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      報廢電氣和電子設(shè)備回收研究

       昵稱m5Gu5 2019-01-26

      目的:本文介紹了當前歐洲在報廢電子與電氣設(shè)備回收與處理方面的基本情況,并分析了它們對環(huán)境、人類健康和經(jīng)濟造成的影響。

      設(shè)計/方法/手段:近年來,電子與電氣設(shè)備的生產(chǎn)制造是增長最迅速的領(lǐng)域之一,這種過快增速直接導致了報廢電子與電氣設(shè)備(Waste Electrical and Electronic Equipment, WEEE)數(shù)量的激增。因此,加強對報廢電子與電氣設(shè)備的回收處理可以有效減少最終報廢電子與電氣設(shè)備的數(shù)量。

      結(jié)果:本文在全面研究分析相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上,回顧了報廢電子與電氣設(shè)備的處理策略的實施情況和報廢電子與電氣設(shè)備的主要回收技術(shù)手段。

      研究限制/含義:下一步工作重點是要研發(fā)集成的報廢電子與電氣設(shè)備回收與報廢處理系統(tǒng)。

      實踐含義:在涉及報廢電子與電氣設(shè)備管理的環(huán)境問題上,許多國家和組織都已經(jīng)起草了國家法規(guī)來提高回收、處理、再利用水平,以達到減少報廢設(shè)備數(shù)量的目的?;厥請髲U電子與電氣設(shè)備是一項十分有意義的工作,不僅能夠優(yōu)化廢棄設(shè)備處理,而且能夠回收有價值的材料。因此,對報廢電子與電氣設(shè)備設(shè)備材料的回收與再利用技術(shù)進行深入研究,十分有必要。

      關(guān)鍵詞:環(huán)境管理;回收;報廢處理;電子廢料

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      引  言

      在過去的十年里,對廢棄電子和電氣設(shè)備的回收工作受到了大家越來越多的重視。在不遠的未來,報廢電子與電氣設(shè)備的數(shù)量將呈現(xiàn)快速增長。事實上,在歐洲報廢電子與電氣設(shè)備數(shù)量僅占據(jù)了國內(nèi)廢棄品的4%,德國一年的電子廢料大約有180萬公斤。在澳大利亞每年報廢電子與電氣設(shè)備總量大約85000公斤,并且呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢,其中5000公斤是屬于有害廢品。在波蘭,2005年就生產(chǎn)了30000公斤的報廢電子與電氣設(shè)備,并且保持每年3%-5%的增長。

      由于報廢電子與電氣設(shè)備中包含有害廢品,如果在廢物管理階段沒有得到適當處理,就會造成環(huán)境污染問題。因此,世界上許多國家通過制定相關(guān)政策指令來改善這類廢品的報廢、處理、與回收問題。2003年2月13日歐盟議會就通過了兩部有關(guān)指令,《電子與電氣設(shè)備報廢指令》和《有害物質(zhì)限制(Restriction of Hazardous Substances, RoHS)指令》。波蘭在2005年10月開始執(zhí)行有關(guān)報廢電子與電氣設(shè)備的法規(guī),要求企業(yè)生產(chǎn)方開始逐步回收電子與電氣設(shè)備。波蘭有關(guān)報廢電子與電氣設(shè)備的法規(guī)法案要求廢品回收系統(tǒng)做到減少80%廢品排放,改善廢品對環(huán)境造成的不良影響。

      對報廢電子與電氣設(shè)備的回收一直是重要議題,不僅僅是廢品處理,還有重要材料的回收問題。報廢電子與電氣設(shè)備包括許多復雜的材料和部件,為了研發(fā)一個性價比高的和環(huán)境友好的回收系統(tǒng),非常有必要區(qū)分報廢材料中的有用材料和有害物質(zhì),以便更好的理解這類報廢材料的物理特性。

