酸碱性蚀刻液再生及铜回收系统
指向学科素养的高中化学项目式学习——以蚀刻用氯化铁溶液再生及铜回收为例
教育界/ JIAOYUJIE2023年第33期（总第545期）课例研究▲指向学科素养的高中化学项目式学习—以蚀刻用氯化铁溶液再生及铜回收为例赵艳梅【摘要】项目式学习是一种以建构主义学习理论为基础的新型学习模式，是单纯学科教学向学科育人转变的重要方式。
文章以人教版高中化学必修1“探究”栏目中“利用覆铜板制作图案”为例，通过“创设真实问题情境，引入项目活动；基于项目学习特点，设计项目环节；课内课外多方联动，实施项目内容；关注素养评价方式，注重建构评价”四个角度，阐述项目式学习的设计、实施及其对学生学科素养发展的促进作用。
【关键词】高中化学；项目式学习；学科素养【基金项目】本文系2021年度天津市教育科学规划课题（一般课题）“指向学科素养的高中化学项目式学习的设计与实施研究”（课题批准号：CHE210121）的研究成果。
作者简介：赵艳梅（1974—），女，天津市南仓中学。
《普通高中化学课程标准（2017年版）》明确指出，“宏观辨识和微观探析”“变化观念与平衡思想”等五个维度的化学学科核心素养是学生终身学习和发展的重要基础［1］。
为促进学科核心素养的落实，课标对化学课程的结构和内容等进行了新的规划，并从教师的“教”、学生的“学”及改进评价方式等角度对化学课堂教学提出具体建议，倡导教师要树立主题式的教学思想，以学生为中心，引导学生积极构建知识体系。
项目式学习是一种以建构主义学习理论为基础的新型学习模式，其可以概括为以下要点：挑战性任务、真实性情境、亲历性过程、生成性产品、思维可视化、持续性评价。
在高中化学项目式学习中，教师可以以学生为主体，以富有挑战性的、与学科知识相结合的学习任务为驱动，让学生在真实的问题情境中去探究、去实践、去解决、去总结、去反思，直至找到问题解决的最佳方式，取得最优成果。
项目式学习的过程，是学生在做中学、在学中做的过程，是学生获得化学关键能力和学科必备品格的过程，对发展学生的化学学科素养乃至核心素养都起着重要的作用［2］。
PCB 蚀刻废液资源再生产品标准
T/ZJGFTR XX-20XX PCB蚀刻废液资源再生产品标准1适用范围本标准规定了由印制电路板（PCB）蚀刻废液综合利用、深度加工生产的碱性蚀刻液、单液型酸性蚀刻液、双液型酸性蚀刻液、二水氯化铜与无水氯化铜的生产工艺、产品质量、采样、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存等要求。
本标准适用于PCB蚀刻废液的综合利用、深度加工的再生产品。
2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是标注时间的引用文件，仅所注时间的版本适用于本文件；凡是不标注时间的引用文件，其最新版本（包括所有的修改版）适用于本文件。
