電鑄製程廢棄物回收處理暨成本分析

電鑄製程廢棄物回收處理暨成本分析

陳惠雪1*_、張譽騰2 1_{中華醫事科技大學 醫務管理系} 2_{中華醫事科技大學 職業安全衛生系} E-mail : jyshieh@mail.hwai.edu.tw

摘 要

由於工業需求及技術精進，原料金屬的需求量日益增加，但相對原料缺乏及使用量增加造成國際金屬 礦的價格高居不下；因而金屬礦資源再生已是世界趨勢。在各式各樣的可再生資源中，以鎳金屬廢料無論 從質與量來，都較其他再生資源具經濟之價值。本文主旨在於研發一高效率、高回收率及低作業成本之鎳 回收系統。本論文分別以熔融法及電解精鍊法處理電鑄後之鎳廢料回收再生利用；均可得到高純度鎳 (~99.8%)。由於純度可達 LEM 所規範之 1 級品鎳，因此可作為高附加價值之回收鎳料。本論文同時分析熔 融法及電解精鍊法兩種回收處理方法之成本分析；發現高溫融熔法之每公斤處理成本淨值較電解融熔法 低；回收利潤較高可達877.417(元/Kg)；較一般廢料出售價 450 元/Kg 高。因此以成本－效益分析考量高溫 融熔法是為一值得投資參考方案之一。本論文同時以高溫融熔法分析成本與廢鎳料重量及處理時間之相關 性而推估出回收處理成本分析模式。 關鍵詞：金屬資源再生、融熔法、電解精鍊法、成本分析。

1. 前 言

隨著光電、電子、微機電等產業快速發展，且強調輕薄短小、附加價值提升的今日，傳統的車、銑、 鉋、磨、鑽等機械加工方式，已無法滿足精密微結構模具的製造，故精密電鑄製程的應用已日益受到重視。 電鑄技術乃利用電鍍原理，將各類金屬或合金)沈積於特殊設計之母模上，待累積到相當厚度後再與母模脫 離，即可產生電鑄工件。電鍍與電鑄的基本差異為：電鍍沈積層較薄(μm)且須與基材緊密的結合，鍍層成 為工件的一部份，而電鑄層較厚(μm-cm)且可與母模完全脫離成一獨立成品，故所用之母模前處理方式不 同。一般而言，電鍍所用之模具材料必為導體，而電鑄用模具的選用則具多樣化，導體、非導體及光阻製 作之母模均是選擇範圍。電鑄品主要是強調機能性，因此鑄品的硬度、拉伸強度等機械特性受到重視；電 鍍層則注重光澤性、平滑性、抗磨耗與耐腐蝕性等。 電鑄技術基本分為(一)金屬電鑄如 Ni、Cu、Au、Ag、Pt 等；(二)合金電鑄如 Ni-Fe、Ni-Co、Ni-Mn、 Ni-W ；(三)複合電鑄如 Ni-SiC、Ni-Al2O3、Ni-Diamond 等。應用上標準的電鑄材料是鎳，因鎳具有容易 電鑄及抗腐蝕性佳的特性，但其質軟硬度僅約 250Hv，故主要是應用於製造較無磨耗問題之塑膠結構成形 模仁，或加速度計與過濾網等微結構。如精密模具、光碟沖模(CD stomper)、雷射鏡面、伸縮囊管、光學可 拋棄式模仁、導波管、光學全像片、耐磨砂輪、金屬箔(foil)、板模(stencil)及航空零組件等， 倫敦金屬交易所（LME）將鎳製品分為兩類[1,2]：(一)1 級品：電解鎳、鎳塊、鎳球等 99.8％以上之純 鎳，其用途較廣泛包含：特殊鋼、電子材料和航太材料等的合金、觸媒、電鍍、電鑄、電池材料等。(二)2 級品：即鎳鐵合金-不鏽鋼(鎳 16％〜40％)、氧化鎳(鎳 75％〜98％)及通用鎳(鎳約 98％)等，幾乎都用於特 殊鋼；此外還有NiSO4、NiOH、NiCl2、NiCO3 等化合物產品。 鎳的價格隨著經濟發展雖有極大起伏約在34800~28000 美元/噸，但 2006~2008 年平均價格均在 30,000 ©2010 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851