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      報廢電子與電氣設(shè)備特性

      在報廢電子與電氣設(shè)備相關(guān)指令中,電子和電氣設(shè)備是指那些依靠電流或電磁場來工作的,以及那些能夠產(chǎn)生、傳輸和度量電流和電磁場的設(shè)備。它們適用的額定電壓范圍通常為直流電的0—1000V以及交流電的0—1500V。

      報廢電子與電氣設(shè)備相關(guān)指令規(guī)定了10類電子和電氣設(shè)備,具體分類如下:

      ● 大型家用電器(例如:電冰箱);

      ● 小型家用電器(例如:咖啡機);

      ● 信息技術(shù)和通信設(shè)備(例如:電腦);

      ● 消費型電子產(chǎn)品(例如:收音機和電視機);

      ● 照明設(shè)備(例如:日光燈);

      ● 電子和電氣用工具,不包括大型的固定工業(yè)工具(例如:電鉆和電鋸);

      ● 玩具、文體娛樂設(shè)備(例如:電視游戲機);

      ● 醫(yī)療設(shè)備,不包括所有植入的和感染病毒的產(chǎn)品(例如:X光設(shè)備);

      ● 監(jiān)視和控制設(shè)備(例如:煙霧報警器);

      ● 自動分散器。

      報廢電子與電氣設(shè)備的成分主要取決于設(shè)備的類型和年齡,例如,信息技術(shù)和通信設(shè)備產(chǎn)生的報廢電子與電氣設(shè)備比家用電器產(chǎn)生的廢料帶有更多的貴金屬(如圖 1所示)。使用時間久的舊產(chǎn)品要比新品產(chǎn)生更多的有價值金屬,但同時也會產(chǎn)生更多的危害物質(zhì)。

      圖1 報廢電子與電氣設(shè)備

      通常情況下,報廢電子與電氣設(shè)備是由40%金屬、30%塑料和30%耐火氧化物組成。如圖 2所示,典型的金屬廢料組成包括:20%的銅、8%的鐵、4%的錫、2%的鎳、2%的鉛、1%的鋅、0.02%的銀、0.1%的金以及0.005%的鈀。典型的塑料成分包括:聚乙烯、聚丙烯、聚酯和聚碳酸酯。

      圖2 報廢電子與電氣設(shè)備的特殊材料組成

      在處理報廢電子與電氣設(shè)備過程中一個重要的問題是對其中所包含的重金屬和有機物的處理問題。因為它們與塑料成分中的鹵素結(jié)合后可以形成具有揮發(fā)性的金屬鹵化物,同時它們也會對二噁英和呋喃的形成起催化作用。

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      報廢電子與電氣設(shè)備

      回收流程

      事實上,現(xiàn)有的電子廢料回收流程主要著眼于鐵類金屬、有色金屬和貴金屬的分離。一個典型的電子和電氣廢品回收流程如圖 3所示。通常,電子產(chǎn)品被手動分為多個產(chǎn)品組,或者被直接轉(zhuǎn)移到另一個回收實體。如果這些廢棄產(chǎn)品仍然具備部分功能,或是超出了回收者的能力、容量和允許,它們會被轉(zhuǎn)移。該流程接收的產(chǎn)品會被分類分階段拆解。

      圖3 典型報廢電子與電氣設(shè)備回收流程示意圖

      01

      機械分離

      不同的部件和設(shè)備第一步通過機械分離為不同的部分,例如按材質(zhì)分解為:金屬(鐵、銅和鋁等)、塑料、陶瓷、紙質(zhì)、木材和設(shè)備,例如電容器、電池、顯像管、液晶顯示屏、印制電路板等等。這些材料可以做進一步處理,例如:塑料材料因為其鹵素含量較高會被進一步處理,金屬材料可以通過不同的冶金流程被進一步處理。其中,印制電路板的分解處理過程比較復雜,這是由于金屬相和非金屬相是高度交聯(lián)的

