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电子废弃物机械回收的研究现状与发展

日期:2012/03/14[返回]

摘要:分析了电子废弃物的主要特点及与机械处理相关的性质,详细介绍了机械处理的研究现状及工业应用。
关键词:电子废弃物;资源化;机械分离
经济发展及科技进步,使电子废弃物成为城市中增长***快的一类固体垃圾。电子废弃物根据来源可分为:产品生产过程中产生及使用寿命到达后废弃的两类。由于生产电子产品的精密度要求是产生前者的主要原因。研究表明,生产计算机过程中,平均每生产0.454kg产品就会产生1.362kg废弃物,其中含有大量的电子废弃物。台湾每年生产过程中仅废弃的印刷线路板就高达10万t。
电子工业的高速发展及市场膨胀使电子电器设备的更新换代加速,使用年限越来越短,也促成电子废弃物的迅速增长。
随着各国对环境保护及二次资源利用的重视,电子废弃物资源化研究成为热点。由于一般生产中产生的电子废弃物成分较单一,其处理及回收利用也较方便。但电子废弃物有大到冰箱,小到电动牙刷之类的迷你型家电,品种类型可达数百种之多,其成分及处理方式都相当复杂,即使在资源化较先进的欧盟,目前也仅有10%被单独收集,而90%却作为普通垃圾处理,其中包含电池、金属及合成材料等污染物。欧盟计划2004年人均回收电子废弃物4kg,这仅达到电子废弃物年产量的25%;2006年要求对废弃照明及大家电的回收达到80%,IT电子通讯产品达到75%,小家电、家用设备、工具及玩具达到60%。
文中着重分析了电子废弃物的主要特点,并详细介绍了涡流电选、摇床、磁选等机械分选方法。
1电子废弃物的特点
1.1电子废弃物的增长性
据美国统计,1992年电脑平均寿命为4.5年,预计到2005年仅为两年。这将导致废弃电脑的急剧增长,单美国1998年达2060万台,到2005年将达1亿台,而且这在电子废弃物中仅占很小的比例。美国环境保护署估计每年的电子废弃物占城市垃圾2.1亿t的1%。欧盟电子废弃物更是年达600~800万t,占城市垃圾的4%,且每5年以16%~28%的速度增长,是城市垃圾增长速度的3倍~5倍。日本每年废弃的家电也可达60万t,占城市垃圾的1%。中国是家用电器的生产及使用大国。自20世纪80年代中期,家用电器大量进入家庭,目前电冰箱的社会保有量达1.1亿台,洗衣机1.5亿台,电视机更是高达3.2亿台。由于这些大型家用电器的使用年限均已达到或超过了使用寿命,因而按社会保有量测算,今后几年将进入更新期的电冰箱每年约400万台,洗衣机500万台,电视机500万台中国家用电器更新报废2003年将进入高峰。
1.2电子废弃物的高价值性
电子废弃物中含有40%的金属、30%的塑料及30%的氧化物(参见表1及表2)。
表1几种典型电子设备的成分%

 

表2废弃线路板的成分%

 

由表中看出,电子废弃物含有大量可供回收利用的金属、玻璃及塑料等。如废弃线路板仅铜的含量即达20%,还含有铝、铁等贱金属及微量的金、银、铂等稀贵金属。1968年,美国和西欧在电子产品中耗费的金达82t,1973年更是达到127t的高峰,自1978年以后,金的消耗量保持在80t/a,这使得电子废弃物比普通垃圾具有高得多的价值。根据金属含量的不同,每吨电子废弃物价值可达几千美元,甚至高达9193.4美元。此外,电子废弃物中还含有较高价值且仍可使用的元器件,如内存条等,由此可见回收利用的价值。
1.3电子废弃物的有害性
巴塞尔公约将废弃的计算机、电子设备及其它废弃物规定为“危险废物”(表3),1995年70多个国家,包括绝大部分发达国家在这一公约上认可签字。
表3电子废弃物中的有害成分

 

