平板顯示器回收的新挑戰(zhàn)

翻譯：周于琬 作者：Stafan Salhofer Markus Spitzbart Kurt Maurer

（1.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境發(fā)展中心，北京 100029；2.University of Natural Resources and Applied rife Sciences；3. KERP Centre of Excellence Electronics &Environment；4. Sauoermacher AG）

1．導(dǎo)言

基于歐盟（EC，2003）2002/96/EC廢舊電子電器設(shè)備指令（WEEE指令），在歐盟成員國報(bào)廢的電子和電器設(shè)備的回收和循環(huán)利用計(jì)劃已開始實(shí)施。在附錄 IA的WEEE指令附件所列的10個(gè)產(chǎn)品類別中，顯示屏主要集中在第3類（信息技術(shù)）、第4類（消費(fèi)類電子），顯示器也可以出現(xiàn)在第10類電器（自動(dòng)售貨機(jī)）。雖然在過去的顯示屏主要采用陰極射線管（CRT）技術(shù)，自2000年左右，平板顯示屏開始獲得更多的市場(chǎng)份額。對(duì)于CRT顯示屏，回收再利用技術(shù)已經(jīng)建立，但對(duì)于平板顯示器的回收，對(duì)回收商而言則是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。在本文中，對(duì)液晶顯示器（LCD）屏幕的材料組成進(jìn)行分析，并就拆卸和處理技術(shù)進(jìn)行了討論。結(jié)論目的是提供它們必須在未來處理的與材料流循環(huán)再造技術(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)，以及解決目前的技術(shù)瓶頸。

2．平板顯示器的數(shù)量和組成

在過去的10年，越來越多的銷售點(diǎn)上，平板顯示屏（LCD和等離子顯示屏）已經(jīng)取代了CRT顯示器。如表1所示，在25個(gè)歐盟成員國（歐盟25國）的家電市場(chǎng)上的液晶顯示屏的量。

表1 在歐盟25國市場(chǎng)上的LCD顯示器設(shè)備的總量單位：千噸

總量是根據(jù)銷售液晶監(jiān)視器和筆記本電腦的數(shù)字（J?nbrink和sj?gren，2006）和液晶電視（?ko-Institute和弗勞恩霍夫IZM，2007）以及平均重量數(shù)據(jù)（豪氏威馬等人，2007）計(jì)算獲得的。估計(jì)未來的家電與LCD屏幕可能產(chǎn)生的預(yù)期壽命可以通過假設(shè)一個(gè)典型的從銷售之日起后的產(chǎn)品。根據(jù)文獻(xiàn)資料的數(shù)據(jù)（豪氏威馬等人，2007），電視機(jī)、顯示器和筆記本電腦，10年在2012年在歐盟25國總量的231000噸的（相當(dāng)于人均每年0～5千克）LCD顯示器的設(shè)備將達(dá)到報(bào)廢階段，主要表現(xiàn)為監(jiān)視器和筆記本電腦。從2012年起，液晶電視機(jī)預(yù)計(jì)將數(shù)量增長，但估計(jì)有較大的不確定性，因?yàn)槟壳皼]有2008年以后的銷售數(shù)字。作為一個(gè)保守的態(tài)度，同樣的銷售監(jiān)視器和筆記本電腦數(shù)字跟在2008年使用的一樣。這個(gè)估計(jì)（見圖1），導(dǎo)致在歐盟25國在2018年有569000噸（等于人均每年1.2千克）的一個(gè)潛在的、大量的有LCD顯示器的家電報(bào)廢。

