廢棄電路板的資源特點及回收處理技術(shù)

□文/周益輝 曾毅夫 葉明強

湖南凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?/p>

廢棄電路板的資源特點及回收處理技術(shù)

□文/周益輝 曾毅夫 葉明強

湖南凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?/p>

The Resource Characteristics and Recycle Technologies of Waste Printed Circuit Boards

本文對廢棄電路板的資源特點進行了總結(jié)，綜述了目前應(yīng)用較廣的幾種廢棄電路板回收技術(shù)，即機械處理法、火法、濕法和熱解技術(shù)，簡要分析了現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢和不足，并展望了廢棄電路板資源化技術(shù)今后發(fā)展的方向。

廢棄電路板 處理技術(shù) 回收

印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)是電子工業(yè)的基礎(chǔ)，是各類電子產(chǎn)品中不可缺少的重要組成部分。近年來，由于電子與信息行業(yè)的產(chǎn)品更新?lián)Q代加速，導(dǎo)致大量電子廢棄物形成，廢棄電路板的數(shù)量以驚人的速度逐年增加。據(jù)估計，廢棄電路板在電子廢棄物中所占的比重為3%左右。以電子工業(yè)發(fā)達(dá)的廣東省東莞市為例，每月產(chǎn)生的廢棄電路板超過5 000噸，整個廣東省超過8 000噸。除國內(nèi)產(chǎn)生大量的廢棄電路板外，每年大量進口的電子廢棄物中也含有大量的廢棄電路板。

廢棄電路板主要由有機強化樹脂、玻璃纖維、銅箔和電子元件組成，其中含有大量的有價金屬（如銅、鐵、鋁、錫、鉛等），還含有貴金屬（如金、銀、鉑、鈀等），具有很高的資源回收價值。然而，廢棄電路板中還含有鉛、汞、鎘、鉻等多種重金屬和聚氯乙烯、鹵化物阻燃劑等有毒有害物質(zhì)，處理不當(dāng)將對環(huán)境造成嚴(yán)重的二次污染。因此，如何有效地實現(xiàn)廢棄電路板無害化回收，實現(xiàn)其再資源化，對于減輕環(huán)境壓力和防止環(huán)境污染，提高二次資源的再利用率，確保我國經(jīng)濟、社會和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展都有著十分重要的意義。

一、廢棄電路板資源特點

1. 廢棄電路板的來源

廢棄線路板的來源主要有兩個，一是廢棄的電子電器產(chǎn)品中所含有的印刷線路板，二是印刷線路板在生產(chǎn)過程中形成的邊角料和報廢品。從計算機、電視機到電子玩具等，幾乎所有的電子產(chǎn)品中都含有印刷線路板。因此，電子電器產(chǎn)品一旦被廢棄，會產(chǎn)生大量的廢棄電路板。隨著科技日新月異的發(fā)展，電子電器產(chǎn)品被淘汰的速度越來越快，將形成大量的廢棄電路板。除此之外，據(jù)有關(guān)資料顯示，印刷電路板在生產(chǎn)過程中由于裁剪工藝產(chǎn)生的邊角料高達(dá)24%。

2. 廢棄電路板的材料組成

廢棄電路板的回收處理在很大程度上依賴于對其材料組成與結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，因此，從定性和定量的角度確定廢棄電路板上各種物質(zhì)的組成和含量非常必要。印刷線路板的基板材料通常為玻璃纖維強化酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂，其上焊接有各種構(gòu)件，成分非常復(fù)雜，其中含有多種金屬，具有很高的資源回收價值。目前已有不少研究者對廢棄電路板的組成和結(jié)構(gòu)特點進行了研究，結(jié)果表明不同的電子產(chǎn)品對應(yīng)的電路板中元素組成和含量各不相同。例如，電視機中印刷電路板上貴金屬的含量比計算機少，鐵、鉛和鎳的含量多，但所含元素的種類基本相同。瑞典Ronnskar冶煉廠對個人計算機中的印刷電路板的組分進行了分析，結(jié)果如表1所示。

表1 電腦電路板的主要物質(zhì)組成

從材料組成來看，廢棄電路板中含有大量可回收的金屬和塑料等非金屬物質(zhì)，具有很高的回收利用價值。廢棄電路板含有的金屬分為兩大類：一是基本金屬，如鋁、銅、鐵、鎳、鉛、錫等；二是貴金屬和稀有金屬，如金、銀、鉑、鈀等。一般而言，廢棄電路板中基本金屬含量高，貴金屬和稀有金屬含量低。然而廢棄電路板還含有鉛、汞、鎘等重金屬和溴化阻燃劑等有毒有害物質(zhì)，如果處理不當(dāng)會對大氣、土壤和地下水造成嚴(yán)重污染，對人類健康造成巨大危害。

