紀 昂 王建波 郭 杰,2# 許振明 楊義晨 李英順

(1.上海交通大學環(huán)境科學與工程學院，上海 200240；2.上海電子廢棄物資源化產(chǎn)學研合作開發(fā)中心，上海 201209；3.上海新金橋環(huán)保有限公司，上海 201201)

廢舊電路板加熱拆解過程中顆粒物的排放及其在人體呼吸系統(tǒng)的沉積特征*

紀 昂1王建波1郭 杰1,2#許振明1楊義晨3李英順3

(1.上海交通大學環(huán)境科學與工程學院，上海 200240；2.上海電子廢棄物資源化產(chǎn)學研合作開發(fā)中心，上海 201209；3.上海新金橋環(huán)保有限公司，上海 201201)

廢舊電路板(WPCB)表面焊接有大量電子元器件，從資源高效回收的角度出發(fā)，需要對WPCB進行加熱拆解以便于電子元器件及電路板基板材料的后續(xù)處理。WPCB加熱拆解過程將釋放大量的煙霧污染物，易造成環(huán)境污染并危害工人健康。對WPCB加熱拆解過程釋放顆粒物的粒徑分布、顆粒物數(shù)濃度和顆粒物質(zhì)量濃度等特征進行研究，核算不同粒徑段顆粒物的排放系數(shù)，并研究了加熱拆解過程中顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)的沉積特征?？傮w看來，WPCB加熱拆解過程所釋放的顆粒物中，數(shù)量上以細顆粒物為主，粒徑越小的顆粒物數(shù)濃度越高，質(zhì)量上以大顆粒為主，粒徑越大的顆粒物質(zhì)量濃度越高。WPCB加熱拆解過程中，顆粒物數(shù)濃度排放系數(shù)為3.30×105個/cm3，質(zhì)量濃度排放系數(shù)為9.55mg/m3。工人操作過程中吸入的顆粒物主要沉積在呼吸系統(tǒng)的鼻腔咽喉部位、氣管支氣管部位和肺泡部位，3個部位的沉積通量分別為3.32、1.26×10-1、1.99×10-1mg/h，合計每小時約有3.65mg顆粒物進入工人的呼吸系統(tǒng)，需要對工人提供呼吸系統(tǒng)的保護措施。

廢舊電路板 顆粒物 排放系數(shù) 呼吸暴露

隨著科技的快速發(fā)展，越來越多的電器電子產(chǎn)品被淘汰遺棄，成為電子廢棄物(WEEE)。2014年，全球WEEE總量約為4 180萬t，并以每年200萬t的速度持續(xù)增長。我國作為最大的發(fā)展中國家，年均WEEE產(chǎn)生量達600萬t以上，是僅次于美國的第二大WEEE制造國。預計到2020年，我國電器電子產(chǎn)品年報廢數(shù)量將達到1.37億臺[1]。WEEE中含有許多可以回收利用的資源，是一座巨大的“城市礦山”，但對WEEE的處置方法不當，將會使其中的重金屬、有機污染物釋放出來[2]，對環(huán)境和人體健康造成嚴重的危害[3-6]。

WEEE中經(jīng)濟價值較大的資源多集中在電路板上[7]。不同電器電子產(chǎn)品的電路板各不相同，但處理處置方法大同小異，即先進行加熱拆解去除電路板上的電子元器件，再通過物理破碎或化學浸溶等方法分別回收電子元器件和電路板基板中的可重復利用資源。在拆解廢舊電路板(WPCB)的過程中，由于高溫加熱和敲打振蕩使許多污染物隨之釋放出來，造成大氣污染[8]。我國《廢棄電器電子產(chǎn)品規(guī)范拆解處理作業(yè)及生產(chǎn)管理指南(2015年)》中規(guī)定：“以加熱等方式拆解電路板上元器件、零部件等，使用負壓工作臺，設置能夠有效收集煙塵、有害氣體的廢氣收集處理系統(tǒng)?！钡趯嶋H研究中，負壓工作臺并不能完全去除拆解過程中產(chǎn)生的污染，仍有許多污染物未能被廢氣收集處理系統(tǒng)收集，這些污染物以氣態(tài)或附著在顆粒物上的形式釋放到環(huán)境中，通過呼吸暴露[9]或皮膚暴露[10]等形式對人體造成危害。此外，也會對廠區(qū)周邊環(huán)境造成污染[11-13]。

以往的文獻著重對WPCB處理過程中產(chǎn)生的氣態(tài)污染物(如揮發(fā)性有機化合物(VOCs))[14]及其對周邊環(huán)境的影響[15-20]進行研究，缺乏對于WPCB加熱拆解過程中的顆粒物排放特征及車間內(nèi)工人顆粒物暴露情況的研究[21-22]。為此，本研究通過在上海某電子廢棄物回收處理公司的WPCB加熱拆解車間進行實地檢測，分析了WPCB加熱拆解過程中產(chǎn)生的顆粒物的粒徑分布及排放特征，并研究顆粒物在操作工人呼吸系統(tǒng)的沉積特征，為操作工人的職業(yè)防護提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗介紹

