机械处理技术回收废弃电路板中金属富集体的研究

随着经济的发展，人口的增长，固体废物的排出量也不断地增大。在大量的生活垃圾中，废旧电脑及电器的比例越来越大。因为随着电子技术的发展，电子行业出现了前所未有的进步，电子产品的性能不断提高，其更新换代的速度也越来越快。由此而产生的电子废弃物每年以18％的速度增长，成为世界上增长最快的垃圾[1]。大量的电子废弃物给环境带来潜在的危害，又造成资源的巨大浪费。因此，实现电子废弃物的资源化既能解决环保问题，又能实现有价组分的再生利用，具有重要的理论意义和应用价值，是资源回收利用和环境污染防治领域中的国际前沿课题。
电子废弃物资源化研究的内容很广泛，其中废弃电路板的资源化研究是重点和难点[2-5]。
废弃电路板潜在价值很高，包含了有色金属和希贵金属近20种，所含金属品位相当于普通矿物中金属品位的几十倍至上百倍[6]。与此同时，电路板中含有的重金属（铅、汞、六价铬、镉等）和含溴阻燃剂对土壤、环境、生物造成的潜在危害也不可低估，受暴力驱使，采用简单酸溶、冲天炉焚烧等方式从废弃电路板中提取金属造成生态破坏的事件在沿海城市时有发生[7]。因此，采用高效洁净方式，实现废弃电路板的资源化迫在眉睫。
废弃电路板的资源化研究始于上世纪60年代末，当时美国矿业局尝试从废弃军事设备（包含废弃电路板）中提取贵重金属[8]，至今已有40多年的历史。现在主要的回收技术有化学方法（湿法浸出、火法冶炼）和物理方法（机械分选）等[9,10]。物理方法采用拆解、粉碎、分选等处理过程实现废弃电路板资源化，具有环境友好、运行成本低和资源综合回收等优点，其金属产品可通过精炼加工进一步富集。随着废弃电路板中贵金属使用的逐渐减少和社会对环境保护的重视，废弃电路板的资源化逐渐向铁磁性物质、有色金属、贵金属和稀有金属及有机物质等材料的回收转变。物理回收方法在废弃电路板资源化研究中逐渐占据主导地位。
破碎解离是废弃电路板机械处理技术中的关键环节，因为它直接决定着后续分离作业的效率、金属的回收率和品位。破碎产物中细粒级物料的分选是废弃电路板资源化研究的难点。因此，本研究采用湿法冲击式破碎实现废弃电路板的高效解离，借助一种新型分选装置、以水为介质从废弃线路板中回收金属富集体，整个工艺除具有一般物理方法的优点外，还实现了水的循环利用、达到了零排放无污染的环保目的。
2.废弃电路板的破碎研究
采用机械处理方法处理废弃电路板，首先要实现废弃电路板中金属和非金属的充分解离，而解离的效果取决于破碎设备的选择。研究者采用剪切粗碎、湿法冲击式细碎，实现了废弃电路板的选择性破碎，90％以上的金属主要分布在0.074～2mm，为后续分选环节创造了良好的条件。
2.1废弃电路板粗碎研究
本研究对象为电脑中的废弃主板，其基板为FR—4型环氧玻纤布覆铜板，基板主要是由环氧树脂、玻璃纤维和高纯度铜箔构成的复合材料[11]。电脑主板上安装了大量的插槽，主要包括ISA、PCI、AGP、SDRAM、DDR等类型，主要是由塑料和长条形铜线、铝线构成。集成电路的成分比较复杂，基础材料为硅单晶或砷化镓；封装材料通常有塑封材料、陶瓷封装材料和金属封装材料，成分主要有树脂、二氧化硅、铅玻璃、金属及相应的固化剂、促进剂、阻燃剂等；引线材料通常包括内引线材料和外引线材料，它们主要由一些金属或其合金构成[12]。在破碎之前，需对印刷电路板进行必要的拆解处理。如拆除电路板上具有一定价值且仍可继续使用的元器件或附属设备，用于旧设备的修理、新设备的生产等，如风扇、集成电路；拆除电路板上含有有毒有害物质的元器件，如含铅电池、含汞开关、含聚氯联苯电容等，防止在机械破碎过程中造成的二次污染。拆除印刷线路板上部分纯度高、粒度大的金属，如串口、并口以及各种接口，将此类元器件拆除可以避免不必要的粉碎，节省能耗，为后续破碎创造条件。
电路板的基板为片状物料，具有一定的强度和韧性，因此在破碎过程中采用特殊设计的双齿辊破碎机，利用交错排列差速转动齿辊可以实现废弃电路板的高效粗碎，粗碎物料的宽度大约等于齿辊的宽度。改变齿辊的宽度和间距，可调节破碎物料的尺寸。试验中对废旧主板及废旧线路板进行了剪切破碎试验，从试验结果可以看出，该破碎机对废旧线路板的破碎效果较好，经过一次破碎后，其宽度为20mm，经过二次破碎后，可将废弃电路板破碎成20×20mm以下的小块。对废旧主板来讲，由于上面有插槽，入料时有一定的困难，同时受力不均匀，出料不规则。在入料为一块的情况下，端口比较整齐，基本上没有粉末与气味；当入料块数增加时，不但有气味，同时还会造成出料不规则。另外当频率为50Hz时破碎物料有扭断和卡堵现象。所以要想保证破碎产品的质量，频率选择不宜过大，即破碎速度不宜太快。