當(dāng)今的LCD顯示器在城市廢物流的數(shù)量比估計(jì)的數(shù)字要低得多。在奧地利，一項(xiàng)調(diào)查顯示，2006年回收設(shè)施WEEE（特薩和?hlinger，2009）份額的2.8%是家電類的顯示器和屏幕的LCD顯示器。瑞士類似的數(shù)字由Braendli（2008）報(bào)道。在2007年，瑞士回收系統(tǒng)SWICO時(shí)收集和回收顯示器9200噸，發(fā)現(xiàn)其中有5%的液晶顯示器。圖1中2009年顯示器和液晶電視中的數(shù)據(jù)相當(dāng)于人均每年0.3千克，而從奧地利2006年、瑞士2007年的收集數(shù)量來看，分別代表僅僅是人均每年0.05和0.06千克。要了解預(yù)期和注冊(cè)量之間的差異，必須考慮到該收集計(jì)劃WEEE，自2005年以來在大多數(shù)歐盟成員國才建成，但到目前為止，它們并沒有覆蓋100%的潛力。據(jù)估計(jì)（豪氏威馬等，2007），在2005年歐盟只有35%的CRT顯示器收集率，大多數(shù)其他產(chǎn)品顯示的收集率在40%以下。

還有，沒有太多關(guān)于液晶顯示屏屏幕使用壽命的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，而這些設(shè)備在市場(chǎng)上是相對(duì)較新的。這可能會(huì)導(dǎo)致高估的潛在處置。

圖1 估計(jì)在歐盟25國液晶顯示器報(bào)廢的總量

液晶顯示器材料組成，沒有多少發(fā)布的數(shù)據(jù)。一個(gè)普通的液晶顯示器的組成見表2（豪氏威馬等，2007），但沒有提供進(jìn)一步關(guān)于這款顯示器的大小或技術(shù)的資料。液晶顯示器和電視機(jī)的零件由李和Cooper（2008）進(jìn)行了量化。這里15英寸液晶顯示器的質(zhì)量為678克，其中134克被分配到“液晶組件”（玻璃、液晶、電極、校正層和間隔物）和544克用于“膜組”（塑料擴(kuò)散器和光導(dǎo)）。

表2 液晶監(jiān)視器的材料組成單位：千克

3．回收利用技術(shù)

對(duì)于大多數(shù)拆解CRT顯示器的材料，回收或處置途徑已經(jīng)確立。真正的金屬（鐵和有色金屬）或金屬豐富的組件（電纜、印刷電路板）要回收，而含有有害物質(zhì)的組件（如在WEEE指令附件Ⅱ中列出的），要經(jīng)過特殊處理。在奧地利，2006 年在16個(gè)工廠13400 噸（相當(dāng)于人均每年1.7 千克）的顯示器進(jìn)行了處理。在第一階段，通過人工拆解，這些工廠中的七家進(jìn)一步分離陰極射線管（特薩和?hlinger，2009）。缺乏回收利用塑料和玻璃的適當(dāng)工藝，造成了回收陰極射線管的瓶頸。拆除陰極射線管的玻璃的回收方案，由Menad（1999）和Bipro（2006）的一項(xiàng)調(diào)查給定。以及使用新的陰極射線管的生產(chǎn)，這不是一個(gè)未來可擴(kuò)大的途徑。由于生產(chǎn)減少，玻璃可用于制造陶瓷產(chǎn)品。使用其在陶瓷工業(yè)中生產(chǎn)釉料，更詳細(xì)分析由Andreola等（2007）作出。進(jìn)一步的方案是使用此玻璃材料作為造渣成分再生鉛銅軋機(jī)或輸入到二次銅綜合回收鉛和錫的生產(chǎn)中（Bipro，2006）。在瑞典銅工廠使用的CRT玻璃由Mostaghel和薩繆爾森（2010）給出進(jìn)一步詳情。對(duì)于日本來說，Aizawa等人（2008）報(bào)告的法律要求回收的不僅限于金屬材料，如，鐵、鋁和銅，而且包括CRT的玻璃。

