機(jī)械處理技術(shù)回收廢棄電路板中金屬富集體的研究

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的增長(zhǎng)，固體廢物的排出量也不斷地增大。在大量的生活垃圾中，廢舊電腦及電器的比例越來(lái)越大。因?yàn)殡S著電子技術(shù)的發(fā)展，電子行業(yè)出現(xiàn)了前所未有的進(jìn)步，電子產(chǎn)品的性能不斷提高，其更新?lián)Q代的速度也越來(lái)越快。由此而產(chǎn)生的電子廢棄物每年以18％的速度增長(zhǎng)，成為世界上增長(zhǎng)最快的垃圾[1]。大量的電子廢棄物給環(huán)境帶來(lái)潛在的危害，又造成資源的巨大浪費(fèi)。因此，實(shí)現(xiàn)電子廢棄物的資源化既能解決環(huán)保問(wèn)題，又能實(shí)現(xiàn)有價(jià)組分的再生利用，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值，是資源回收利用和環(huán)境污染防治領(lǐng)域中的國(guó)際前沿課題。
電子廢棄物資源化研究的內(nèi)容很廣泛，其中廢棄電路板的資源化研究是重點(diǎn)和難點(diǎn)[2-5]。
廢棄電路板潛在價(jià)值很高，包含了有色金屬和希貴金屬近20種，所含金屬品位相當(dāng)于普通礦物中金屬品位的幾十倍至上百倍[6]。與此同時(shí)，電路板中含有的重金屬（鉛、汞、六價(jià)鉻、鎘等）和含溴阻燃劑對(duì)土壤、環(huán)境、生物造成的潛在危害也不可低估，受暴力驅(qū)使，采用簡(jiǎn)單酸溶、沖天爐焚燒等方式從廢棄電路板中提取金屬造成生態(tài)破壞的事件在沿海城市時(shí)有發(fā)生[7]。因此，采用高效潔凈方式，實(shí)現(xiàn)廢棄電路板的資源化迫在眉睫。
廢棄電路板的資源化研究始于上世紀(jì)60年代末，當(dāng)時(shí)美國(guó)礦業(yè)局嘗試從廢棄軍事設(shè)備（包含廢棄電路板）中提取貴重金屬[8]，至今已有40多年的歷史。現(xiàn)在主要的回收技術(shù)有化學(xué)方法（濕法浸出、火法冶煉）和物理方法（機(jī)械分選）等[9,10]。物理方法采用拆解、粉碎、分選等處理過(guò)程實(shí)現(xiàn)廢棄電路板資源化，具有環(huán)境友好、運(yùn)行成本低和資源綜合回收等優(yōu)點(diǎn)，其金屬產(chǎn)品可通過(guò)精煉加工進(jìn)一步富集。隨著廢棄電路板中貴金屬使用的逐漸減少和社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，廢棄電路板的資源化逐漸向鐵磁性物質(zhì)、有色金屬、貴金屬和稀有金屬及有機(jī)物質(zhì)等材料的回收轉(zhuǎn)變。物理回收方法在廢棄電路板資源化研究中逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。
破碎解離是廢棄電路板機(jī)械處理技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因?yàn)樗苯記Q定著后續(xù)分離作業(yè)的效率、金屬的回收率和品位。破碎產(chǎn)物中細(xì)粒級(jí)物料的分選是廢棄電路板資源化研究的難點(diǎn)。因此，本研究采用濕法沖擊式破碎實(shí)現(xiàn)廢棄電路板的高效解離，借助一種新型分選裝置、以水為介質(zhì)從廢棄線路板中回收金屬富集體，整個(gè)工藝除具有一般物理方法的優(yōu)點(diǎn)外，還實(shí)現(xiàn)了水的循環(huán)利用、達(dá)到了零排放無(wú)污染的環(huán)保目的。
2.廢棄電路板的破碎研究
采用機(jī)械處理方法處理廢棄電路板，首先要實(shí)現(xiàn)廢棄電路板中金屬和非金屬的充分解離，而解離的效果取決于破碎設(shè)備的選擇。研究者采用剪切粗碎、濕法沖擊式細(xì)碎，實(shí)現(xiàn)了廢棄電路板的選擇性破碎，90％以上的金屬主要分布在0.074～2mm，為后續(xù)分選環(huán)節(jié)創(chuàng)造了良好的條件。
2.1廢棄電路板粗碎研究
本研究對(duì)象為電腦中的廢棄主板，其基板為FR—4型環(huán)氧玻纖布覆銅板，基板主要是由環(huán)氧樹(shù)脂、玻璃纖維和高純度銅箔構(gòu)成的復(fù)合材料[11]。電腦主板上安裝了大量的插槽，主要包括ISA、PCI、AGP、SDRAM、DDR等類型，主要是由塑料和長(zhǎng)條形銅線、鋁線構(gòu)成。集成電路的成分比較復(fù)雜，基礎(chǔ)材料為硅單晶或砷化鎵；封裝材料通常有塑封材料、陶瓷封裝材料和金屬封裝材料，成分主要有樹(shù)脂、二氧化硅、鉛玻璃、金屬及相應(yīng)的固化劑、促進(jìn)劑、阻燃劑等；引線材料通常包括內(nèi)引線材料和外引線材料，它們主要由一些金屬或其合金構(gòu)成[12]。在破碎之前，需對(duì)印刷電路板進(jìn)行必要的拆解處理。如拆除電路板上具有一定價(jià)值且仍可繼續(xù)使用的元器件或附屬設(shè)備，用于舊設(shè)備的修理、新設(shè)備的生產(chǎn)等，如風(fēng)扇、集成電路；拆除電路板上含有有毒有害物質(zhì)的元器件，如含鉛電池、含汞開(kāi)關(guān)、含聚氯聯(lián)苯電容等，防止在機(jī)械破碎過(guò)程中造成的二次污染。拆除印刷線路板上部分純度高、粒度大的金屬，如串口、并口以及各種接口，將此類元器件拆除可以避免不必要的粉碎，節(jié)省能耗，為后續(xù)破碎創(chuàng)造條件。
電路板的基板為片狀物料，具有一定的強(qiáng)度和韌性，因此在破碎過(guò)程中采用特殊設(shè)計(jì)的雙齒輥破碎機(jī)，利用交錯(cuò)排列差速轉(zhuǎn)動(dòng)齒輥可以實(shí)現(xiàn)廢棄電路板的高效粗碎，粗碎物料的寬度大約等于齒輥的寬度。改變齒輥的寬度和間距，可調(diào)節(jié)破碎物料的尺寸。試驗(yàn)中對(duì)廢舊主板及廢舊線路板進(jìn)行了剪切破碎試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該破碎機(jī)對(duì)廢舊線路板的破碎效果較好，經(jīng)過(guò)一次破碎后，其寬度為20mm，經(jīng)過(guò)二次破碎后，可將廢棄電路板破碎成20×20mm以下的小塊。對(duì)廢舊主板來(lái)講，由于上面有插槽，入料時(shí)有一定的困難，同時(shí)受力不均勻，出料不規(guī)則。在入料為一塊的情況下，端口比較整齊，基本上沒(méi)有粉末與氣味；當(dāng)入料塊數(shù)增加時(shí)，不但有氣味，同時(shí)還會(huì)造成出料不規(guī)則。另外當(dāng)頻率為50Hz時(shí)破碎物料有扭斷和卡堵現(xiàn)象。所以要想保證破碎產(chǎn)品的質(zhì)量，頻率選擇不宜過(guò)大，即破碎速度不宜太快。