2.2废弃电路板的湿法冲击细碎研究
废弃电路板在常规破碎过程中产生了大量的粉尘和有害气体，恶化了工作环境。如何有效防止废弃电路板机械破碎过程中产生的二次污染问题，是当前研究的重点之一[13-15]。为此，作者所在课题组进行了废弃电路板湿法冲击破碎的研究，为废弃电路板破碎解离过程有效控制有害气体和粉尘的释放提供了理论依据和技术支持。
湿法冲击式破碎机在运行过程中，水作为介质不断通入破碎装置中。水的存在可以有效地避免粉尘的扩散，同时解决了粉碎过程中局部温度过高产生有害气体的问题。水在整个破碎工艺中循环利用，只需在工艺中补充新水。水的存在使破碎机的破碎环境发生了改变，在锤齿与物料的冲击、研磨、撕扯过程中，水实质上起到了一种润滑、缓冲的作用，这直接降低了锤齿与物料接触时的撞击强度，同时加速了破碎后物料的排出，有效避免了破碎过程中的过粉碎现象。与废弃电路板的干法破碎工艺相比，湿法破碎具有破碎效率高、过粉碎现象轻、无二次污染等优点。表1为废弃线路板湿法破碎后的筛分化验结果。
表1废弃线路板湿法破碎后的筛分化验结果

由表1知，废弃电路板中的金属主要分布在-2～+0.5mm粒级，金属在较粗级别富集有利于后续的分选作业。借助VM-01视频显微仪对不同粒级的物料进行观察，可知废弃电路板上的插槽在-5+2mm粒级金属几乎完全解离，基板中金属在-1mm粒级解离度为88％，集成电路中金属在-1mm粒级的解离度为85％[16]，在-0.5mm粒级，基板和集成电路中金属的解离度为100％。因此，研究者以-0.5mm破碎物料为考察对象，自制了一种新型分选装置，以水为介质回收废弃电路板中的金属。
3.废弃电路板的液固两相流分选研究
基于干涉沉降理论和液固流态化分层理论，研究者自制了液固两相流变径分选床。破碎后物料通过一个入料缓冲桶切向进入分选机，与一上升水流相遇而形成干扰床层或称沸腾床层。当达到稳定状态后，入料中密度低于床层平均密度的颗粒会浮起，并进入浮物产品流。密度高于床层平均密度的颗粒则穿过床层，进入沉物流，从而实现轻重物料的分选。水流由下部给入，物料从上部给入，分选装置设计为圆锥状，由于上部水流速度减小，将增加物料的松散度。图1为液固两相流变径分选床工艺设计图。

图1实验工艺流程设计
针对线路板破碎后多密度较宽粒级物料，液固两相流分选床结构进行了独特设计。变径使得湍流和层流可以共存于一体，湍流加大了物料与水的混合程度，有利于物料中不同成份颗粒间的脱离；层流提供了一个有序的沉降环境，通过参数的控制，保障金属与非金属间由于沉降速度的差异可以得到最有效的分离。为了保证介质流动的稳定性和均匀性，在液固两相流分选床内增加了流体分布器。流体分布器的设计满足以下要求：（1）产生均匀而稳定的上升水流；（2）流体分布器具有合适的管间距以保证精矿顺利排出；（3）防止小孔堵塞和磨损，同时便于加工。为了改善径向液速的不均匀分布造成的液相返混现象，研究者设计了变孔径分布板。使分布板阻力从边缘向中心，阻力按抛物线规律增大，改善了床内液速径向的不均匀分布。流体分布器的结构为多管式分布器和侧流式分布器相结合的锥孔式流体分布器，同时兼顾到孔径的非均匀性，既便于加工和有效地防止堵塞，又可以在一定程度上缓解液相返混。
工艺在细碎和重力分选过程中都采用水作为介质，因此该工艺开发了专门的水循环系统。它不仅实现了细碎和重力分选设备间的水循环使用，而且通过专门的固液分离子系统实现了非金属材料和水介质的有效分离，既保证了水循环使用的效率，又实现了非金属材料的有效回收。图2为废弃电路板破碎后物料的分选工艺。

分选研究，分选结果如表2所示。-0.5+0.25、-0.25+0.125、-0.125+0.074三个粒级的物料通过处理其金属富集体产品的品位及回收率都在90%以上，即使是对0.074mm以下级的物料也有金属品位60%以上同时回收率在90%以上的效果[17]。对于-0.5mm以下已解离的废弃电路板，采用上述方法可有效回收破碎物料中的金属富集体。分选粒度范围较宽，分选下限几乎到零，整个工艺水可以循环利用，环保无污染，辅助系统简单，投资运行费用低。 
4.结论
物理方法在废弃电路板资源化研究中占据了主导地位，金属的有效富集是后续分离提纯的前期技术。采用湿法破碎可实现废弃电路板的有效解离，同时可避免破碎过程中粉尘和气味的二次污染。研究者自制的液固两相流变径分选床可实现细粒级（-0.5mm）产物中金属和非金属的有效分离，金属富集体的品位和回收率都可达90％以上。破碎和分选工艺中水可以循环利用，具有成本低、分选效率高，无二次污染等优点。
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