對(duì)于回收的LCD顯示器，情況是類似的：金屬和豐富的金屬材料的回收和處置途徑已經(jīng)非常成熟，待處理的液晶顯示器仍然在發(fā)展中。Kim等人（2009）描述了液晶顯示器成分87.2%的玻璃、塑料12.7%和0.1%的液晶。銦錫氧化物（ITO）層的質(zhì)量約0.01%；這一估算是根據(jù)銦102毫克/千克得出（Li等人，2009），氧化銦是ITO層的主要成分。背光燈含有的汞是在拆除過程中被移除。主要生產(chǎn)液晶的默克公司對(duì)液晶的危險(xiǎn)性作了深入的討論，得出的結(jié)論是，今天生產(chǎn)的LC物質(zhì)被列為既沒有毒性，也不致突變，對(duì)皮膚或眼睛無刺激性的毒理學(xué)和生態(tài)毒理學(xué)調(diào)查的數(shù)據(jù)和結(jié)果。另外，沒有觀察出生態(tài)毒理學(xué)效應(yīng)（Martin等人，2004）。不過，在奧地利LCD面板被列為危險(xiǎn)廢物。

在大多數(shù)情況下，當(dāng)今處理液晶顯示器，都是通過焚化處理，這導(dǎo)致了資源的損失。討論中的平板顯示器和CRT的玻璃，可以作為輸入原料生產(chǎn)建材。 Lin等人（2009a）調(diào)查了其在混凝土中的凝硬性行為，但論文沒有分析LC面板其他材料的回收，也沒有分析潛在的排放。另外，從液晶面板的玻璃供制作玻璃陶瓷的燒結(jié)使用（Lin等人，2009b）進(jìn)行了分析。

進(jìn)一步有關(guān)回收利用液晶面板的材料是銦。它是作為ITO的主要成分，通常包括質(zhì)量80～90%In2O3（氧化銦）和10～20%（Takahashi等人，2009）SnO2（氧化錫）。銦是一種稀缺資源，估計(jì)全球儲(chǔ)量2006年2800噸，和在2007年5l0噸的年消費(fèi)量（安格雷爾等，2009）。消費(fèi)的趨勢(shì)在增加，銦不僅用于LC顯示器，也是必不可少的光伏組件。到2030年，安格雷爾等（2009）估計(jì)，每年消耗超過1900噸。銦的生產(chǎn)主要集中在少數(shù)幾個(gè)國家，2007年，中國、韓國、加拿大和日本總和占有85%以上的份額。在2012年的銦回收主要發(fā)生于從ITO廢料抽取中，其中70%被回收（Takahashi等人，2007）。在2012年從報(bào)廢產(chǎn)品中回收銦的技術(shù)不是最先進(jìn)的，但考慮到這種材料的稀缺性和重要意義，回收有望成為歐洲工業(yè)新興產(chǎn)業(yè)。Takahashi等人（2009）描述技術(shù)方案，以回收銦在手機(jī)液晶顯示器為例：濕法冶金工藝、火法、氯化物蒸發(fā)法、都是很有潛力的方法。Li等人（2009）給出一個(gè)更全面的工藝，以便回收利用液晶面板，回收其中的銦和其他有價(jià)值的材料。它包括單獨(dú)拆解過程除去膜，液晶通過用超聲洗滌和用酸抽提回收銦。據(jù)報(bào)道有92%的回收率。盡管這些技術(shù)不是最先進(jìn)的，在2012年，作為進(jìn)一步的二次銦回收，這些方法是值得開發(fā)的。

考慮到回收成本，人工拆解的步驟是特別重要的。在這個(gè)過程中，它的自動(dòng)化正在調(diào)查研究中（例如Kim等，2009），優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響是至關(guān)重要的。在設(shè)計(jì)階段對(duì)環(huán)境的影響已經(jīng)列入被稱為面向環(huán)境的設(shè)計(jì)（環(huán)境化設(shè)計(jì)），由Kurk和伊根（2008）描述了基本原則，被稱為回收設(shè)計(jì)（DFR）。由Park等人 （2008），使用洗衣機(jī)作為一個(gè)案例研究方法。Masanet和Horvath（2007）描述了個(gè)人計(jì)算機(jī)殼應(yīng)用為回收設(shè)計(jì)的方法。報(bào)廢汽車的應(yīng)用由桑蒂尼等人（2010）證明。在德國，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)VDI 2243（VDI，2002）被開發(fā)，以支持這種設(shè)計(jì)過程。