本研究采樣地點位于上海某電子廢棄物回收處理公司的WPCB加熱拆解車間，該車間面積約為40 m2，采樣期間車間內(nèi)有3名工人對WPCB進行加熱拆解，每個操作臺均設置負壓集塵罩對操作過程產(chǎn)生的煙氣進行負壓收集及后續(xù)尾氣處理。為合理評估工人的實際暴露量，將顆粒物采樣點設置在集塵罩外部，位于操作工人的口鼻處附近，采樣過程共持續(xù)10 min，采樣流速為10.0 L/min，氣體未稀釋。

1.2 采樣儀器

本研究采用電子低壓撞擊器(ELPI，芬蘭Dekati公司)對車間空氣中不同粒徑段顆粒物的數(shù)濃度進行實時測量和記錄。ELPI通過電暈放電對氣溶膠粒子荷電，氣流逐級通過撞擊器將顆粒物粒徑分級，各級切割粒徑分別為9.920、6.680、4.000、2.390、1.600、0.948、0.613、0.382、0.263、0.157、0.095、0.054、0.028 μm，將空氣中的顆粒物分為12個粒徑段，各粒徑段的空氣動力學平均直徑分別為8.080、5.120、3.060、1.940、1.220、0.760、0.480、0.310、0.200、0.120、0.070、0.040 μm(例如，空氣動力學平均直徑0.040 μm對應0.028～0.054 μm粒徑段)，剩余氣流由ELPI末端排出[23-25]。各級撞擊器分別配有電流放大器和靜電計，通過各級靜電計顯示的電流計算各級顆粒物數(shù)濃度和質(zhì)量濃度，采樣時ELPI通過數(shù)據(jù)線與計算機連接，將所得數(shù)據(jù)實時傳輸并保存在計算機中。

2 結(jié)果和討論

2.1 顆粒物排放特征

對采樣期間不同粒徑段顆粒物的數(shù)濃度隨時間的變化規(guī)律進行分析，發(fā)現(xiàn)顆粒物排放總體呈周期性的變化規(guī)律，這是由于在WPCB加熱拆解車間中，工人在操作臺對每一塊WPCB的處理流程、操作時間基本一致。本研究將每塊WPCB的加熱拆解流程視為一個完整操作，據(jù)統(tǒng)計，每個完整操作用時約50 s，期間包含兩個階段：(1)加熱熔錫階段，在此階段，工人夾取待拆解WPCB，將含錫的一面放入操作臺高溫錫水中加熱，使焊錫熔化，該階段用時約30 s；(2)去除元器件階段，在此階段，操作工人利用鉗子等工具，通過敲打、刮除等方式去除加熱后WPCB的元器件，該階段用時約20 s。在WPCB加熱熔錫階段，基板和焊錫受熱后會連續(xù)釋放大量氣體污染物，由于集塵罩的負壓作用，大部分顆粒物被吸入通風管道及尾氣處理系統(tǒng)。在去除元器件階段，操作工人用鉗子夾住WPCB敲打、振動時會對集塵罩內(nèi)部氣流造成擾亂，使部分顆粒物逸出集塵罩。

圖1為一個完整的WPCB加熱拆解過程中(188～237 s)，不同粒徑段的顆粒物數(shù)濃度隨時間的變化規(guī)律。由圖1可見，前30 s左右的加熱熔錫階段產(chǎn)生的顆粒物數(shù)濃度相對較少，峰型不明顯；后20 s左右的去除元器件階段，顆粒物數(shù)濃度有明顯的上升，形成一個污染峰，這是由于工人敲打、振動WPCB對集塵罩內(nèi)部氣流造成擾動所致。生成的顆粒物主要為空氣動力學平均直徑在0.200 μm以下粒徑段的顆粒物，且顆粒物粒徑越小，其數(shù)濃度越高。

圖1 一個完整過程中不同粒徑段的顆粒物數(shù)濃度Fig.1 Number concentration of particles with different sizes in a whole process

2.2 顆粒物粒徑分布

圖2為加熱熔錫階段和去除元器件階段顆粒物數(shù)濃度粒徑分布情況。由圖2可見，WPCB加熱拆解過程中產(chǎn)生的顆粒物大多為細顆粒物，總體看來顆粒物粒徑越小，數(shù)濃度越高。加熱熔錫階段和去除元器件階段顆粒物數(shù)濃度的粒徑分布基本一致，均是以空氣動力學平均直徑為0.040、0.070 μm粒徑段的顆粒物數(shù)濃度最高，即粒徑在0.028～0.095 μm的顆粒物數(shù)濃度最高，隨粒徑增加，顆粒物數(shù)濃度逐漸降低。且任何一個粒徑段均是去除元器件階段所產(chǎn)生的顆粒物更多，空氣動力學平均直徑大于1.940 μm粒徑段的顆粒物更是主要來自去除元器件階段。

