、時間等參數，觀察萃取率之變化。實驗結果顯示，20%之LIX 984N、O/A =1/4、進行三階萃取，其銅萃取率約98%。
表一、多批次萃取與反萃取實驗紀錄
④反萃：根據上述萃取之有機相，以硫酸作為反萃取進行反萃取實驗。變化硫酸濃度、O/A、時間等參數，觀察反萃率之變化。實驗結果顯示，添加30%之硫酸、O/A = 5/1、進行三階反萃取，其銅反萃取率約99%。為了確認最佳之實驗參數，進行多批次萃取與反萃取實驗，確保實驗之穩定性，其實驗結果，如表一所示。結果顯示，進行第一次萃取與反萃取時，萃取率及反萃率分別為98.55%及97.61%。隨著多批次萃取與反萃取次數的增加，萃取率及反萃率均無明顯變化，萃取率及反萃率均達97.5%以上 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》441期，更多資料請見下方附檔。