美元/頓，折合台幣約 960 元/公斤。近年全球礦業更吹起整併風潮，巴西淡水河谷公司(Companhia do Vale do Rio Doce，CVRD)除成功收購 INCO 及 OncaPuma 鎳礦，並積極進行 Piaui 州、Para 州和 Goias 州等 3 座鎳 礦專案；CVRD 更預估 2009 年鎳產量可達到 30 萬噸，將造就一個全球最大產鎳集團；未來鎳市場將更加 壟斷，價格易漲難跌。 不鏽鋼廢料收購價隨國際鎳價波動，目前全省北中南的不鏽鋼廢料收購價主力約在 65~55 元/公斤左 右，少數為50 元/公斤，但鎳價跌破 34000 美元/噸，收購價格將會跌至 50 元/公斤。再者原生鎳的替代品 主要是含鎳不銹鋼廢料，高鎳價使得國內不銹鋼廠商降低原生鎳的使用，轉而增加不銹鋼廢料的消費，但 由於國內含鎳不銹鋼廢料的價格也跟隨國際鎳價上漲而跟著波動，且來源及品質皆不易掌握，所以原生鎳 與不銹鋼廢料間的替代效果並不顯著。 電鑄製程所產出的成品往往伴隨著大量的高純鎳廢料，目前國內外對電鑄製程廢棄物的處理主要有吸 附法、離子交換法、電解處理法等方法，本研究將針對現行之廢棄物處理法，進行實驗室試驗，並建立最 佳操作參數，且針對實廠規模進行經濟評析以及對廢棄物再利用資源應用途徑加以探討，期能提供業界做 為電鑄製程廢棄物回收處理再利用技術選用之參考。 成本效益分析（Cost-Benefit Analysis）是為組織提供決策支持服務的一種平衡法[3]。成本—效益分析 方法的概念首次出現在 19 世紀法國經濟學家朱樂斯·帕特的著作中，被定義為“社會的改良”。其後，這一 概念被義大利經濟學家帕累托重新界定。到 1940 年，美國經濟學家尼古拉斯·卡爾德和約翰·希克斯對前人 的理論加以提煉，形成了“成本—效益”分析的理論基礎即卡爾德—希克斯準則。也就是在這一時期，“成本— 效益”分析開始滲透到政府活動中，如 1939 年美國的洪水控製法案和田納西州泰里克大壩的預算。60 多年 來，隨著經濟的發展，政府投資項目的增多，使得人們日益重視投資，重視項目支出的經濟和社會效益。 這就需要找到一種能夠比較成本與效益關係的分析方法。以此為契機，成本—效益在實踐方面都得到了迅 速發展，被世界各國廣泛採用。成本效益分析強調的是政策的淨效益,即總效益除以總成本,因此它顯示出（經 濟理性）的特質。成本效益分析可藉具體的貨幣多寡來明確顯示計畫的投入與產出,但其較難運用在有較多 外部性與無形結果的政策計畫上[4,5]。 本研究主要目的是以最低成本及最佳的回收製程的方法將電鑄後所殘餘大量的廢料鎳回收精練成高純 度的鎳，該精練鎳將能以最佳再利用的狀態投入二次生產以達到最大廢料再利用的利潤。本論文同時深入 分析製程所有的成本因素，並以成本—效益理論求得電鑄製程廢料鎳最低回收處理成本模組。

2. 實驗方法與步驟

2.1 實驗材料 本實驗以電鑄形成模仁後，剝離之廢料鎳(量約佔原料鎳 50%左右)作為回收精鍊鎳之主要原料；二次離 子水；氨基磺酸鹽鎳、硼酸、氯化鎳，Ethylendiaminetetraacetic Acid(EDTA)，作為滴定分析用之化學藥品。 廢料鎳清洗槽為DC200/DC200H 超音波振盪器(振盪頻率:28~160 KHz；洗淨出力:200W)。精練高純度鎳的 儀器有DFH 型之 S.C.R.相位控制高溫熔爐(溫度範圍 1600~常用 1450℃)及精鍊電解槽兩種。 2.2 實驗方法與步驟 電鑄製程所產出大量的高純鎳廢料，目前國內外回收處理方法主要有吸附法、離子交換法、電解處理 法等方法，本研究將以高溫熔融法[6-8]及現行常用之電解精鍊廢料處理法[9]，進行實驗室試驗，分析兩種 方法的優勢，並建立最佳操作參數及回收成本分析。 本實驗研究方法分成兩階段:第一階段為電鑄製程廢棄物回收精練的最佳方法。本實驗分別使用電解精 練法及高溫熔融法進行研究，並分析所得到回收鎳的純度。電解精練法為將電鑄後廢棄的鎳廢料，經人工