GB/T191-2008包装储运图示标志GB/T601-2016化学试剂标准滴定溶液的制备GB/T602-2002化学试剂杂质测定用标准溶液的制备GB/T603-2002化学试剂试验方法中所用制剂及制品的制备GB/T22592-2008水处理剂pH值测定方法通则GB/T22594-2008水处理剂密度测定方法通则GB/T14591-2016水处理剂聚合硫酸铁GBT31528-2015含铜蚀刻废液处理处置技术规范GB/T8170-2008数值修约规则与极限数值的表示和判定GB/T6678-2003化工产品采样总则GB/T6680-2003液体化工产品采样通则GB/T6682-2008分析实验室用水规格和试验方法GB∕T1618-2018工业氯酸钠GB_T1616-2014工业过氧化氢2GB-T23940-2009工业过硫酸盐产品的分析方法JJG694-2009原子吸收分光光度计检定规程CJ/T51-2018城镇污水水质标准检验方法3术语和定义碱性蚀刻液碱性蚀刻液属于铜-氨络离子体系的蚀铜液，适用于印刷电路板的蚀铜流程。
单液型酸性蚀刻液单液型酸性蚀刻液是以盐酸为主要成分的蚀铜液。
双液型酸性蚀刻液双液型酸性蚀刻液是以氯酸钠与氯化钠为主要成分的蚀铜液。
二水氯化铜与无水氯化铜从蚀刻废液中提取的铜加工成二水氯化铜（CuCl2·2H2O），再经干燥生产无水氯化铜（CuCl2）。
废蚀刻铜液制取氧化铜及废液的再生条件研究
产品 ＣＯ ｕ
（）氧化铜 的制取 ２ 取 ５ ０ｍＬ碱 性蚀 刻废 液 于烧 杯 中 ， 再缓 慢 加 入 酸性 蚀刻 废液 反应 ， 观察 其 ｐ Ｈ变 化 。当 ｐ Ｈ达 到 一定 的时候 ， 沉淀 完全 时反 应结 束 。过滤 得 到 碱 式 氯化 铜 沉 淀 。将 碱 式 氯 化 铜 沉 淀 分 散在 水
源得到 了综 合利 用 。
１ 实验 部分
１ １ 试 剂及 原料 ．
Ｃ ｆ Ｈ） ｕＯ ２
Ｃ Ｏ＋Ｈ Ｏ ｕ ｚ
１ ３ 实验 步骤 ．
（ ）沉淀 １ 方 法 一 ： 取 ５ ｍ 碱 性 蚀 刻 废 液 先 ０ Ｌ
废 铜蚀 刻液 的成 分分 析见 表 １ 。
表 １ 蚀 刻 废 液 的 成 分
调整溶液 中氯离子浓度 、Ｈ值等条件 ， ｐ 使它又成 为新 的蚀刻 液 ， 到废 液 回收利用 的效果 ［。反 达 ２ １
应 方 程式如 下 ， 工艺 流程 如 图 １ 所示 。
［ ｕ（ Ｈ３ ４ Ｃ Ｃ Ｎ ） 】 ｌ ２＋３ ｕ １ Ｃ Ｃ ２＋６Ｈ２ — ０
２ ｕ （ Ｈ）Ｃ ＋４ Ｈ Ｃ ＋ Ｈ １ Ｃ ２ Ｏ ３１ Ｎ ４ １ ２ Ｃ Ｃ ２０ ３ ｌ ａ Ｈ ｕ （ Ｈ）Ｃ ＋Ｎ Ｏ
印刷 电路 板蚀 刻 液 主要 分 酸 性 、碱性 两 大
类。 酸 蚀 刻 液 （ Ｃ 一Ｈ ０ ） 反 应 式 为 ：Ｃ Ｈ １ ：： ｕ＋
Ｈ０ ＋２ Ｃ ＝Ｃ Ｃ２ ２ ２ 它是个 放热 反应 ， ２２ Ｈ １ ｕ １＋ Ｈ０。 盐
酸 中的 Ｈ １ 体将会 逸 出 ， 对环境 的污染非 常 Ｃ气 这 严重 ， 并且 Ｈ ０ 分子 较不稳 定 ， ：： 易分解 ， 导致 蚀
置换酸性蚀刻液方案
酸性蚀刻废液置换处理方案
一、工艺简述
在印制电路板加工过程中，常采用酸性氯化铜蚀刻液，蚀刻后废液中存在大量的铜离子，当蚀刻液中铜离子达到一定浓度后就作为废液排放,不仅造成了资源浪费,而且增加后续污水处理的成本及难度.本工艺化学沉淀-置换法对印刷电路板中含铜较高的酸性蚀刻废液进行处理和资源回收,处理后的废液达到国家排放标准。
二、工艺原理
酸性蚀刻废液中存在大量铜离子，浓度约100-150g/L。
根据实际需要，本工艺可以对高铜直接处理，也可以先进行预处理（如萃取）将铜离子降低后再进行还原处理。