      在手動分揀,去掉污染物(例如水銀開關(guān)、電容器中的五氯苯酚等)之后對材料進行第一步的粉碎。材料的分離手段通常包括電磁法、靜電法、密度法、視覺法和其他方法。例如采用一系列磁鐵,可以從傳送帶上分離出含鐵的材料,與傳統(tǒng)的電磁體相比永磁體的使用可以大大降低能源的消耗。對上述報廢品進行多次的粉碎和磁鐵分離、再加工程序,可以大大增加含鐵材料分離程度。在分離出鐵類金屬之后,剩下的材料再通過傳送帶進行緩慢挑揀,去掉一些大型碎片,例如玻璃渣或塑料渣。在使用研磨機和篩選器依據(jù)材料的大小進行分離之后,使用渦流法、靜電法、空氣法、浮沉法和離心力法等對非鐵類金屬進行分離。在報廢品進行大小分離的過程中,還可能會用到撕扯、研磨、錘擊等方法,通過傳送帶將它們連接起來。而廢料的組成決定了具體使用哪種方法。分離出來的材料還要采用特定的加工方法進一步處理,如火法冶金技術(shù)與濕法冶金技術(shù)。

      02

       熱處理技術(shù)

      火法冶金技術(shù)主要包括焚化、等離子弧熔爐熔化、撇渣、燒結(jié)、融化和高溫氣相反應。焚化通常是指去除去塑料和其他有機材料,進一步濃縮金屬。壓碎的廢品可在熔爐中焚化來去除塑料,得到熔化的金屬殘渣。塑料燃燒后,耐火氧化物最終會形成熔渣。

      在熔化反應階段,會用到金屬收集器,例如銅和鉛。但是在熔化未經(jīng)提煉金屬過程中,仍會不可避免的收集到一些不純的合金。電子廢品中包含的金和銀元素可以在銅鑄熔爐中提煉,但是銀和其它貴金屬往往會需要較長的過程來提煉。絕大多數(shù)再生銅和大部分的電子廢品都可以在銅鑄熔爐中進行火法冶金提煉,其主要過程和步驟包括:金屬熔化與還原、吹爐中原銅生成或起泡、火法精煉、電解提煉、陽極泥處理。在現(xiàn)代的再生銅熔爐中,許多各類型含銅材料都可以進行回收處理。圖 4展示了一個典型的含銅報廢電子與電氣廢品的回收流程。除了銅元素,報廢電子與電氣廢品還會含有鎳、鉛、錫、鋅、鐵、砷、銻和其它貴金屬元素。待處理材料(如報廢的電子產(chǎn)品)需要根據(jù)其純度和物理狀態(tài)進入不同的處理流程。陽極成分組成、粉塵和爐渣的質(zhì)量由于材料的不均勻性而產(chǎn)生劇烈波動。這一過程同電解精煉中產(chǎn)生陽極泥的情況是類似的。另外一種從電子廢品中復原氫氧化物和貴金屬的方法是通過鉛熔煉處理。

      圖4 含有銅的報廢電子與電氣設(shè)備回收流程示意圖

      熱解技術(shù)是指將待處理材料在惰性氣體環(huán)境下進行加熱,在達到特定溫度后,材料中的有機物(如塑料、橡膠、紙、木材等等)就會分解,并形成揮發(fā)性物質(zhì),可以進一步用于化學工業(yè)或者與油氣混合后產(chǎn)生能源。但是現(xiàn)階段而言,工業(yè)領(lǐng)域并沒有采用這種方式來處理廢品。

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      濕法冶金技術(shù)

      濕法冶金技術(shù)的主要方法是通過酸或腐蝕性液體對固態(tài)金屬進行淋洗。這一過程通常需要小的粒度尺寸來增加金屬的產(chǎn)量。按照這一方案,目標金屬元素便會被剝離出來,然后通過溶劑萃取、化學沉淀、滲碳處理、離子交換、過濾和蒸餾等過程進行濃縮。其中,淋洗溶劑主要有H2SO4、H2O2、HNO3、NaOH、HCl等等。