二、廢棄電路板回收處理技術(shù)

目前，最常用的廢棄電路板回收技術(shù)主要有機械處理法、火法、濕法、熱解等或幾種技術(shù)的組合方法。

1. 機械處理法

機械處理法是先將廢棄電路板破碎成細(xì)小顆粒，然后根據(jù)其中各組分物理性質(zhì)的差異實現(xiàn)分離的方法，一般包括破碎、磨碎、分選等處理工藝。日本NEC公司采用去除元件和焊料后再破碎分選的方法處理廢棄電路板，其處理流程如圖1所示。去除元器件和焊料后，分別使用剪切破碎機和具有剪斷和沖擊作用磨碎機，將廢板粉碎成小于1mm的粉末。再經(jīng)過重力分選和靜電分選過兩級分選可以得到銅含量約82%的銅粉，其中超過94%的銅得到了回收。樹脂和玻璃纖維混合粉末尺寸主要在100～300μm之間，可以用作聚合物產(chǎn)品如油漆、涂料和建筑材料等商品的添加劑。

上海交通大學(xué)許振明課題組對廢棄電路板的機械回收處理進行了研究。其回收工藝主要包括兩級破碎、靜電分選、金屬回收和非金屬材料的再利用，如圖2所示。首先采用剪切式旋轉(zhuǎn)破碎機和沖擊式旋轉(zhuǎn)磨碎機相結(jié)合進行一級破碎和二級破碎，達(dá)到金屬-非金屬充分解離的程度，然后應(yīng)用輥式電暈-靜電復(fù)合電場高壓電選機，對已破碎的廢棄電路板進行金屬顆粒與非金屬顆粒的分選。

對于上述機械處理技術(shù)而言，各種材料盡可能充分地單體解離是高效率分選的前提。廢棄電路板破碎程度不僅影響破碎設(shè)備的能耗，還將影響后續(xù)的分選效率，所以說破碎是關(guān)鍵的一步。由于印刷電路板基材硬度高、韌性強，要求細(xì)碎能耗大，破碎過程中部分機械能轉(zhuǎn)變成熱能，樹脂、塑料等有機物由于局部高溫產(chǎn)生有毒氣體，還將不可避免地產(chǎn)生噪音和含有玻璃纖維、有機樹脂的粉塵，對環(huán)境造成不利影響。

圖1 日本NEC公司研發(fā)的廢棄電路板回收流程

圖2 廢棄電路板回收流程

德國Daimler-BenzUlm Research Centre公司提出了一種液氮冷凍破碎的技術(shù)對電路板進行處理，具有四段式工藝：預(yù)破碎、液氮冷凍粉碎、分類、靜電分選。這種用低溫破碎的方法使廢棄電路板基材脆化更容易破碎，減少了有毒氣體的產(chǎn)生。但是，液氮冷凍使得處理成本大大增加，對設(shè)備的要求也很高。由此可見，機械法處理廢棄電路板，在環(huán)境保護和資源化回收利用等方面還存在著一些問題。

2. 火法冶金

火法冶金是一種回收廢棄電路板金屬尤其是貴金屬的傳統(tǒng)技術(shù)。在火法冶金過程中，廢棄電路板首先被燃燒以去除塑料，然后對剩余金屬進行熔渣和提煉。比利時Umicore公司提出用銅熔煉的方法處理電子廢棄物，其處理流程如圖3所示。廢棄電路板等電子廢料經(jīng)預(yù)處理后，送入Isa熔煉爐進行熔煉。產(chǎn)生的氣體送硫酸廠處理；得到的粗銅送電解精煉回收銅、貴金屬和稀有金屬；爐渣送鉛鼓風(fēng)爐回收鉛、錫等其他金屬以及貴金屬和稀有金屬等。

高溫冶金處理的最大優(yōu)點是能夠處理所有形式的電子類廢品，但也存在許多缺點。單純采用高溫冶金處理廢棄電路板存在一些問題：一是廢棄電路板的有機塑料沒有實現(xiàn)高附加值資源化；二是焊錫等金屬在火法冶金過程中回收量很低或無法得到回收；三是火法冶金過程中產(chǎn)生大量的廢氣、廢渣需要妥善處理與處置。