当处理量大时，可以采用多个置换处理塔并联处理。
该工艺利用铁的还原性将二价铜离子还原成铜单质。
发生如下反应：
Fe+Cu2+=Fe2++ Cu
三、工艺流程
酸性蚀刻废液回收处理工艺流程如图：
物料分析
四、效益分析
成本分析（以处理量4000 L/d计）
设备成本：
水费：
电费：
人工费：
铁粉：525K G×￥2000元/KG=￥1050,000 (以目前市价￥2000元/KG)总成本：
收益分析
铜泥：596KG×￥2000元/KG=￥1050,000 (以目前市价￥2000元/吨) 总利润：
六、与方案前对比
在不采取回收情况下，一般印制电路板对酸性废蚀刻液进行直接变卖处理，按市场价计，可获得收益：
4000L×￥元/L=
运输费用：
扣除运输费用后可得效益：
利用工艺方案与方案前效益对比
由以上可知，该工艺具有易操作，设备物料投加成本低等优点。
碱性蚀刻液直接电解工艺说明
一、工程概况➢建设单位：深圳市宇众环保科技有限公司；➢项目：碱性蚀刻液处理系统:30T/月；➢原液：碱性蚀刻液:含铜量110-130g/L；二、设计总导则➢技术设计总导则：本套系统处理工艺是基于充分考虑以下因素的基础上而制定➢原液的铜离子含量；➢废水站处理要求；➢工艺设计的可靠性；➢设备对原液铜离子改变的适应能力；➢操作的简便性；➢投资和运行的费用；➢设备便于保养和清洁的功能；➢处理质量的稳定性；➢本技术总则用于本工程的蚀刻液处理系统。
它提出了该系统的功能设计、制造、性能、安装和调试方面的技术要求。
➢需方即使未规定所有的技术要求和适用标准，供方应提供一套满足本技术方案和所列标准的高质量系统设备及其相应服务。
➢供方应提供高质量的设备。
这些设备应是技术先进、经济上合理、成熟可靠的设备，能满足需方的各项要求。
所有设备的设计、制造和安装应保证工作的可靠性，并保证尽可能的减少维修量。
➢在签订合作协议之后，需方有权提出因规范标准和规程发生变化而产生的一些补充要求，具体项目由双方共同商定。
三、项目介绍在电子线路版（PCB）蚀刻过程中，蚀刻液中的铜含量渐渐增加。
蚀刻液要达到最佳的蚀刻效果，每公升蚀刻液需含120至180克铜及相应分量的蚀刻盐（NH4CI）及氨水（NH3）。
要持续蚀刻液中上述各种成份的浓度最佳水平，蚀刻用过后的（以下称［用后蚀刻液］）溶液需不断由添加的药剂所取缔。
本系统主要应用直接电解法，可以在回收铜的同时回收蚀刻剂，将大量原本需要排放的［用后蚀刻液］再生还原成为可再次使用的［再生蚀刻液］。
只需极少量的补充剂及氨水，补偿因运作时被［带走］而失去的部份。
从而取代蚀刻子还可以降低PCB 厂家的生产成本。
使用本系统的主要效益1.再生液可回收利用，节省物料，降低生产成本。
2.再生液可回收利用，降低治理污水成本。
3.响应国家政策，节能减排，污染基本为零排放，。
4.做到清洁生产，降低工厂环保压力。
四、电解原理电解缸的蚀刻液阳极阴极通电后,溶液中的铜离子(Cu)向阴极移动，到达阴极后获得电子而在阴极析出纯铜（亦称氯化铜）。
酸性氯化铜蚀刻液
酸性氯化铜蚀刻液1.特性1.适用于生产多层板的内层和印刷－蚀刻板。
所采用的抗蚀剂是网印抗蚀印料、干膜、液体光致抗蚀剂等；也适用于图形电镀金抗蚀层印制板的蚀刻，但不适于锡－铅合金和锡抗蚀2.蚀刻速率容易控制，蚀刻液在稳定状态下能达到高的蚀刻质量。