清洗烘乾後作為陽極，以氨基磺酸鹽鎳、硼酸、氯化鎳為電度液，以純鎳為陰極，進行電解精鍊回收高純 鎳。熔融法則以電鑄後廢棄的鎳廢料為原料，先置入DC200/DC200H 之超音波振盪器以二次去離子水清洗； 清洗過程並以EDTA 滴定[10]氨基磺酸鹽鎳，作為清洗完成之指標，俟清洗除去表面之污染物後，烘乾並置 入DFH 高溫爐；將溫度升高至 1500℃進行高溫融熔回收高純鎳。 本研究之第二階段，將電解精練法及高溫熔融法之兩種鎳回收製程的所有作業成本因素進行成本分析 比較，並以成本效益分析理論求得電鑄製程廢料最低回收處理成本模組；及回收再利用之最高利潤。

3. 結果與討論

3.1 鎳回收製程之分析 本研究目的之一為尋找電鑄製程廢鎳料回收精練成高純鎳的最佳方法。研究過程分別以電解精煉及高溫融 熔法進行可行性之研究。並分別依兩者之回收製程進行回收成本-效益分析。電解精煉的原理，是透過電解 原理將含有雜質之金屬置於電解槽之陽極以電解方式在陰極可得到高純度之精煉金屬。本研究方式之一即 採用電解精煉法將電鑄後之廢料鎳電解精煉成1 級品鎳。電鑄廢料原本就為高純度之金屬鎳，唯因電鑄過 程中，模仁鎳料因會吸附電解液之電解質及雜質而造成污染；因此進行電解精煉時須經前置作業進行前處 理。目前業界處理方式為人工清洗，俟清洗乾淨後烘乾，再將烘乾後之廢料投入電解槽電解精煉，完成精 煉後取樣進行純度分析。電解精煉製程如圖一。 鎳廢料清洗 滴 定 烘 乾 取樣分析 精煉脫模 電解精煉 圖一 電解精煉之製程圖 本研究以50kg 的廢料鎳作為實驗基礎，發現人工清洗需兩位工作人員清洗 2 個工作天，再行烘乾。電 解精鍊之製程因電解速度緩慢，至電解精練完成需要時間約14 天。以上粗估所須人工成本及電費成本將相 對較高。 本研究方式之二則採用高溫融熔法，提煉高純度之鎳料。高溫融熔法為近年來從製程廢棄物中回收重 金屬的方法之一，回收製程簡易且可得高純度重金屬，廣為被研發及應用。本研究之融熔法製程為，將電 鑄後之鎳廢料置於超音波振盪器振盪清洗殘留鎳廢料表面之電解液雜質，並間隔取樣、滴定分析，計算清 洗完成之所需時間，俟清洗完成後烘乾。將烘乾之廢料鎳置入高溫融熔爐中，逐步升溫至 1500℃並恆溫至 所有鎳料融熔及以高溫去除雜質；再等高溫爐降溫至常溫後，取樣進行純度分析。融熔精煉製程如圖二。