圖3 比利時Umicore公司的金屬熔煉流程

3. 濕法冶金

濕法冶金也是一種傳統(tǒng)的廢棄電路板回收技術(shù)。Young Jun Park等提出了一種“機械破碎分選+濕法冶金”的方法處理印刷電路板，主要包括破碎、鐵鋁分選、焊料浸出回收、銅浸出回收、貴金屬回收和鎳鋅分離幾部分，如圖4所示。分別用磁選和渦電流分選分離鐵和鋁后，用含有Ti（Ⅳ）的酸液處理廢棄電路板使錫或含錫和含鉛的合金溶解為Sn（Ⅱ）和Pb（Ⅱ），通過電積的方法把錫離子和鉛離子還原為金屬錫和鉛而回收；最后采用硫酸銨溶液浸出、萃取、電積得到銅，再進行貴金屬回收、鋅和鎳的分離回收。采用濕法冶金處理廢棄電路板具有金屬回收率高、金屬純度高等優(yōu)點，然而濕法工藝流程復(fù)雜、化學(xué)試劑耗量大，在處理過程中產(chǎn)生大量的廢水、廢渣需要妥善處理。

4. 熱解

熱解是在缺氧或無氧條件下將有機物加熱至一定溫度，使有機樹脂中的化學(xué)鍵斷裂，把網(wǎng)狀的大分子分解成有機小分子，殘留物為無機化合物，生成氣體、液體(油)、固體(焦)并加以回收的過程。從PCB的組成能夠看出，樹脂塑料等高分子材料占廢棄PCB重量的30%左右，由于這類材料直接或間接來源于石油產(chǎn)品，具有很高的熱值，利用它們既可產(chǎn)生能源也可生產(chǎn)相關(guān)的化學(xué)產(chǎn)品，以一定的形式回收這部分材料具有經(jīng)濟和環(huán)境的雙重價值。近年來，隨著工業(yè)的急速發(fā)展，人們逐漸意識到環(huán)境保護和開發(fā)再生能源的重要性，熱解技術(shù)開始用于固體廢物的資源化處理。由于熱解法對固體廢物特別是有機高分子聚合材料處理所具有的減量化、無害化和資源回收率高等明顯優(yōu)勢，國內(nèi)外已開展了采用熱解方法處理廢棄電路板的理論研究和工程實踐。

目前大部分廢棄電路板的熱解研究是在氮氣氣氛下進行的，而在真空條件下對廢棄電路板進行熱解的研究很少。真空熱解與以惰性氣氛下進行的熱解技術(shù)相比具有很多優(yōu)點，比如真空條件下能減少二次裂解反應(yīng)的發(fā)生，降低樣品的熱分解溫度，且避免了引入載氣，從而降低了回收成本。中南大學(xué)丘克強課題組研發(fā)了處理廢棄電路板的新技術(shù)，其中就包括了廢棄電路板有機樹脂的真空熱解分離技術(shù)，其熱解裝置如圖5所示。

采用熱解技術(shù)在減容減量方面有很大的優(yōu)勢，能實現(xiàn)有機物和金屬的一步分離。但是，目前這種方法用于產(chǎn)業(yè)化還存在著技術(shù)難題：一是熱解油的脫鹵；二是熱解尾氣治理。

三、結(jié)語

廢棄電路板含有大量的普通金屬和貴金屬、有機樹脂、玻璃纖維等有價資源，對其回收有著巨大的經(jīng)濟效益；由于其中含有大量的有毒有害物質(zhì)，若不對其進行處理而直接填埋或者采用不當(dāng)?shù)墓に嚰夹g(shù)和設(shè)備處理，將給人類健康和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害，因此，科學(xué)有效地回收處理廢棄電路板有利于人體健康與環(huán)境保護。自然資源逐漸減少的今天，對廢棄電路板進行回收利用，有利于節(jié)約能源，提高資源的循環(huán)利用率，對促進經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

綜合現(xiàn)有的回收技術(shù)來看，火法處理量大，但能耗高、資源回收率低、廢氣廢渣處理成本高；濕法分離回收成本高, 若處理不當(dāng)還會對水資源造成嚴(yán)重污染；熱解技術(shù)在減容減量方面是可行的，但熱解油的利用是該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的瓶頸；用干式機械破碎分選的方法回收金屬、貴重金屬及其他組分，可獲得高的回收率。已有的實踐說明，采用粉碎、篩分、氣流分級、磁選、電選等干法分離技術(shù)應(yīng)該作為目前及今后解決廢棄電路板回收利用問題的出路。

略

圖4 廢棄電路板的金屬回收流程

圖5 真空熱解裝置示意圖

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