2.2廢棄電路板的濕法沖擊細(xì)碎研究
廢棄電路板在常規(guī)破碎過(guò)程中產(chǎn)生了大量的粉塵和有害氣體，惡化了工作環(huán)境。如何有效防止廢棄電路板機(jī)械破碎過(guò)程中產(chǎn)生的二次污染問(wèn)題，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)之一[13-15]。為此，作者所在課題組進(jìn)行了廢棄電路板濕法沖擊破碎的研究，為廢棄電路板破碎解離過(guò)程有效控制有害氣體和粉塵的釋放提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。
濕法沖擊式破碎機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，水作為介質(zhì)不斷通入破碎裝置中。水的存在可以有效地避免粉塵的擴(kuò)散，同時(shí)解決了粉碎過(guò)程中局部溫度過(guò)高產(chǎn)生有害氣體的問(wèn)題。水在整個(gè)破碎工藝中循環(huán)利用，只需在工藝中補(bǔ)充新水。水的存在使破碎機(jī)的破碎環(huán)境發(fā)生了改變，在錘齒與物料的沖擊、研磨、撕扯過(guò)程中，水實(shí)質(zhì)上起到了一種潤(rùn)滑、緩沖的作用，這直接降低了錘齒與物料接觸時(shí)的撞擊強(qiáng)度，同時(shí)加速了破碎后物料的排出，有效避免了破碎過(guò)程中的過(guò)粉碎現(xiàn)象。與廢棄電路板的干法破碎工藝相比，濕法破碎具有破碎效率高、過(guò)粉碎現(xiàn)象輕、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)。表1為廢棄線路板濕法破碎后的篩分化驗(yàn)結(jié)果。
表1廢棄線路板濕法破碎后的篩分化驗(yàn)結(jié)果