3.溶铜量大4.蚀刻液容易再生与回收，减少污染。
2. 蚀刻过程的主要化学反应在蚀刻过程中，氯化铜中的Cu2+具有氧化性，能将板面上的铜氧化成Cu1+，其反应如下：蚀刻反应： Cu＋CuCl2→Cu2Cl2形成的Cu2Cl2是不易溶于水的，在有过量Cl-存在下，能形成可溶性的络离子，其反应如下：络合反应： Cu2Cl2＋4Cl-→2[CuCl3]2-随着铜的蚀刻，溶液中的Cu1+越来越多，蚀刻能力很快就会下降，以至最后失去效能。
为了保持蚀刻能力，可以通过各种方式对蚀刻液进行再生，使Cu1+重新转变成Cu2+，继续进行正常蚀刻。
应用酸性蚀刻液进行蚀刻的典型工艺流程如下：印制正相图象的印制板---检查修版---碱性清洗(可选择)---水洗--表面微蚀刻(可选择)---水洗---检查---酸性蚀刻---水洗---酸性清洗（例如: 5－10％HCl）---水洗---吹干---检查---去膜---再生---水洗---吹干3. 蚀刻液配方蚀刻液配方有多种，1979年版的印制电路手册(Printed Circuits Handbook)中介绍的配方见表10－2。
表10－2 国外介绍的酸性蚀刻液配方注：1磅＝454克 1加仑(美制)＝3.785升我国采用的蚀刻液配方也有多种，现摘录如下表10－3表10－3 我国采用的酸性蚀刻液配方蚀刻液中所采用的氯化物种类不同。
对蚀刻速率有很大影响，见图10-5中的曲线。
图10-5 在350C,各种氯化铜深液中铜的添加量与蚀刻时间的关系曲线1、1.00M C U CL2饱和N A CL深液2、2.00M C H CL2在6.0NHCL溶液里3、3.00M C U CL2饱和N A CL溶液4、2.00M C U CL2饿和N A CL溶液5、1.7M C U CL2饱和NH 4CL溶液从图中可以看出，在一个较宽的溶铜范围内，含NH 4CL的溶液蚀刻速度较快，这对于生产是有利的，但是，随着温度的降低，溶液中会有一些铜铵氯化物结晶深(C U CL 2.2H 4CL)沉锭。
酸性蚀刻液的特性、蚀刻原理
酸性蚀刻液的特性、蚀刻原理1.三氯化铁蚀刻液①特性：三氯化铁蚀刻液用来蚀刻铜、铜合金及铁、锌、铝和铝合金等；适用于网印抗蚀印料、液体感光胶、干膜和金镀层等抗蚀层的印制电路板蚀刻，但不适用于镍、锡及锡铅合金等抗蚀层。
工艺稳定、操作方便、成本低。
但污染严重，废液处理困难。
②化学组成三氯化铁蚀刻液化学组成体三氯化铁按配方要求的百分重量比放入含少量盐酸的水溶液中，在不断搅拌下完全溶解成茶红色液体。
测量其比重或波美度。
然后静止24小时后过滤使用。
特别注意事项：由于固体三氯化铁）沉淀。
易于水解成深黄色氢氧化铁（Fe（0H）3反应式：FeC1+3H2 0→Fe（0H）3+3HCl3所以在配制时先要在水中加适量的盐酸，使反应向左进行，从而抑制水解发生。
由于配制中产生盐酸气体有刺激性，需要在抽风的工作条件下进行。
配制好的溶液以PH≥5为宜。
一般控制溶液浓度在波美度38-42Be0。
（1）蚀刻原理：三氯化铁蚀刻液对铜箔的蚀刻是一个氧化—还原反应过程。
在铜表面三价铁使铜氧化成氯化亚铜。
