陳 鵬, 劉光復(fù), 劉志峰, 宋守許, 劉 濤, 王 雁

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

0 引 言

隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展和社會(huì)信息化的不斷推進(jìn),大量印刷線路板(PCBs)被淘汰和廢棄[1-3]。在現(xiàn)階段開(kāi)展廢棄印刷線路板回收處理方法的研究,成為目前社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展所面臨的重要課題。由于印刷線路板復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和眾多的材料組成[4-5],對(duì)其回收處理被認(rèn)為是回收課題中的一大難點(diǎn)。

印刷線路板中通常含有約30%的塑料、30%的惰性氧化物和40%的金屬[6,7],線路板的組成包括基板和裝配在基板上的多種電子元器件,主要組成如下:銅 、鋅 、鋁 、鉛 、鎳 、鐵 、錫 、硅 、氧化鋁 、堿土金屬氧化物、含氮聚合物、C-H-O聚合物、鹵素聚合物、其它金屬和其它氧化物,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 20%、1%、2%、2%、2%、8%、4%、15%、6%、6%、3%、1%、25%、4%、1%、3%。

本文主要針對(duì)線路板拆除元器件后的基板中的金屬回收進(jìn)行研究[8]。

目前印刷線路板再資源化方法及工藝主要分為機(jī)械物理法、化學(xué)溶劑法和焚燒熱解法,這3種方法各有側(cè)重點(diǎn),其中研究最多、產(chǎn)業(yè)化最廣的是機(jī)械物理法[7]。

文獻(xiàn)[9,10]給出了雙組分混合物組成與氣速的相圖,如圖1所示。定義細(xì)或輕組分開(kāi)始流化的氣速為起始流化速度uhf,而所有大或重組分開(kāi)始流化的氣速為完全流化速度umf,當(dāng)操作氣速介于兩者之間時(shí),會(huì)發(fā)生顆粒分離。利用金屬與非金屬顆粒流化速度不同的特點(diǎn),通過(guò)調(diào)節(jié)流化床氣速實(shí)現(xiàn)金屬和非金屬顆粒的分離富集。

文獻(xiàn)[11]通過(guò)氣流分選技術(shù)對(duì)解離后的線路板進(jìn)行分離富集實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)考察了不同粒徑下氣流分選富集金屬的效果。文獻(xiàn)[12]利用氣流分選方法對(duì)粉碎后的線路板中的金屬和非金屬進(jìn)行了研究,粉碎后的顆粒在氣流作用下按照密度與粒度進(jìn)行分選,通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出風(fēng)選效果最好的顆粒粒度為60目以上(＜0.30 mm)粒度范圍。

圖1 混合物沿減速方向流化曲線

本研究提出一種利用新型分選裝置、以空氣為介質(zhì),通過(guò)“雙旋渦”旋轉(zhuǎn)氣流從廢棄線路板中富集金屬的分離方法,它除具有一般物理方法的優(yōu)點(diǎn)外,還實(shí)現(xiàn)了空氣介質(zhì)的除塵,避免環(huán)境遭受污染。

1 分選前的金屬解離與實(shí)驗(yàn)

1.1 線路板破碎實(shí)現(xiàn)金屬解離

物料的破碎是以分選為目的的,只有達(dá)到較高的金屬解離度才具有分選意義。對(duì)線路板破碎解離的研究眾多[11-14],有學(xué)者提出破碎粒度0.80 mm以下時(shí)金屬基本完全解離[11],也有的認(rèn)為粒度小于0.50 mm時(shí)基板上的銅才可以實(shí)現(xiàn)完全的解離[15]?？紤]到分選結(jié)果及后續(xù)處理,以富集金屬為目的線路板資源化方法對(duì)物料的破碎粒度要求應(yīng)該小于0.50 mm[16]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

選取相對(duì)電腦板較難處理的廢舊電視機(jī)板作為實(shí)驗(yàn)原材料,由天津和昌環(huán)保有限公司提供。選擇二級(jí)破碎方法,首先用剪切式破碎機(jī)進(jìn)行粗碎,然后用沖擊式破碎粉碎至0.50 mm以下。剪切破碎機(jī)是由合肥工業(yè)大學(xué)綠色設(shè)計(jì)與制造工程研究所研制開(kāi)發(fā)的JQ08Ⅱ型剪切破碎機(jī),適用于廢棄印刷電路板基板的粗碎。

線路板基板經(jīng)剪切后,產(chǎn)品粒度為15 mm×15 mm。使用沖擊破碎機(jī)將粗碎后的顆粒進(jìn)行細(xì)碎,入料粒度為15 mm×15 mm,出料粒度小于0.50 mm,金屬充分解離。

為便于研究,對(duì)破碎后的物料進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)及相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)分為0.50～0.25mm、0.25～0.10 mm以及小于0.10 mm 3個(gè)粒級(jí)組合,分別進(jìn)行旋流分選實(shí)驗(yàn)。分級(jí)后粒度分布及金屬品味見(jiàn)表1所列。

表1 分級(jí)后粒度分布及金屬品味

2 工藝原理與流程

2.1 分選原理

2.1.1 氣體流態(tài)

