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电子垃圾专利计量分析及启示

新材料产业2021-06-08 10:42:42

  电子垃圾(Electronicwaste,e-waste)是指被废弃的电器或电子设备,主要包括电冰箱、空调、电视机等家用电器及手机、计算机、U盘等电子产品等废旧产品。伴随着工业技术的进度,电子产品更新换代速度正在加快,电子垃圾也随之不断增加。目前,我国已成为世界第2大电子垃圾制造国,每年生产的电子垃圾量仅次于美国。


  电子垃圾中的有害物质主要包括重金属和持久稳定的有机物,不能简单地将其焚烧或者填埋。如果这些有害物质处理不当,容易对地下水、土壤和大气等造成严重污染。此外,电子垃圾中也包含铜、铝、铁及各种稀贵金属、玻璃、塑料等可以回收再利用的部分,回收成本相对生产成本较低。因此,对电子垃圾进行正当处理和有效利用越来越受到人们的重视。


  本文拟利用专利计量学分析方法,从电子立即处理及利用领域的专利申请态势,揭示电子垃圾领域的专利活动现状和区域布局情况,并对电子垃圾所涉及的技术领域分布和关键专利进行分析,了解电子垃圾处理及利用领域的专利活动情况。本文分析所用专利数据来源于美国汤森路透科技公司TI平台(Thomson Innovation)的增值专利信息数据库(DWPI和DCPI),共计检索到电极垃圾处理及利用相关专利(族)10 423项,数据检索日期为2016年4月15日。


一、电子垃圾处理及利用申请态势分析

  电子垃圾处理及利用专利申请已有50多年历史,1960年苏联GREIVER T N(个人)申请的利用热的食盐溶液和烧碱溶液从半导体废弃物中提取硒。从电子垃圾处理及利用专利申请量年度变化趋势(基于最早优先权年,见图1)中可以看出,电子垃圾处理及利用领域的专利活动在2000年出现了第1个峰值,年度专利(族)申请量达到388项,随后几年有所回落。在2006年又开始走高并一直延续到2011年。该领域技术已走向成熟期,同时由于专利从申请到公开一般需要18个月甚至3年的时间,近年数据有所回落。



注:采集的数据为已公开的专利数据。

图1电子垃圾处理及利用专利申请量年度变化趋势


  全球电子垃圾处理与利用领域专利申请主要来自亚太地区,专利数量占据了全球专利总量的77.79%(见图2,基于最早优先权国)。虽然欧洲(12.45%)和美洲(8.32%)在该领域研究起步相对较早,但亚太地区自1990年后呈现快速增长趋势,发展迅速(见图3)。


图2  专利申请区域分布图


图3  区域专利申请年代分布


  全球电子垃圾处理及利用专利申请量前5位国家分别是日本、美国、中国、韩国和德国(见图4)。其中美国和德国对电子垃圾处理与利用的研究起步较早,发展相对较为平缓,且近年来有下降的趋势。日本于1966年在该领域申请了相关专利,随后呈现快速增长趋势,在20世纪90年代一度超越美国跃居全球第1。中国于1985年开始关注该领域,2005年以前发展缓慢,随后发展速度加快,2009年起中国专利年申请量已超越日本;韩国起步略晚于中国,呈现平缓增长趋势。


  各国在电子垃圾方面制定的政策是导致国际电子垃圾技术国家/地区间差异性的主要原因。美国于20世纪90年代初针对废旧家电的处理制定了一些强制性条令,并于2002年对废旧家电的回收和利用出台了系列法规条令,同时通过干预各级政府的购买行为,确立有再生成分的产品在政府采购中占据了优先地位,以此推动包括废旧家电在内的废弃物的回收利用。德国在20世纪90年代先后出台了《循环经济与废弃物管理方法》和《信息产业废旧设备处理方法》,目前德国电子垃圾处理及利用产业已经形成了“资源-产品-再生资源”的良性循环。2000年日本政府颁布了《促进循环社会形成基本法》,于2003年10月修订了《资源有效利用促进法》。目前日本已拥有较为完善的电子垃圾产业链,并通过立法在各环节进行了规范,保证整个产业的良性运转。中国《废弃电器电子产品回收处理管理条例》2011年1月1日才正式实施[6],立法状况与国外相比有较大差距,正规回收利用体系尚未建立。


图4 电子垃圾处理及利用领域TOP5国家专利申请量年度变化趋势



二、电子垃圾处理及利用专利技术布局

  对电子垃圾处理及利用相关专利进行基于国际专利分类号(International Classifications, IPC)的统计分析,可以了解分析其涉及的主要技术领域和技术重点等。表1列出了该领域前15位专利技术领域(基于IPC小组)及申请情况,可以看出该领域专利技术主要集中在以下几个方向:①电子垃圾的处理,涉及拆解、粉碎或破碎、收集、分选或分离等,主要分类号包括B09B-03、C08J-11、C22B-010、B03C-01等;②电池、电缆及灯管的处理及利用,主要分类号包括H01M-10、H01M-06、H01B-15和H01J-09等;③从电子垃圾中回收有用物质,涉及黑色金属、有色金属、贵金属、稀土金属和塑料等,主要分类号包括B29B-17、C22B-07、C22B-03、C22B-09和C22B-11;④电子垃圾中有害物质的处理与回收,涉及镉、汞、硒、铅等,主要分类号包括A62D-03。