同时三价铁被还原成二价铁，其反应如下：FeC13+Cu→FeC12+CuC1氯化亚铜具有还原性，可以和三氯化铁进一步发生反应生成氯化铜。
其反应式如下：FeC13+CuC1→FeC12+CuC12二价铜具有氧化性，与铜发生氧化反应：CuC12＋Cu→2CuC1所以，三氯化铁蚀刻液对铜的蚀刻是靠Fe3＋和Gu2＋共同完成的。
其中三价铁的蚀刻速率快，蚀刻质量好；而二价铜的蚀刻速率慢，蚀刻质量差。
新配制的蚀刻液中只有三价铁，蚀刻速率较快。
但随着蚀刻反应的进行，三价铁不断消耗，而二价铜不断增加。
当三价铁消耗掉35%时，二价铜已增加到相当大的浓度，这时三价铁和二价铜对铜的蚀刻量几乎相等；当三价铁消耗掉50%时，二价铜的蚀刻作用由次要地位而转变成主要地位，此时的蚀刻速率慢，这时要考虑蚀刻液的更新问题。
在印制电路板的实际生产中，表示蚀刻液的活度不是采用三价铁的消耗量来度量，而是用蚀刻液中的含铜量（克/升）来度量。
PCB碱性蚀刻液
均匀性
总结词
均匀性指的是蚀刻液对材料表面蚀刻的均匀程度。
详细描述
良好的均匀性可以确保PCB上的铜层被均匀地蚀刻掉，从而使电路线条宽度一致，提高产品的可靠性 。均匀性差的蚀刻液会导致线路边缘不清晰或者出现锯齿状，影响产品质量。
选择性
总结词
选择性是指蚀刻液对不同材料的选择性 蚀刻能力。
VS
详细描述
在PCB制造过程中，除了铜之外，还有其 他金属材料如镍、锡等。良好的选择性可 以确保蚀刻液只对铜进行蚀刻，而对其他 金属材料不产生影响，从而保护非蚀刻部 分的完整性。这有助于减少废液处理和降 低生产成本。
应用领域
电子产品制造
用于制造各类电子产品 中的印刷电路板，如手
机、电脑、电视等。
汽车电子
航空航天
通讯设备
用于汽车电子控制系统 中的PCB制造。
用于制造高性能航空航 天器材中的印刷电路板。
用于生产各种通讯设备 中的印刷电路板，如路
由器、交换机等。
02 碱性蚀刻液的组成
氢氧化物
01
氢氧化物是碱性蚀刻液的主要成 分，提供足够的碱度以溶解铜箔 。常见的氢氧化物有氢氧化钠、 氢氧化钾等。
பைடு நூலகம்
05 碱性蚀刻液的回收与处理
回收方法
沉淀法
通过加入沉淀剂，使蚀刻液中的 重金属离子形成沉淀物，然后分 离沉淀物与溶液，达到回收重金
属的目的。
电解法
利用电解原理，使蚀刻液中的重金 属离子在电极上析出，然后收集电 极上的重金属，实现回收。
吸附法
利用活性炭、树脂等吸附剂吸附蚀 刻液中的重金属离子，然后对吸附 剂进行再生或处理，实现重金属的 回收。
市场竞争加剧
随着越来越多的企业进入碱性蚀 刻液市场，竞争将更加激烈，企 业需要加强技术创新和品牌建设 以提升竞争力。
酸性蚀刻液
因为氯气管理比较困难，目前只有在美国比较大的PCB PCB厂使用 ※ 因为氯气管理比较困难，目前只有在美国比较大的PCB厂使用
三、双氧水／盐酸 双氧水／
最高可蚀刻铜约160克/公升 Cu + CuCl2 → 2CuCl HCl的酸值控制在2~3N 2CuCl + H2O2 + 2HCl → 2CuCl2 + 2H2O 净反应：Cu + H2O2 + 2HCl →CuCl2 + 2H2O
目前业界最常用的即为H /HCl系统和 系统和NaClO /HCl系统这两种酸性蚀 ※目前业界最常用的即为H2O2/HCl系统和NaClO3/HCl系统这两种酸性蚀 刻液。 刻液。