振盪清洗 滴 定 烘 乾 取樣分析 降溫脫模 高溫融熔 圖二 融熔精煉之製程圖 高溫融熔製程發現以超因波振盪器清洗表面雜質所須時間約20 分鐘即可清洗完成。而高溫融熔製程作 業所須之能量，以50Kg 廢料鎳為計算基礎，所需時間也只需 2.6 小時，且可自動空溫操作，不需額外人工 成本；因此粗估所須人工成本及電費成本將相對較低。 以上兩種回收高純度鎳料的製程分析因高溫融熔法具有(一)廢料鎳表面清洗需時間較短、人力較少；(二) 精練製程所需時間較少只需 2.6 小時；可初步得知是較具優勢的方法。本立論將於第二階段成本-效益分析 時可被證明。 3.2 鎳回收製程之成本分析 本研究第二階段為以成本分析比較，其分析方法主要是依據成本效益分析法的基本原理。成本效益分 析適合處理變動成本與變動效果的政策問題；同時成本效益分析可藉具體的貨幣多寡來明確顯示計畫的投 入與產出。因此成本效益分析可針對某項支出目標，提出若幹實現該目標的方案，運用一定的技術方法， 計算出每種方案的成本和收益，通過比較方法，並依據一定的原則，選擇出最優的決策方案。在開始成本 效益分析前瞭解成本現狀十分重要。你需要權衡每一項投資的利弊。如果可能的話，再權衡一下不投資會 有什麼影響。不要以為如果不投資成本就會變高。許多情況下，雖然新投資可獲得巨額利潤，但是不投資 的成本相對更小。對一項投資進行成本效益分析的步驟：1.確定購買新產品或一個商業機會中的成本；2. 確定額外收入的效益； 3.確定可節省的費用； 4.制定預期成本和預期收入的時間表； 5.評估難以量化的效 益和成本。 本研究之成本分析主要為電鑄後之廢料鎳分別以高溫熔融法及電解精鍊法進行回收處理，所作回收處 理之成本比較分析，及回收再利用之利用評估及比較。研究過程中兩種回收廢料鎳處理流程包含: (1)前置作 業，(2)製程作業，(3)後置作業。因此回收成本包含:(1)前置作業成本（Preprocess operative cost；POC）；(2) 製程作業成本（process operative cost；PrOC）；及(3)後置作業成本(Postposition operative cost；PPOC)。其 中:前置作業成本(POC):包含人事費用及儀器費用。製程作業成本（PrOC）: 包含人事費用、電能費用及儀 器設備費用。後置作業成本(PPOC): 包含人事費用。總結成本分析之因素包括人事費用(PC)、電能費用(EC) 及儀器設備費用(FC)。因此回收處理之「成本淨值」及處理後之「回收利潤」分別為： 成本淨值＝α「人事費用成本」＋β「電能費用成本」＋γ「儀器設備費用成本」………(1) α：人事費用成本分率 β：電能費用成本分率 γ：儀器費用成本分率