表1 电子垃圾处理及利用专利申请量TOP15技术领域

IPC分类

(小组)

申请量/

技术领域

涉及年份

3年占

总量百分比/%

B09B-03

2264

固体废物的破坏或将固体废物转变为有用或无害的东西

1972-2015

19.35

H01M-10

1624

二次电池;及其制造

1964-2015

37.13

C22B-07

1530

处理非矿石原材料(如废料)以生产有色金属或其化合物

1965-2015

30.33

B09B-05

1413

不包含在其他单独一个小类中或本小类中的其他单独一个组中的作业

1973-2015

12.88

B29B-17

1029

回收塑料或含塑料的废料的其他成分

1967-2015

6.41

H01B-15

753

用于回收电缆废旧材料的设备或方法

1962-2015

27.22

C08J-11

723

废料的回收或加工

1971-2015

7.75

C22B-03

663

用湿法从矿石或精矿中提取金属化合物

1980-2015

27.45

H01M-06

438

一次电池;及其制造

1970-2015

19.18

H01J-09

423

专用于制造放电管、放电灯及其部件的设备和方法

1964-2015

14.42

C22B-09

421

金属精炼或重熔的一般方法;金属电渣或电弧重熔的设备

1967-2014

7.13

C22B-11

402

贵金属的提炼

1980-2015

25.12

A62D-03

374

通过在物质中产生化学变化使有害化学物质无害或降低危害的方法

1980-2014

3.74

C22B-01

364

矿石或废料的预处理

1965-2014

16.48

B03C-01

352

磁力分离

1974-2015

14.20


  利用TI的Theme Scape专利地图功能对电子垃圾处理及利用专利技术的研究布局进行分析,可以看出电子垃圾处理及有利用的热点技术领域主要集中在3个方面。


1.电池的回收利用

  电池的回收利用主要包括铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池和燃料电池等,通过对电池进行拆解、粉碎或破碎、采用化学法或电化学法对其中的有害物质进行去除,并回收其中的金属进行回收再利用。


2. 贵金属的提取回收

  从废印刷电路板、废旧电话、报废车辆电子装置等利用微生物浸取、电解萃取热解、熔融、氧化等方法提取金、银和铂族金属(铂、钯、锇、铱、钌、铑)。其中微生物回收技术浸取较之于其他方法,具有生产成本较低、投资较少、工艺流程短,对环境影响小等特点,收到了人们的重视。常用微生物浸取微生物包括氧化硫硫杆菌、氧化亚铁微螺菌、氧化铁铁硫杆菌、黑曲霉和简青霉等。


3.稀土金属的提取回收

  从废旧手机、废旧计算机、废旧灯管等中利用高温冶金法及溶媒萃取分离法提取磁体材料中的稀土类金属,包括钕、镧、钪、钇等。


三、电子垃圾处理及利用重点研发机构

  全球专利申请量排名前10位的机构均来自日本,分别是三菱集团、住友集团、松下电器、日立集团、东芝集团、夏普公司、三井集团、同和矿业株式会社、日矿金属株式会社和索尼公司(见图5)。其中同和矿业株式会社和日矿金属株式会社均为冶金领域的申请人,近5年专利申请量所占百分比均超过15%,说明冶金领域的申请人非常关注电子垃圾在循环的发明创新,主要是关注从电子垃圾中提取稀土和贵金属等高价值的材料的相关技术。从TOP 10机构的技术市场国家/地区分布可以看出(表2),上述10个机构均在除日本外的多个国家/地区进行了专利布局,可见其非常注重在电子垃圾处理与利用领域的技术保护。


注:图中百分比数为近5年专利百分比,即2011-2015年机构的专利数量占该机构电子垃圾处理与利用专利总量的百分比。

图5  电子垃圾处理及利用领域TOP10机构


表2  TOP10机构技术市场国家/地区分布


  用TDA(Thomson Data Analyzer)对上述10个机构进行了合作情况分析,发现各机构之间存在着以住友集团和三菱集团为中心的合作关系网(见表3),但是合作强度相对较弱,共同申请专利项数不超过5项,说明各机构在该领域的专利申请相对独立。


表3  TOP 10机构合作情况

机构

合作机构

专利数量/

住友集团

索尼公司

1

三井集团

1

东芝集团、三菱集团

1

日立集团

2

日立集团、三菱集团

2

松下电器

3

三菱集团

日立集团

1

住友集团

3

松下电器

5


  国内专利申请数量TOP 10机构(见图6)中有6家高校研究所,4家企业,其中天津大学与北京科技大学于1990年开始在电子垃圾处理与利用领域申请了相关专利,4家企业中格林美高新技术股份有限公司(专利申请量:40项)和国家电网公司(专利申请量:43项)于2005年左右开展了相关研究。从一定程度上反映了我国电子垃圾处理与利用产业处于起步阶段,产业化程度相对较弱。