4．案例研究：經(jīng)濟(jì)上的可行性

為了獲得更多液晶屏回收的信息，2009年一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)可行性分析由Saubermacher（奧地利的一家回收公司）和KERP卓越維也納中心合作進(jìn)行。在拆解的試驗(yàn)中研究液晶屏的樣本材料組成。對(duì)于具體的物質(zhì)產(chǎn)出，以及市場(chǎng)研究的拆卸和回收的成本和收入也進(jìn)行了計(jì)算。

從儲(chǔ)量豐富持有的回收材料，包括液晶顯示器和液晶電視機(jī)的樣品材料。只有少數(shù)從家庭生活收集的LCD屏幕廢料，大部分的取樣材料源于液晶顯示器和電視機(jī)維修活動(dòng)中包含的樣本，在實(shí)驗(yàn)中沒有拆解等離子顯示面板或其他顯示器。樣品的尺寸分布示于表3。對(duì)于監(jiān)視器，大小不等，尺寸從15英寸至42英寸不等，一個(gè)最常見的尺寸為17英寸。試樣的尺寸分布，與2006年（Kernbaum等人，2006）的銷售數(shù)字相比，似乎是典型的。電視機(jī)的范圍從15英寸至42英寸的樣品，主要是大小為32英寸的樣品。這表明電視機(jī)的分布跟銷售數(shù)據(jù)相比是不典型的（?ko- Institute和Fraunho-fer IZM，2007）：大型電器占樣品的主流地位。

表3 拆解試驗(yàn)中樣品的尺寸分布

在這項(xiàng)測(cè)試中，拆除計(jì)劃得到了發(fā)展。由于其結(jié)果應(yīng)被用來建立例行的拆解回收程序，有兩個(gè)方面的重要性：

（1）履行WEEE指令的要求（附件Ⅱ中列出的材料，如印刷電路板、液晶顯示器和氣體放電燈作為背光源和多氯聯(lián)苯（PCB） ，包含電容和電解電容，假設(shè)大小超過25毫米）。

（2）為分離材料拆解后銷售（黑色金屬和有色金屬的分離，分離塑料的主要類型等）。

表4 通過拆解試驗(yàn)和文獻(xiàn)資料比較得到的材料組成單位：千克

在排除不正確的數(shù)據(jù)集（如拆除部分的總質(zhì)量偏差超過5%的輸入質(zhì)量），共獲得液晶監(jiān)視器的47個(gè)數(shù)據(jù)集和液晶電視機(jī)的41個(gè)數(shù)據(jù)。這兩種類型的產(chǎn)品的平均材料組成，示于表5。這兩款監(jiān)視器和電視機(jī)（黑色金屬，鋁和電纜金屬含量）大于45%，印刷電路板作為一種有價(jià)值的材料成分分別為8.1%（監(jiān)視器）和6.1%（電視機(jī)）。作為背光的氣體放電燈的份額分別是0.3%（監(jiān)視器）和1.1%（電視機(jī)）。在這個(gè)試驗(yàn)中，電容器不從該印刷電路分離開和被包含在印刷電路板的質(zhì)量。作為潛在的有價(jià)值的和可銷售的塑料，PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）的薄膜套，ABS和PC-ABS（聚碳酸酯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）作為殼體材料進(jìn)行了確認(rèn)。

表 5 拆解液晶顯示器和液晶電視機(jī)的材料收入金額

進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)的樣本取自回收商現(xiàn)有的庫存，并不能代表未來的廢物流。監(jiān)視器的平均材料組成與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，為每個(gè)分析裝置的總重量計(jì)的份額，可以看出，與金屬、印刷電路板和塑料的情況類似。

除了材料平衡，在試驗(yàn)中拆解時(shí)間是按每單元記錄的。顯示器每單元平均需要18分鐘，范圍從10分鐘到35分鐘。電視機(jī)平均每單元24分鐘，范圍從14分鐘到40分鐘。