回收利潤＝「二次價格」－「成本淨值」………..(2) 二次價格：(一)以廢料出受價格約為 450 元/公斤 (二)以 LEM 所規範之 1 級品價格約 900 元/公斤 基於上述立論本研究將實際作兩種回收精鍊製程之成本—效益分析，並將計算後之各項數值列於表 一。廢料鎳以高溫熔融法作回收處理的步驟為：(一)「前置作業」以清水清洗中其過成以 EDTA 滴定胺基苯 磺酸鈉，40 分中時，滴定曲線已達酸鹼中和平衡。因振盪器輸出功率為 300W，其所需成本以 50kg 廢料為 計算基礎，處理電費為1.30 元，電費單位成本為 0.026 元/Kg。人事成本以 2 小時工作時間計算為 200 元， 人事單位成本為4 元/Kg，合計 4.026 元/Kg。(二)「製程作業」高溫熔融法為將清洗烘乾後之廢料鎳置入高 溫爐，溫度設定為從常溫開始，以 20℃/min 的速度升溫加熱至 1500℃，所需時間約 1 小時，恆溫至 50Kg 廢料均勻熔融約1.1 小時，融熔後於恆溫下再加熱 0.5 小時，以去除雜質。俟冷卻後脫模，並將回收料送金 屬中心分析鎳的成份可高達達 99.87%。「製程作業」中，高溫熔爐輸出功率為 700W，加熱時間為 2.6hr， 總電費估算為11.83 元/50Kg，單位成本為 0.237 元/Kg，人事成本以 4 小時工作時間計算為 400 元，人事單 位成本為8 元/Kg，合計 8.237 元/Kg。「後置作業」成本主要為人事費用，以4 小時工作時間計算為 400 元， 人事單位成本為8 元/Kg。儀器費用以小型設備(設備費用 116000 元)處理 50 公頓為計算基礎，則其單位成 本2.32 元/Kg。合計高溫融熔法之人事成本為 20 元/Kg；電費成本為 0.263 元/Kg；儀器設備成本為 2.32 元 /Kg；合計每公斤成本淨值:20+0.263+2.32=22.583(元/Kg)；回收利潤：900-22.583 =877.417(元/Kg)；較以一 般廢料出受價450 元/Kg 高出 427.417 元/Kg。 廢料鎳以電解精鍊法作回收處理的步驟分別為「前置作業」以人工用清水刷洗鎳廢料表面去除附著上 層之電解液之雜質(包含胺基苯磺酸鈉及油脂)。前置作業人力費用每 50Kg 需 2 人次花費 2 天，所需人事成 本為3200 元/50Kg；單位成本為 64 元/Kg。在「製程作業」階段電解精鍊法每 50Kg 之精鍊鎳電解時間需 2 個星期。其電解之電壓為220v，電流為 30 安培。功率(P)＝IV＝220×30＝6600 瓦特。電能＝P×t＝6.600 仟 瓦×336 小時＝2217.6 仟瓦-小時＝2217.6 度。因此所須電能成本為 2217.6 度×6.5 元/度＝14414.4 元/50Kg， 單位成本為288.288 元/Kg，人事成本以 8 小時工作時間計為 800 元，單位成本則為 16 元/Kg；合計為 304.288 元/kg。儀器費用以小型設備(設備費用 100,000 元)處理 50 公頓為計算基礎，則其單位成本 2.32 元/Kg。合 計電解精練法之人事成本為80 元/Kg；電費成本為 288.288 元/Kg；儀器設備成本為 2 元/Kg；合計每公斤成 本淨值:80+288.288+2=370.288(元/Kg)；回收利潤：900-370.288 =529.712(元/Kg)；較以一般廢料出受價 450 元/Kg 只高出 79.712 元/Kg。 綜合上述，可知兩種廢料鎳回收精練方法以高溫融熔法所須人事成本及電費成本均較電解精練法來得 低，而所得回收利潤則較高。因此以成本-效益分析而言因電解精練法回收利潤只為 529.712 元/Kg 與一般 廢料出受價450 元/Kg 相差只 79.712 元/kg(約為 17.71%)；並無利潤可言；因此業者選擇以一般廢料出售， 即可合乎其商業利益。而以高溫融熔法回收利潤高達 877.417 元/Kg 與一般廢料出受價 450 元/Kg 相差達 427.417 元/kg(高出約 94.98%)；因此以成本-效益而言高溫融熔法是為一值得投資參考方案之一。

表一 熔融法和電解精練法之成本分析比較(計算基準: 50kg；費用單位:元/kg) 項目 熔融法 電解精鍊法 前置作業 振盪水槽清洗40 分 工人清洗2 人/天×2 天 製程作業 700w ×2.6hr 6600w×336hr 設備費用 116,000NT 100,000NT 人事成本 20 元/Kg 80 元/Kg 電能成本 0.263 元/Kg 288.288 元/Kg 設備成本 2.32 元/Kg 2.0 元/Kg 成本淨值 22.583 元/Kg 370.288 元/Kg 回收利潤 877.417 元/Kg 529.712 元/Kg 3.3 回收處理成本分析模式之推估: 本研究為了進一步推估回收處理成本分析模式，因此選擇較佳之廢料鎳回收精練處理方法「高溫融熔 法」，針對單位人事成本、電能成本及儀器設備成本與處理廢料數量及處李時間關係進行實驗研究。圖三可 發現以振盪器清洗廢料鎳的時間與處理時間成正相關；因此相對其單位人事成本及電能成本均與處理量及 處理時間成正相關。

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0

10

20

30

40

50

時間(min

)

重量(kg)