由表3看出电子废弃物含有大量的有害物质,如美国新泽西州城市固体废弃物中镉、铅、汞的含量分别达l5.25、543.25、3.25mg/kg,而废弃家电是其主要来源。美国环境保护署估算,2000年城市垃圾中有1/3的铅来源于阴极射线管及废弃线路板,是仅次于铅酸电池的铅污染源。对于计算机,按每台平均含铅2.724kg估计,在未来五年中,仅废弃计算机就有约4540万kg铅进入城市垃圾中。这些有害物质在处理过程中稍有不慎,就将进入地下水或空气中,引起严重的环境污染,给人类带来危害。
2电子废弃物的性质与机械处理
2.1性质的差异性和成分的复杂性
电子废弃物的特征是显著的差异性和高度的复杂性。它的组成不管是有机物还是无机物都是极端多样化的。据报道,计算机制造中为了各种目的,就塑料而言就使用了40多种,其中还附有阻燃剂和其他的添加剂。
因电子废弃物中多样的物种和成分的固有差异,这提供了通过机械回收和分选的可能性。表4列出了它们的密度范围,说明可使其实施机械处理和回收。
2.2密度的差异性
如表2所示,由于电子废弃物中包含了多种不同物质,因此密度也各不相同,实际上它们解离后,由于受重力不同,可通过特定的方法使其分离。已做了很多从电子废弃物中分离金属的尝试,机械回收工厂已经成功地开发使用了摇床技术。早在1942年气力摇床就用于选种业及光缆或电线的回收,近年来已广泛地用于电子废弃物的分选。气力摇床是根据颗粒质量的不同实现分选的,物料供给到床面一端,与通过床面孔隙吹入的空气混合、流态化并分层,重颗粒落向床面并在床面振荡的推动作用下向床面上端运动,轻颗粒浮在上部并向床面另一端运动,由此实现不同质颗粒的分离。很明显,气力摇床分选包含两个显著步骤:分层和分离。实际上气力摇床是流化床、振动床和空气分级器的组合。为了保证依据重力有效分层,入料必须是相似粒度。
Zhang等研究利用气力摇床从电子废物中分选金属。金属铜、金、银的回收率分别为76%,83%及91%,品位也分别高达72%及328、1908g/t。
表4电子废弃物中一些物质的密度

 