由表1知，廢棄電路板中的金屬主要分布在-2～+0.5mm粒級(jí)，金屬在較粗級(jí)別富集有利于后續(xù)的分選作業(yè)。借助VM-01視頻顯微儀對(duì)不同粒級(jí)的物料進(jìn)行觀察，可知廢棄電路板上的插槽在-5+2mm粒級(jí)金屬幾乎完全解離，基板中金屬在-1mm粒級(jí)解離度為88％，集成電路中金屬在-1mm粒級(jí)的解離度為85％[16]，在-0.5mm粒級(jí)，基板和集成電路中金屬的解離度為100％。因此，研究者以-0.5mm破碎物料為考察對(duì)象，自制了一種新型分選裝置，以水為介質(zhì)回收廢棄電路板中的金屬。
3.廢棄電路板的液固兩相流分選研究
基于干涉沉降理論和液固流態(tài)化分層理論，研究者自制了液固兩相流變徑分選床。破碎后物料通過(guò)一個(gè)入料緩沖桶切向進(jìn)入分選機(jī)，與一上升水流相遇而形成干擾床層或稱沸騰床層。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，入料中密度低于床層平均密度的顆粒會(huì)浮起，并進(jìn)入浮物產(chǎn)品流。密度高于床層平均密度的顆粒則穿過(guò)床層，進(jìn)入沉物流，從而實(shí)現(xiàn)輕重物料的分選。水流由下部給入，物料從上部給入，分選裝置設(shè)計(jì)為圓錐狀，由于上部水流速度減小，將增加物料的松散度。圖1為液固兩相流變徑分選床工藝設(shè)計(jì)圖。

圖1實(shí)驗(yàn)工藝流程設(shè)計(jì)
針對(duì)線路板破碎后多密度較寬粒級(jí)物料，液固兩相流分選床結(jié)構(gòu)進(jìn)行了獨(dú)特設(shè)計(jì)。變徑使得湍流和層流可以共存于一體，湍流加大了物料與水的混合程度，有利于物料中不同成份顆粒間的脫離；層流提供了一個(gè)有序的沉降環(huán)境，通過(guò)參數(shù)的控制，保障金屬與非金屬間由于沉降速度的差異可以得到最有效的分離。為了保證介質(zhì)流動(dòng)的穩(wěn)定性和均勻性，在液固兩相流分選床內(nèi)增加了流體分布器。流體分布器的設(shè)計(jì)滿足以下要求：（1）產(chǎn)生均勻而穩(wěn)定的上升水流；（2）流體分布器具有合適的管間距以保證精礦順利排出；（3）防止小孔堵塞和磨損，同時(shí)便于加工。為了改善徑向液速的不均勻分布造成的液相返混現(xiàn)象，研究者設(shè)計(jì)了變孔徑分布板。使分布板阻力從邊緣向中心，阻力按拋物線規(guī)律增大，改善了床內(nèi)液速?gòu)较虻牟痪鶆蚍植肌Ａ黧w分布器的結(jié)構(gòu)為多管式分布器和側(cè)流式分布器相結(jié)合的錐孔式流體分布器，同時(shí)兼顧到孔徑的非均勻性，既便于加工和有效地防止堵塞，又可以在一定程度上緩解液相返混。
工藝在細(xì)碎和重力分選過(guò)程中都采用水作為介質(zhì)，因此該工藝開(kāi)發(fā)了專門的水循環(huán)系統(tǒng)。它不僅實(shí)現(xiàn)了細(xì)碎和重力分選設(shè)備間的水循環(huán)使用，而且通過(guò)專門的固液分離子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了非金屬材料和水介質(zhì)的有效分離，既保證了水循環(huán)使用的效率，又實(shí)現(xiàn)了非金屬材料的有效回收。圖2為廢棄電路板破碎后物料的分選工藝。

分選研究，分選結(jié)果如表2所示。-0.5+0.25、-0.25+0.125、-0.125+0.074三個(gè)粒級(jí)的物料通過(guò)處理其金屬富集體產(chǎn)品的品位及回收率都在90%以上，即使是對(duì)0.074mm以下級(jí)的物料也有金屬品位60%以上同時(shí)回收率在90%以上的效果[17]。對(duì)于-0.5mm以下已解離的廢棄電路板，采用上述方法可有效回收破碎物料中的金屬富集體。分選粒度范圍較寬，分選下限幾乎到零，整個(gè)工藝水可以循環(huán)利用，環(huán)保無(wú)污染，輔助系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投資運(yùn)行費(fèi)用低。 
4.結(jié)論
物理方法在廢棄電路板資源化研究中占據(jù)了主導(dǎo)地位，金屬的有效富集是后續(xù)分離提純的前期技術(shù)。采用濕法破碎可實(shí)現(xiàn)廢棄電路板的有效解離，同時(shí)可避免破碎過(guò)程中粉塵和氣味的二次污染。研究者自制的液固兩相流變徑分選床可實(shí)現(xiàn)細(xì)粒級(jí)（-0.5mm）產(chǎn)物中金屬和非金屬的有效分離，金屬富集體的品位和回收率都可達(dá)90％以上。破碎和分選工藝中水可以循環(huán)利用，具有成本低、分選效率高，無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)。
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