圖2所示為風(fēng)力分選裝置示意圖;圖3所示為分選器的工作原理圖,圖中顯示了其內(nèi)部的流態(tài)狀況。

圖2 風(fēng)力分選裝置示意圖

氣體在分析葉輪的帶動(dòng)下在分選空間產(chǎn)生旋流運(yùn)動(dòng),在旋流的外部(外旋渦),氣體向下運(yùn)動(dòng),并在中心處向上運(yùn)動(dòng)(內(nèi)旋渦)。分選器內(nèi)外部區(qū)域氣體向下運(yùn)動(dòng)是至關(guān)重要的,因?yàn)樗逊蛛x到器壁的金屬顆粒帶到分選器底部,這主要依靠氣體的向下運(yùn)動(dòng),而不是靠重力的作用。在垂直放置的旋流分選器中,重力只起輔助作用,非金屬顆粒則在內(nèi)旋渦作用下從頂部帶出。與此同時(shí),氣體還存在一個(gè)由外到內(nèi)旋渦的徑向流動(dòng),這個(gè)徑向流動(dòng)在沿分析葉輪下面的分選器高度方向的分布并不是完全均勻的。

圖3 風(fēng)力分選設(shè)備工作原理

2.1.2 顆粒流動(dòng)

進(jìn)入分離空間的顆粒,將受到方向向內(nèi)的阻力和方向向外的離心力作用。由于分離器內(nèi)的空氣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)流動(dòng),而進(jìn)入分離空間的顆粒在鐘罩的作用下充分打散(認(rèn)為顆粒軸向初速度為零),顆粒在旋轉(zhuǎn)氣流的帶動(dòng)下受到方向向外的徑向離心力作用,所以“分離空間”的起點(diǎn)就在這里。

由于離心力正比于顆粒質(zhì)量,即正比于粒徑(同種顆粒)的立方r3p,而氣體由外旋渦流向內(nèi)旋渦的對(duì)顆粒的阻力正比于粒徑(根據(jù)斯托克斯定律可推導(dǎo))。

因此,質(zhì)量大、粒徑大的顆粒是容易被甩向外旋渦被下旋氣流分離的。圖4所示為10個(gè)顆粒在平均流場(chǎng)中計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖4 顆粒在分選器中的運(yùn)動(dòng)軌跡

筒體直徑為220 cm,分析葉輪轉(zhuǎn)速為150 r/min,氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(25℃和101.325 kPa,空氣密度 1.2 kg/m3)下,非金屬顆粒密度為1 800 kg/m3,金屬顆粒密度為8 900 kg/m3。

顆粒在一個(gè)事先已計(jì)算好的氣體流場(chǎng)中,通過(guò)進(jìn)料管進(jìn)入分離器。從圖4中可以看出,分選器是借助于離心力把金屬顆粒甩到器壁并捕集它們,而未被捕集的非金屬顆粒向上逃逸收集。

2.2 工藝流程

實(shí)驗(yàn)工藝如圖5所示,基板物料經(jīng)沖擊破碎后進(jìn)入旋流分選器分選,輕的非金屬顆粒被“向上旋流”從筒中心帶出并富集,含塵氣流經(jīng)過(guò)脈沖式布袋除塵器除塵凈化;重的金屬顆粒及未完全破碎的大顆粒被筒壁附近的“向下旋流”從下出料口帶出,通過(guò)出料口前端的篩網(wǎng)篩分,得到金屬富集體同時(shí),未完全解離的大顆粒送入沖擊破碎機(jī)再次進(jìn)行破碎分選。

圖5 氣固兩相流旋流分選工藝流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

使用德國(guó)SPECTRO公司SPECTRO IQⅡX射線熒光光譜分析儀,對(duì)各組非金屬富集體進(jìn)行成分分析,分析軟件為IQⅡ智能無(wú)標(biāo)樣近似定量軟件。通過(guò)調(diào)節(jié)分選裝置的操作參數(shù),根據(jù)各粒級(jí)物料的密度特性,在一定的葉輪轉(zhuǎn)速、吸風(fēng)量及進(jìn)料速度的組合下,得到線路板破碎物料的氣固兩相旋流分選實(shí)驗(yàn)結(jié)果,各粒級(jí)金屬富集體產(chǎn)品的X射線熒光檢測(cè)圖譜如圖6所示。

將各檢測(cè)圖譜中數(shù)據(jù)經(jīng)由IQⅡ智能無(wú)標(biāo)樣近似定量軟件分析,可得到被測(cè)試樣的物質(zhì)成分,見(jiàn)表2所列。從表2可以看出,在一定的操作參數(shù)下,利用氣固兩相旋流分選裝置回收廢棄線路板中金屬的效果是很明顯的,0.50～0.25 mm、0.25～0.10 mm 2個(gè)粒級(jí)的物料分選后,其金屬富集體產(chǎn)品的品位及回收率都大于93%,對(duì)小于0.10 mm粒級(jí)的物料金屬回收率也大于90%,各粒級(jí)金屬銅的回收率均超過(guò)94%。

圖6 金屬富集體X射線熒光檢測(cè)圖譜

表2 風(fēng)力分選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)采用氣固兩相旋流分選工藝設(shè)備回收廢舊線路板中金屬效果顯著,且不會(huì)產(chǎn)生二次污染,各粒級(jí)金屬回收率達(dá)90%以上,各粒級(jí)銅回收率超過(guò)94%。

(2)在風(fēng)力分選過(guò)程中,金屬回收率隨粒級(jí)的減小呈下降趨勢(shì),當(dāng)金屬顆粒粒徑小于某個(gè)臨界值時(shí),它還來(lái)不及被甩向邊壁而捕集便被上升氣流帶出。

(3)根據(jù)氣固兩相旋流分選原理,針對(duì)線路板破碎后多密度成分物料獨(dú)特設(shè)計(jì)的分選設(shè)備,在實(shí)際分選中效果明顯、分選效率高,但現(xiàn)有成果多是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的研究,在分選基礎(chǔ)理論和過(guò)程技術(shù)層面等更深層次的研究工作是下一步研究的重點(diǎn)。

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