數列1

圖三 清洗廢料鎳的時間與處理時間關係圖

表二則顯示高溫爐回收精練之電能成本亦與處理廢料鎳的量及時間成相關。 表二 高溫爐處理廢料鎳之處理量與電能成本之關係 廢料鎳處理量(Kg) 10 20 30 40 50 高溫處理時間(hr) 1.6 1.8 2.1 2.3 2.6 處理電能費用(元) 7.28 8.19 9.56 10.47 11.83 電能單價費用(元/Kg) 0.728 0.409 0.319 0.250 0.237 精鍊鎳之純度(%) 99.85 99.83 99.85 99.83 99.82 因此從圖三及表二顯示實驗過程中，回收處各項處理成本包含人事費用(PC)、電能費用(EC)及儀器設 備費用(FC)；而各項處理成本費用與處理廢料鎳之重量成正相關，而處理量又影響處理時間形成時間變數； 因此可知處理成本應為處理鎳料重量及處理時間之函數。成本析同時需考量各項權重分率(α、β、γ)，若只 計算鎳料回收成本之計算則 α、β、γ 均以１代入計算；若成本計算納入全公司之成本考量則 α、β、γ 代表 公司之各成本權重分率。因此外綜合上述分析結果可行成回收處理成本分析模式為:

φ

ε

γ

β

α

φ

−

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∂

∂

+

∂

∂

+

∂

∂

∂

∂

=

∫

∫

∂

p

dt

dm

m

FC

m

EC

m

PC

t

m t 0 _{………...(3)} 其中： φ＝回收處理成本 PC＝人事費用成本(Personal Cost ) EC＝電能費用成本(Energy Cost) FC＝儀器設備費用成本(Facilities cost) 而回收再利用之利潤為 P ＝ ε－Φ………...……..………..(4) P＝利潤 ε＝再利用價格 φ＝回收處理成本 而ε 可為(1)廢料商收購價格；(2)電鑄廠作為電鑄原料價格；(3)以高純鎳販售價格。

4. 結 論

鎳廢料回收再利用已是未來企業所必需發展的趨勢。除了可達成減廢的目標，同時能創造新的利潤。 本研究以高溫熔融法作為電鑄鎳回收精煉的製程，不論在人事費用、電能耗用成本均較傳統之電解精鍊回 收鎳的製程來的低廉，又所得之精鍊鎳純度達 99.8%以上。高溫融熔法之每公斤處理成本淨值 22.583(元 /Kg)；回收純鎳再利用之利潤為 877.417(元/Kg)；較一般回收鎳以廢料出售價 450 元/Kg 高出 427.417 元/Kg。 因此以成本－效益分析考量高溫融熔法是為一值得投資參考方案之一。同時高溫融熔法因處理時間短，耗 電量較少，具節能省碳之環保效益。同時本研究所導出之模式將可適用於電鑄業之貴重金屬回收再利用之 利潤評估模式。

參考文獻

[1] 林偉凱，金屬材料快報-鎳金屬， 8 月,2007。 [2] 林偉凱，金屬材料快報-鎳金屬， 6 月 2008。 [3] 林鍾沂，政策分析與實踐，台北：瑞興圖書，1994。

[4] Boardman., Anthony E. et al., Cost-Benefit Analysis: Concepts and Practice. Upper Saddle River, NJ, Prentice Hall, 1996.

[5] Fuguitt, D., Shanton, J.W., Cost-Benefit Analysis for Public Sector Decision Makers, Westport, Connecticut, Quorum Books, 1999.

[6] Kuo, Y. M., Tseng, H. J., Chang, J.E., Wang, J. W., Wang , C. T., Chen, H. T., Journal of Hazardous Materials, Vol.156, pp. 442~447, 2008.

[7] Kuo, Y. M., Chang , J. E., Wang, J. W., Wang, C. T., Tsai, C. H., Journal of Hazardous Materials, Vol 152, pp.944~1001, 2008.

[8] Kuo, Y. M., Chang , J. E., Wang, J. W., Chao, H. R., Wang, C. T., Chang-Chien, G. P., Journal of Hazardous Materials, Vol.152, pp.554~562, 2008.

[9] Practical electroplating handbook / Parthasaradhy, N. V., ISBN:0133808661.

[10] Huang, C. H.,” Hydrolysis of Sulfamate Ion in Nickel Sulfamate Solution”, Plating and Surface Finishing, pp.64-68, 1994.