廢棄線路板的破碎解離和氣流分選研究
科技進步和經(jīng)濟發(fā)展加速電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代，產(chǎn)生了大量的廢棄電氣與電子設(shè)備(Waste Electric and Electronic Equipment，簡稱WEEE)。作為電子產(chǎn)品不可缺少的重要組成元件，印刷線路板(printed circuit boards，簡稱PCB)的使用量和廢棄量與日俱增。
廢棄線路板是一類富含金屬且組成和結(jié)構(gòu)相當復雜的典型電子廢棄物，數(shù)量多，潛在回收價值高，環(huán)境危害大，其資源化技術(shù)已成為當前WEEE處理研究的重點和難點。
目前廢線路板回收技術(shù)主要分為火法冶金、濕法冶金和機械回收[1-2]。傳統(tǒng)的火、濕法冶金以金屬和貴金屬回收為主，忽視其他材料的回收，容易造成嚴重二次污染，越來越難適應(yīng)當今社會資源回收和環(huán)境保護的要求。機械法通過拆解、破碎、利用組成材料密度、形狀、導電、磁性等性質(zhì)差異進行分選富集回收，環(huán)境污染小、資源綜合利用率高，在WEEE資源化研究中逐漸占據(jù)主導地位[3-7]。本文采用沖擊破碎和氣流分選技術(shù)對廢PCB的機械物理分離過程進行了研究，著重考查PCB在錘式破碎機作用下的破碎解離性能和氣流分選富集金屬效果，為工業(yè)化設(shè)計和生產(chǎn)提供參考數(shù)據(jù)。
1 實驗部分
1.1實驗樣品
實驗樣品為廢棄臺式電腦主板，屬于FR-4型環(huán)氧玻纖布覆銅板，主要由環(huán)氧樹脂、玻璃纖維和高純度銅箔壓制而成。
1.2實驗過程
手工拆除主板上的電池、電阻、電容等元件，將基板剪成2cm×2cm的小塊，放入錘式破碎機中破碎，排料口篩網(wǎng)孔徑大小為2mm。破碎物料用標準篩篩分，在顯微鏡下觀察并計算各粒級物料的金屬解離度，稱重并分析主要金屬成分。
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圖1氣流分選裝置
氣流分選裝置如圖1所示。稱取一定質(zhì)量的篩分物料加入裝置中，由風機產(chǎn)生的氣流經(jīng)分布板流經(jīng)床層使物料松動，沉降速度小于操作氣速的顆粒被上升氣流帶出裝置，由旋風分離器和袋濾器收集成為輕組分；大部分金屬顆粒落入裝置底部，成為重組分產(chǎn)品回收。采用微波消解聯(lián)合ICP-AES(電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜)測定輕、重產(chǎn)物中主要金屬含量。
1.3評價指標
引入解離度(Liberation Degree，簡寫LD)來描述破碎產(chǎn)物中金屬的解離程度[5]，定義為：
LD=Nf/(Nl+Nf)×100% (1)
式(1)中Nf為破碎物料中金屬單體顆粒數(shù)量；Nl為破碎物料中與其它組分連生在一起未被解離的金屬數(shù)量。
選取金屬富集體的品位、產(chǎn)率和回收率作為氣流分選效果的評價指標。
2 試驗結(jié)果與分析
2.1廢PCB的破碎解離性能
材料的破碎和解離程度不僅影響設(shè)備的能耗，還將影響后續(xù)的分選效率，因此破碎是機械法處理廢PCB的一個重要環(huán)節(jié)。PCB板是由一種熱固性片狀復合材料，具有較高硬度、較大韌性和良好的抗彎性，常規(guī)的選礦破碎機不大適合PCB破碎。PCB中金屬、非金屬材料間主要通過膠接、焊接、包封等方式連接[6]，選擇帶有剪切作用和沖擊作用的破碎設(shè)備，能達到較好的破碎效果。本研究選用錘式破碎機，利用高速回轉(zhuǎn)錘子的沖擊、擠壓等作用將小塊PCB破碎，直至顆粒粒度小于篩網(wǎng)孔徑從排料口出來。
表1列出了PCB破碎產(chǎn)物經(jīng)篩分后，不同粒級的金屬解離度和部分金屬含量。物料和金屬在各粒級分布情況如圖2所示。
表1廢PCB破碎產(chǎn)物篩分分析
圖2破碎產(chǎn)品中物料和金屬分布
由表1、圖2可見，破碎物料中粒徑<0.074mm的物料約占總量的6.98%，85.74%的物料集中分布在0.074～1.0mm粒級范圍，79.65%的金屬分布在0.125～1.0mm的粒級中，物料的過粉碎現(xiàn)象較輕，基本達到粉碎要求。
金屬的充分解離是高效分選的前提條件。實驗結(jié)果表明金屬的解離度隨粒度減小而增大，直至完全解離。插槽中的插腳金屬一般在1.0～2.0mm粒級完成解離，部分金屬在錘頭作用下黏結(jié)成團。在此粒級物料中能觀察到為數(shù)不少的表面覆蓋銅箔和銅線的基板碎片。這是因為銅箔和基板各層間主要通過膠粘劑連接，相比于插槽和引腳等和基板的結(jié)合強度而言，較不易解離。隨著粉碎程度深入，物料中由基板解離出來的金屬逐漸增多，到0.8mm以下金屬解離程度良好。0.5～0.8mm粒級中金屬以纏繞球狀、短棒狀居多，0.5mm以下的物料中金屬離解比較充分，金屬多為顆粒狀和屑狀。破碎物料中的玻璃纖維和樹脂在較粗粒級時多為片狀和扁平狀，細粒級時多呈絮狀和針狀。