酸性蚀刻液的概况
酸性蚀刻反应原理分析
以NaClO3/HCl系统为例 系统为例 1.1、蚀铜反应：铜可以三种氧化状态存在，板面上的金属铜Cu0，蚀刻槽液 中的蓝色离子Cu2+ ，以及较不常见的亚铜离子Cu+ 。金属铜Cu0可在蚀刻槽 液中被Cu2+氧化而溶解，见下面反应式（1） 3Cu + 3CuCl2 → 6CuCl ------------- （1） 1.2、再生反应：金属铜Cu0被蚀刻槽液中的Cu2+氧化而溶解，所生成的2Cu+ 又被自动添加进蚀刻槽液中的氧化剂和HCl经过系列反应氧化成Cu2+，而这些 Cu2+又继续跟板面上的金属铜Cu0发生反应，因此使蚀刻液能将更多的金属铜 Cu0咬蚀掉。这就是蚀刻液的循环再生反应，见下面反应式（2） 6CuCl + NaClO3 + 6HCl → 6CuCl2 + 3H2O + NaCl ------------- （2） 1.3、净反应： 3Cu + NaClO3 + 6HCl → 3CuCl2 + 3H2O + NaCl ------------- （3）
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酸碱性蚀刻液再生及铜回收系统
1.引言
蚀刻液是一种用于蚀刻金属表面的溶液，常用于电子设备制造行业中的电路板制作。
然而，传统的蚀刻液使用后会产生大量废液，其中含有酸碱性物质及金属离子等有害物质。
为了回收利用这些资源，并减少对环境的影响，发展酸碱性蚀刻液再生及铜回收系统是一种重要的研究方向。
2.酸碱性蚀刻液再生技术
2.1过滤
2.2中和
2.3电析
酸碱性蚀刻液中所含有的金属离子可以通过电析的方法进行回收。
电析是利用电流通过液体中的金属离子，将其电化学还原成金属沉积在电极上。
通过这种方法，可以将酸碱性蚀刻液中的金属资源回收利用，同时减少对环境的污染。
3.铜回收系统技术
在酸碱性蚀刻液再生过程中，铜是一种常见的金属资源。
铜回收系统技术主要包括电解、溶剂萃取等方法。
3.1电解
电解是一种通过电流的作用将溶液中的金属离子还原成金属的方法。
在铜回收系统中，可以利用电解的方法将酸碱性蚀刻液中的铜离子电化学
还原成铜金属。
这种方法具有高效、环保的特点，能够有效地回收利用酸
碱性蚀刻液中的铜资源。
3.2溶剂萃取
溶剂萃取是通过溶剂选择性地吸附和分离溶液中的特定成分的方法。
适当选择合适的溶剂，可以实现对酸碱性蚀刻液中的铜离子的吸附和回收。
这种方法具有操作简单、回收率高的特点，是一种常用的铜回收系统技术。
4.酸碱性蚀刻液再生及铜回收系统的优势
4.1资源回收利用
通过再生技术可以将酸碱性蚀刻液中的酸碱物质和金属离子回收利用，减少对自然资源的消耗。
4.2环境友好
再生系统能够有效地处理和减少酸碱性蚀刻液中的废液，减少对环境
的污染。
4.3经济效益
通过再生和回收技术，可以降低酸碱性蚀刻液的成本，提高资源利用
效率，从而带来经济效益。
5.结论
酸碱性蚀刻液再生及铜回收系统是一种重要的研究方向，通过过滤、
中和和电析等方法可以实现酸碱性蚀刻液的再生和回收利用。
通过电解和
溶剂萃取等方法可以实现酸碱性蚀刻液中的铜离子的回收。
这些技术具有
资源回收利用、环境友好和经济效益等优势，对于推动电子设备制造行业的可持续发展具有重要意义。