2.3磁电的差异性
电子废弃物包含铁磁体和有色金属或合金。通过磁选机能够容易地分选铁磁体;作为良好导体的很多有色金属可以通过静电和涡流分选出来。涡流电选机是根据颗粒电性的差异实现分选的。其原理为:带有******磁铁迅速旋转的钢管将在有色金属的导体中产生涡流,涡流又产生排斥原磁场的磁场,由排斥力和重力组成的合力作用于金属导体上,从而将导体和非导体分离。Zhang等利用一种新开发的涡流分选机从电脑及线路板废弃物中回收金属铝,可获得品位高达85%金属铝的富集体,回收率也可达到90%。KrowinkelJ.M.等采用涡流分选机分选废旧电视机破碎品中6mm以上部分,可获得含76%铝,16%其它有色金属及含少量玻璃和塑料的金属富集体,铝回收率达89%。
2.4破碎的解离度
解离度和粒度在机械回收中起着重要作用。由于解离度显著影响分选过程和回收物质的质量,以及回收的能量消耗。试验发现,破碎时电子废弃物的解离度和粒度相对较大,因此,机械回收就能利用这个特征。
铁磁体能被磁铁吸走,有色金属通过涡流而从中分离。已证实,将电子废弃物破碎到<5mm时,金属解离度能达96.5%~99.5%。
3机械回收的应用和发展
机械回收包括拆解、粉碎、物料的分选等处理过程。处理过程又分:①修理或升级后的整机再利用;②拆解的元器件再利用;③物料的回收利用。
3.1拆解
拆解的目的:①拆除含有有害物质部分,如含铅电池、电容器等;②拆除具有一定价值且仍可继续使用部分,用于旧设备的修理、新设备的生产等,如计算机内存条、集成块可用于某些玩具的生产;③拆除需采用特殊方法单独处理的部分,如显像管、线路板等;④通过拆解回收部分有用件,如计算机机箱、显示器外壳及玻璃等。
传统拆解为手工,有时借助于机械设备,费工费时。StennettA.D.等研究了采用化学或机械等非热法拆除线路板表面元器件的技术,包含影像、运输、脱焊及自动系统。可用于回收线路板的有用元器件的半自动拆解生产线已见诸报道。大型电器的机械或自动化拆解线,如电视机、冰箱等废旧家电的分类及拆解已实现工业应用。IBM公司于1994年建成了一条废弃信息设备再利用及拆解生产线,三年间共处理了3178万kg废弃设备及部件,通过再利用节约资金5000万美元,通过销售工业标准件及回收商品获得的利润分别为1000万及500万美元。德国一电子废弃物回收厂有多条电子设备拆解线,可拆解200kg以上的大型电子设备或电话机等小设备。通过拆卸废弃电脑可得到:聚氯联苯电容器,电池,汞部件及其他有害物质,同时可得到电缆,塑料,印刷线路板,阴极射线管和金属等。
3.2电子废弃物的破碎及不同成分的解离
破碎的目的是使废弃电子设备的各种成分互相分离。由于电子废弃物中各种组成之间的结合力非常小,因而一般在破碎阶段就可获得相当高的金属与非金属的单体解离度。ZhangS.等采用以剪切力为主的破碎设备取代以冲击力为主的锤式磨破碎电子废弃物,发现破碎产品在3mm以下时,需要的金属就已经基本解离;铁磁体除16mm以上与塑料插紧的部分之外,其它部分的解离度相当高;7mm以上的铝也有较好的解离度;破碎产品中的粗粒部分只有铜的解离度较低,其原因在于线路板中薄片铜及铜丝的存在使铜的解离效果不是很佳。
3.3电子废弃物机械处理的工业应用
电子废弃物的资源化回收研究始于1969年。美国矿业局尝试从废弃军事设备的破碎产品中回收贵金属,并建成了处理量达0.23t/h的中试厂。其处理流程为:废弃军事设备经锤式磨破碎后,再经气力分级,磁选除铁,涡流分选等作业回收铜一铝合金,再用电选机回收金属富集体。此后随着人类对二次资源利用及环境保护的重视,电子废弃物的资源化回收研究迅速发展,特别是欧洲,已建成了多家电子废弃物机械回收厂。图1为1991年在波兰建成的现代化复杂电子废弃物回收厂回收工艺流程,处理的电子废弃物包括废弃军事设备及电讯设备等。废弃的电子设备经破碎、磁选除铁、分级、涡流及重选作业,可得到不同金属的富集体,其中所得到的铝颗粒经熔炼即能满足AlSi5Cu合金标准。

图1波兰某电子废弃物处理厂流程
德国一电子废弃物回收厂年处理废弃电子设备达3万t,其流程如图2所示。废弃电子设备经拆解、破碎、分级及涡流、气力分选,可获得铁、有色金属及非金属富集体。其中铁富集体含铁高达95%~99%,有色金属富集体含有色金属在91%~99%,非金属富集体的金属含量在0.5%~5%j。亚洲国家中,日本在电子废弃物资源化研究处于领先地位,图3为日本一废弃线路板处理流程。
在重力分离阶段,100~300μm区间铜的回收率高达94%,经静电分选,铜的富集体含铜可达82%。

图2德国某电子废弃物回收厂流程

图3废弃线路板破碎及分离流程
我国近年来也已开展了电子废弃物的资源化回收与利用研究,如废旧电池的处理及回收,废弃线路板的选择性破碎与金属回收等,但大多处于实验室研究阶段。电子废弃物的回收及利用不仅可以减轻环境污染,而且能减缓我国资源短缺的压力。随着我国政府及企业对环境保护及二次资源利用的重视,电子废弃物的资源化研究有望取得更大的进展。
4结论
电子废弃物是城市垃圾中增长速度***快且具有较高回收利用价值的一类有害固体废物,对其回收及资源化利用不仅可以减轻环境污染,而且能回收有用成分。电子废弃物的机械分离具有污染轻及可回收电子废弃物中各种成分的优点,可实现资源的综合回收及利用,这一经济与环境友好的回收方式必将在21世纪取得更大的发展。

 

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