根據(jù)拆解試驗(yàn)和潛在的收入的材料輸出的平均拆解時(shí)間，對(duì)成本和盈利能力進(jìn)行評(píng)估。雖然對(duì)于大多數(shù)材料，如，金屬，價(jià)格從回收的日常業(yè)務(wù)，從平面屏幕塑膠市場(chǎng)調(diào)查是在2009年年中進(jìn)行的。第一次接觸專業(yè)回收公司在歐洲回收塑料，照片和材料樣本被送到回收商。最后，三個(gè)循環(huán)再造商提供PMMA，ABS和PC-ABS的價(jià)格，所有的拆除設(shè)施用不阻燃劑拾取器。為PMMA的潛在收入介于74～330歐元/噸，平均值為150歐元/噸被用于進(jìn)一步的計(jì)算。對(duì)于ABS，范圍內(nèi)的收入達(dá)到120～132歐元/噸（平均130歐元/噸），而PC-ABS，收入為92～135歐元/噸，假定平均為130歐元/噸。將材料收入于1噸顯示器，電視機(jī)等材料組成的成本從拆解試驗(yàn)而來，示于表5。在這個(gè)計(jì)算中，正面的價(jià)值觀代表重大收入，而負(fù)值代表處置成本。對(duì)于液晶顯示器，600歐元/噸的成本顯示，因?yàn)檫@部分實(shí)際上是處理在危險(xiǎn)廢物焚燒爐中，雖然包含了有價(jià)值的材料，如銦和潛在的有價(jià)值的液晶材料。

拆解成本的計(jì)算，每小時(shí)收費(fèi)18歐元，其中包括25%的管理費(fèi)用。這是一個(gè)簡化的方法，不包括拆解車間的就位和家電的存儲(chǔ)。案例研究中監(jiān)視器和電視機(jī)每噸的拆解費(fèi)如表6所示。表7是成本和收益的平衡。無論是監(jiān)視器和電視機(jī)，拆解成本大大高于材料的收入。在拆解過程中，勞工成本是一個(gè)主要的成本因素。在試驗(yàn)中，特別是在拆解過程中，易碎的背光燈用去了相當(dāng)長的時(shí)間。

這項(xiàng)試驗(yàn)顯示的成本和收入是有效的，這是在奧地利的2009年年中進(jìn)行的，那個(gè)時(shí)候是具有代表性的。由于在其他地區(qū)材料收入發(fā)生了很大的變化，時(shí)間和勞動(dòng)力成本可能會(huì)有所不同，這可以導(dǎo)致不同的平衡。不過，目前用材料收入覆蓋拆解的費(fèi)用似乎是不現(xiàn)實(shí)的。自動(dòng)拆解系統(tǒng)用作平板顯示器的拆解而降低拆解成本可能是一種可行的方法。但這樣的系統(tǒng)還僅僅是研究課題（見金等人，2009）不是最先進(jìn)的。

表 6 拆解的顯示器和電視機(jī)的成本

表7 液晶顯示器和電視機(jī)的回收費(fèi)用和收入平衡表

5．結(jié)論

由于缺乏報(bào)廢LCD顯示屏未來的數(shù)量和物質(zhì)成分的數(shù)據(jù)，對(duì)于回收基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃是一大障礙。在這種情況下，本案例研究獲得的數(shù)據(jù)對(duì)未來不具有典型的代表性，雖然它們表現(xiàn)出了總體趨勢(shì)。

目前拆解和回收的費(fèi)用不能被材料的重大收入所覆蓋。優(yōu)化工作流程可以降低拆解費(fèi)用，已經(jīng)證明材料的收入是多變的。然而，在歐盟內(nèi)部更加現(xiàn)實(shí)的是遵照歐盟WEEE指令生產(chǎn)者延伸責(zé)任制度是更為現(xiàn)實(shí)的。

液晶顯示器目前在歐洲進(jìn)行處理，有價(jià)值的、稀缺的材料，如，銦不再可用?？紤]到材料的戰(zhàn)略的重要性，這樣的材料——銦，在光伏發(fā)電技術(shù)是一種關(guān)鍵材料，其在歐洲的回收基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展似乎是一個(gè)有用的和緊迫的命題。