图6 国内电子垃圾处理专利申请数量TOP 10机构

  国内TOP 10机构中,清华大学在日本、美国、德国、台湾、澳大利亚和加拿大等国家地区进行了专利布局,格林美高新技术有限公司在日本、美国、德国和韩国等进行了专利申请;同时北京科技大学在美国、澳大利亚和加拿大进行专利申请;其余机构并未在我国之外的其他国家进行技术市场分布。从一定程度上反映了我国机构在该技术的专利布局意识比较薄弱,有待加强。


四、电子垃圾处理及利用专利关键技术分析

  2000年以来从电子垃圾中提取稀土和贵金属(冶金领域)等高价值的材料蓬勃发展,促使电子垃圾在循环领域的专利活动激增。通过对从TI(Thomson Innovation)平台的增值专利信息数据库(DWPI和DCPI)检索到的10423项电子垃圾处理及利用专利相关专利涉及技术领域和施引数进行统计分析,选取从电子垃圾中提取贵金属的关键专利进行技术追踪和演进分析,以此来揭示其技术发展脉络。


  1987年,美国PESIC B个人申请了利用硫脲作为浸滤液从含有贵金属的材料中提取贵金属材料(包括金和银)。以在美国申请的公开号文献(US4778519A)进行专利技术追踪与演进分析。该专利申请引用了11件专利文献,4件非专利文献,被引频次为86次。从该专利的前引情况(基于专利权人,见图2)可以看出,该专利引用了英美资源集团股份有限公司、住友金属矿山株式会社、加拿大舍利特高尔顿公司、SKW特罗斯特贝格股份公司等8家机构与LITTLE R H个人共计11项在先专利,多涉及利用硫脲、K木质素磺酸盐等作为氰化物沥滤液,利用活性炭吸附作用从含有贵金属的氰化物沥滤液中提取金、银等材料。


  在该专利公开之后,美国GeoBiotics公司、Placer Dome公司、纽蒙特黄金公司、日本新日旷等公司和JI JINXING等个人引用该专利进行了专利申请(见图7),后续所申请专利主要涉及从含有金、银等贵金属的材料中,包含矿石、废弃电子材料等,利用硫代硫酸钠等沥滤液提取贵金属。其中美国GeoBiotics公司引用了该专利27次,GeoBiotics公司属于冶金领域,其研发了Geobiotics工艺,该工艺为为生物浸金技术。


图7引用US4778519A的专利文献


五、建议

  通过对电子垃圾处理与利用领域的国内外发展现状进行调研,并借助分析工具对专利进行计量分析,得到以下几个方面的结论:①电子垃圾处理与利用领域的研究受到来自亚太地区、欧洲和美洲多个国家的重视,其中日本于1966年在该领域申请了相关专利,专利数量位居世界第1位;相比之下,我国在该领域的研究起步相对较晚,但发展极为迅速,于2009年起中国专利年申请量已超越日本。②从技术领域布局来看,电子垃圾处理及利用领域的专利主要集中在处理技术、分离方法、提取有用物质和去除有害物质等,其中对电池的回收利用、贵金属和稀土金属的提取是当今研究热点;③电子垃圾处理与利用专利主要掌握在全球知名电子电器企业和冶金企业,全球专利申请量前10位机构均来自日本,其中同和矿业株式会社和日矿金属株式会社为冶金领域企业,关注从电子垃圾中提取稀土和贵金属等高价值的材料的相关技术;我国专利申请总量虽然位居世界第3位,但相对较为分散,TOP10机构中有6家为高校和4家企业,反映出我国电子垃圾处理与利用产业处于起步阶段,产业化程度相对较弱。


  我国不仅是世界电子信息产品的制造大国,也是消费大国,改变废旧电子产品回收与处理现状已刻不容缓。而国内内电子垃圾整体处于研发阶段,仅有少量产业化尝试,尚未形成较完整的产业链。同时,我国电子垃圾相关立法状况与国外相比有较大差距,并没有严格的法规制约。此外,我国消费者的环保意识和消费责任意识相对淡薄,需要进一步提高。为了提升我国在电子垃圾处理与利用领域的产业化能力,提出以下几点建议:


①    企业需积极参与电子垃圾的处理,并主动对自出产品提供相应的回收标准,以促进该产业标准规范的建议;②企业可借鉴国际先进电子产品垃圾处置和循环再利用技术和经验,同时积极与高校、科研院所合作开发废旧电子材料的再循环技术,实现产学研结合;③除努力提过全民消费责任意识和环保意识之外,需要建立健全电子垃圾处理及利用的法律法规体系,以促进该产业的健康发展。


文/董璐

中国科学院文献情报中心


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