      04

      電化學處理技術(shù)

      絕大多數(shù)電化學處理技術(shù)通常都是精煉處理,并且是在電解質(zhì)溶液中進行的,有時也可在熔鹽中進行。閱讀文獻可以發(fā)現(xiàn)只有少數(shù)經(jīng)粉碎的廢料可以直接用電解處理。例如,在碘化物電解時,碘化鉀/氫氧化鉀溶液常用來從鍍金或是涂金廢品中回收金、銀和鈀元素。另外一項處理過程是鐵-流程,在這個流程中含銅廢品在硫酸鐵溶液中進行淋洗,而淋洗液是電解過程產(chǎn)生的廢液。

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      討  論

      上述所有提到的方法都有其各自的優(yōu)點和缺點。使用機械分離技術(shù)有個顯著的優(yōu)勢,即對于簡單的設(shè)備而言,通過機械分離處理可以得到不同的成分,例如:鐵、有色金屬、輕量材料(如塑料等);缺點就是會產(chǎn)生噪音和粉塵污染;回收的步驟主要取決于回收材料,并且分離過程中高的剪切力會導致溫度上升,伴隨著熱解效應和其它反應還會排放出一些氣體(如二噁英和呋喃等);因此,機械分離技術(shù)得到的分離物必須進行進一步的處理,或是采用和塑料一樣的填埋處理?,F(xiàn)有的熱處理工廠能夠處理得到高純度的金屬——通常不止一種金屬,例如:在一個銅加工廠中可以得到貴金屬鎳。另外,處理復合材料也不成問題,因為在加工過程中,許多元素都隨著金屬融化過程而破壞分離。

      缺點是會產(chǎn)生廢氣與煙道灰。并且其中的鹵素成分還會導致二噁英問題,因此必須采用廢氣處理系統(tǒng)。貴金屬要在冶金過程中存留很長時間,直到處理過程結(jié)束時才能獲得。另外,對金屬進行濃縮也是十分必要的,這是因為氧化物的增加會導致礦渣的產(chǎn)生,而礦渣會加劇金屬的流失。少量的貴金屬就不能通過這類方法獲得(例如:鋁)。相反地,鋁元素還會一定程度影響礦渣性質(zhì),多數(shù)情況下這也是我們不希望發(fā)生的事情。濕法冶金技術(shù)同樣能夠通過選擇在不同的溶液中進行淋洗來獲得高純度的金屬;缺點是這一過程需要大量的淋洗液,而且這些溶液可能是腐蝕性的或者是有毒性的。復合材料本身會造成一定的金屬元素損失。最后一個問題是,這一方法還會產(chǎn)生大量的廢水。

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      結(jié)  論

      由于《電子與電氣設(shè)備報廢指令》和《有害物質(zhì)限制指令》的頒布,對報廢電子與電氣設(shè)備回收工作的重要性變得顯而易見。如今,銅爐火法冶金技術(shù)在電子廢品處理過程中已是十分常見。但是,在處理高金屬含量電子廢品,特別是含有塑料物的電子廢品時,往往還需要采用多種處理方法結(jié)合手段,例如:機械分離技術(shù)、熱處理技術(shù)和濕法冶金技術(shù),與此同時還要考慮環(huán)境影響因素。但是對堿金屬和貴重金屬廢品的采集和分析過程往往花費巨大,甚至比對其處理過程花費都要多。而且廢品的質(zhì)量與組成成分不同,會直接影響它的市場價格。另外,對廢品處理過程中的環(huán)境影響限制以及廢品處理方式都是必要重點考慮的事項,例如:對水銀開關(guān)和電容器的處理。大型銅或者鉛冶煉廠,它們都具備處理大量廢棄品的能力。但是,隨著廢棄電子產(chǎn)品質(zhì)量的下降和塑料含量的上升,這將會對未來廢棄品的處理增加許多難度。

       ·END· 

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