废旧电路板上元器件的环境友好拆解及铝电容器和晶体管的资源化回收

来源 :上海交通大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:zhjipi07
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电路板是任何电子电器产品不可或缺的组成部分,其废弃量大、污染性强、价值含量高,对废旧电路板的合理回收是资源可持续利用和环境保护的双重需求。废旧电路板的资源化处理主要包括废旧电路板上元器件的拆解、元器件的资源化处理和电路板基板的资源化处理三个方面,而目前其薄弱环节主要为前两者。基于有价金属和污染物质在电路板上的分布具有种类和含量不均匀的特性,通过拆解可以实现成分相似的元器件的分类处理,从而提高有价金属的分离效率和降低污染控制成本。因此,电子元器件的拆解对高附加值产品回收效率的提高和环境污染的控制至关重要。但是,目前拆解操作大多以手工为主,同时,大多数元器件还未能够得到有效的资源化处理,急需研发科学、高效以及环境友好的技术和装备。为此,本文设计了废旧电路板上元器件的拆解方法、建立了拆解系统、优化了拆解参数,并分析了拆解过程有害气体和PM10的排放特征及PM10在人体呼吸系统的沉积特征。此外,本文选取了从废旧电路板上拆解下来的铝电容器和晶体管进行资源化研究,在分析样品物料性质的基础上,分别探索了废旧铝电容器和废旧晶体管回收的技术方案,优化了回收工艺及参数,并对回收过程的环境友好性进行了分析。针对电路板基板与元器件的焊接特性,基于元器件逆向装配的思路,提出以电热管加热辅以热空气循环组合加热的方式为元器件的拆解过程提供所需热量,以高位跌落的方式为元器件的拆解过程提供所需振动力,以双层插板阀的结构保证进料、出料过程拆解装置内部的密封性,自主研发废旧电路板上元器件拆解装置,并建立了实验室拆解系统。拆解装置在稳定运行状态下,内部温差为±15℃。拆解工艺参数研究表明,元器件的拆解效率和外观损坏情况受拆解温度和拆解时间影响显著,最优拆解条件为:拆解温度260℃、拆解时间479 s(拆解装置倾斜角度0.05°)和电路板碰撞次数119次(转动拆解筒转速5 rpm),此时废旧电脑电路板在无需任何预处理的条件下,其上元器件的拆解率达到100%。拆解装置适用性实验表明,在最优拆解条件下,废旧手机电路板上元器件的拆解率可达100%,且不需任何预处理;废旧电视机电路板上的元器件可实现完全脱焊,但在进入拆解装置之前,应提前选择性拆除行输出变压器。拆解尾气成分分析结果表明,经过净化装置的拆解尾气,其成分与空气基本一致,未检测到有害气体,表明本文提出的尾气净化装置对废旧电路板上元器件拆解尾气的净化是有效的。通过静电低压撞击器对正常运行的拆解装置周边进行PM10采样分析得出,PM10的数浓度和质量浓度总排放系数分别为2.14E+02个/cm3·s和1.39E-02 mg/m3·s;其中PM2.5的数浓度和质量浓度排放系数分别为2.13E+02个/cm3·s和1.11E-03 mg/m3·s,分别占各自PM10排放系数的99.53%和7.99%。利用国际防辐射委员会提供的简化模型对PM10在人体呼吸系统的沉积特征分析显示,PM10在鼻腔咽喉部、气管支气管部和肺泡部的总沉积通量分别为5.05E-03 mg·h-1、2.06E-04 mg·h-1和3.00E-04 mg·h-1,其中,粒径为2.510μm的粗颗粒是此三部分的的主要贡献者,分别占比96.5%、91.3%和81.9%。与现有企业相比,本拆解装置PM10的总排放系数降低了23个数量级,操作工人呼吸系统PM10沉积通量的理论计算值仅为目前相关生产企业现有水平的0.150.16%,对减少环境和工人健康危害具有重要意义。基于热处理、物理分选和污染物排放特征分析的思路对从废旧电路板上拆解下来的铝电容器进行回收研究,结果表明热解-磁选工艺具有流程短、设备简单和成本低的优点,更适合废旧铝电容器的回收,在500℃、60 min热处理条件下,非金属组分可实现充分热解。热解残渣经简单破碎、0.224 mm筛网筛分和磁选(给料速度为350 rpm)工艺后,铝和铁的回收率分别达到96.52%和98.68%,纯度分别为99.03%和98.24%。通过对热解气的成分和热解残渣浸出毒性分析得出,热解气的主要成分为有机物的不完全氧化产物,主要组成元素为C、H和O,可燃烧处置;热解残渣不属于危险废物,可以直接卫生填埋或进一步加以利用。废旧晶体管回收研究表明,通过“破碎-热解-破碎-筛分”工艺可实现金属与非金属的剥离和金属的富集,优化工艺参数为:热解温度600℃、热解时间30 min和筛网孔径0.6 mm。最终,Cu的纯度由原料中的54.57%富集至92.75%,回收率达99.16%。线性拟合分析表明,Flynn-Wall-Ozawa法适用于废旧晶体管中环氧模塑封料的热解动力学研究,环氧模塑封料的平均活化能为134.33 kJ/mol。以上研究为废旧电路板回收体系的完善以及电子废物管理工作提供理论依据与参考。
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