從成分分析來看，PCB總金屬平均含量高達43.58%，除了占據(jù)金屬總量一半以上的銅以外，基板上大量鉛錫焊料和金屬插腳(鋅、鋁等)，以及黑色金屬和少量貴金屬金、銀等都具有較高的回收價值。由于物理機械性能的差異，金屬在各粒級的分布情況不盡相同。以銅為代表的金屬，延展性好，在沖擊力、擠壓等作用下，易發(fā)生彎曲，較難斷裂，在粉碎過程中趨向于較粗粒級產(chǎn)品分布。如銅集中在0.125～0.3mm、0.3～0.5mm、0.5～0.8mm三個粒級。焊劑主要材料鉛、錫等金屬，性脆易碎，在0.125mm以下的物料中含量較高。非金屬樹脂和玻璃纖維等物質(zhì)在錘頭高速沖擊下發(fā)生斷裂被擊碎，粉碎后的物料在常溫下也屬于易脆易碎物質(zhì)[10]，集中分布在細粒級中。綜上所述，PCB在錘頭高速沖擊作用下，發(fā)生選擇性破碎，使得多數(shù)金屬在較粗級別富集，為后續(xù)分選工藝提供了良好的進料條件。
2.2氣流分選
氣流分選是利用顆粒在氣流中沉降的速度差或運動軌跡的不同而進行分離的過程。PCB破碎產(chǎn)物中銅、鉛、錫等主要金屬的密度(7.0～11.0g/cm2)遠大于樹脂和玻璃纖維等非金屬的密度(1.4～2.5g/cm2)，因此在垂直上升氣流作用下，金屬與非金屬顆粒的沉降速度存在較大差異，容易實現(xiàn)富集分離。
顆粒沉降速度的大小與顆粒粒度、密度及形狀等因素有關(guān)。在同一介質(zhì)中，會出現(xiàn)密度、粒徑、形狀不同的顆粒具有相同沉降速度的等降現(xiàn)象，相應(yīng)的顆粒稱為等降顆粒，密度小的顆粒粒度與密度大的顆粒粒度之比稱為等降比，以e表示。球形顆粒在不同雷諾數(shù)范圍內(nèi)的等降比為[11]：
n在層流區(qū)、過渡區(qū)和牛頓區(qū)的值分別為0.5、0.67和1.0；ρ0，ρ1，ρ2分別為流體介質(zhì)和小、大顆粒的密度。e值隨顆粒粒度變細而減小，在等降比范圍內(nèi)，物料按顆粒密度可以得到有效分選[12-13]。
PCB的粉碎產(chǎn)物粒度分布較寬，為了提高分選效率，在分選前需要將物料進行窄分級，實現(xiàn)按密度差異為主導的分選。研究體系中理論最小等降比值(以主要成分銅、樹脂纖維玻璃的密度值計算)約2.0～2.5。本研究篩分物料粒級基本滿足上述要求，綜合考慮金屬解離程度和物料性質(zhì)等因素影響，選取粒徑<1.0mm的六個粒級物料作為實驗物料，參考銅顆粒和非金屬顆粒在空氣中的沉降規(guī)律，得到氣流分選結(jié)果如表2所示。
表2廢PCB粉碎物料的氣流分選結(jié)果
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由分選結(jié)果可知：氣流分選廢PCB粉碎物料，不僅能得到品位較高的金屬富集體，而且金屬富集產(chǎn)品產(chǎn)率可觀。本實驗條件下，調(diào)節(jié)合適的操作氣速，0.125～0.1mm中銅的回收率接近95%，90%以上的金屬被回收。0.074～0.125mm的物料，原料顆粒粒度小且金屬含量較低，氣速操作彈性有所減小，金屬回收率降低，但富集效果比較明顯，分選前后金屬富集比接近6。<0.074mm的物料氣流分選，不僅金屬回收率低而且富集效果不明顯。原因一是因為顆粒變細，沉降速度越慢，輕、重組分的沉降速度差越小，短時間在有限裝置內(nèi)很難分離。二是此細粒級物料以玻璃纖維和樹脂為主，物料和裝置壁間的靜電效應(yīng)以及物料間相互團聚都會使部分非金屬顆粒不能被分選出去。因此氣流分選比較適合粒徑>0.074mm的物料分選，<0.074mm的物料更適合離心分選或搖床分選富集金屬，以達到提高金屬回收率、減少廢渣的排放量的目的。
3 結(jié)論
(1)廢PCB在錘式破碎機作用下發(fā)生選擇性破碎，金屬在0.8mm以下基本解離，79.65%的金屬分布在0.125～1.0mm粒級中，物料過粗和過碎現(xiàn)象較輕，得到適合氣流分選的物料。
(2)利用金屬和非金屬間顯著密度差異，采用氣流分選技術(shù)回收0.125～1.0mm粒級物料中金屬，總金屬回收率超過90%。
干法沖擊破碎+氣流分選工藝處理廢棄線路板，設(shè)備簡單，操作方便，環(huán)境污染小，能實現(xiàn)金屬和非金屬的高效清潔分離，是一種環(huán)境友好、經(jīng)濟可行的物理回收技術(shù)，具有較強的適用性。
[參考文獻]略
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