圖2 兩個階段的顆粒物數(shù)濃度粒徑分布 Fig.2 Particle size distribution of number concentration in two stages

圖3為加熱熔錫階段和去除元器件階段顆粒物質(zhì)量濃度粒徑分布情況。由圖3可見，在WPCB加熱拆解過程中產(chǎn)生的細顆粒物雖然數(shù)濃度很大，但質(zhì)量濃度很小，說明空氣中的顆粒物質(zhì)量主要由粒徑較大的顆粒物貢獻。在WPCB加熱拆解的兩個階段中，顆粒物質(zhì)量濃度的粒徑分布基本一致，顆粒物質(zhì)量濃度隨粒徑增加逐漸升高，去除元器件階段所產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)量濃度更大。

圖3 兩個階段的顆粒物質(zhì)量濃度粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of mass concentration in two stages

2.3 顆粒物排放系數(shù)

由上述分析可知，在WPCB加熱拆解過程中將釋放出不同粒徑的顆粒物，各粒徑段顆粒物具有不同的數(shù)濃度和質(zhì)量濃度。在此，假設加熱拆解車間運行過程中產(chǎn)生的顆粒物污染可視為若干個單次加熱拆解過程之和，且車間內(nèi)單位時間顆粒物排放濃度與一個完整的WPCB加熱拆解過程中顆粒物平均排放濃度相同，則顆粒物的數(shù)濃度排放系數(shù)和質(zhì)量濃度排放系數(shù)計算方法如下：

(1)

(2)

式中：nEFi為第i個粒徑段顆粒物的數(shù)濃度排放系數(shù)，個/cm3；Ni，t為第i個粒徑段顆粒物在t時刻(t=1～50 s)產(chǎn)生的顆粒物數(shù)濃度，個/cm3；T為一個完整的WPCB加熱拆解周期，T=50 s；cEFi為第i個粒徑段顆粒物的質(zhì)量濃度排放系數(shù)，mg/m3；Ci，t為第i個粒徑段顆粒物在t時刻產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)量濃度，mg/m3。

根據(jù)采樣數(shù)據(jù)計算不同粒徑段顆粒物的數(shù)濃度排放系數(shù)及質(zhì)量濃度排放系數(shù)，結(jié)果見表1。由表1可見，不同粒徑段顆粒物中，小顆粒物的數(shù)濃度排放系數(shù)更高，而大顆粒物的質(zhì)量濃度排放系數(shù)更高。將所有粒徑段顆粒物排放系數(shù)相加后，得到WPCB加熱拆解過程中顆粒物的數(shù)濃度排放系數(shù)為3.30×105個/cm3，質(zhì)量濃度排放系數(shù)為9.55 mg/m3。

表1 WPCB加熱拆解過程中顆粒物的排放系數(shù)

與印刷電路板生產(chǎn)企業(yè)相比，電路板生產(chǎn)車間的空氣中PM10質(zhì)量濃度為27.1～289.8 μg/m3，PM2.5質(zhì)量濃度為22.1～212.3 μg/m3[26]。而WPCB加熱拆解過程中排放的PM10質(zhì)量濃度約為9.55 mg/m3，PM2.5質(zhì)量濃度約為1.20 mg/m3，污染程度遠高于電路板生產(chǎn)企業(yè)，同時也顯著高于陰極射線顯像管(CRT)顯示器回收過程中的PM10質(zhì)量濃度(316.9 μg/m3)[27]。

2.4 顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)的沉積特征

本研究采用國際防輻射委員會(ICRP)提供的簡化模型，利用操作工人口鼻位置ELPI采集的顆粒物檢測數(shù)據(jù)，對加熱拆解車間操作工人吸入顆粒物在呼吸系統(tǒng)中的沉積特征進行研究。假設顆粒物主要沉積在人體呼吸系統(tǒng)的鼻腔咽喉部位、氣管支氣管部位和肺泡部位，3個部位顆粒物沉積量均與顆粒物的粒徑有關(guān)。則根據(jù)式(3)可以計算得到不同粒徑段顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)不同部分的沉積通量：

Di,j=DFi,j×cEFi×Vj=1,2,3

(3)

式中：Di,j為第i個粒徑段顆粒物在第j個部位的沉積通量(j=1為鼻腔咽喉部位，j=2為氣管支氣管部位，j=3為肺泡部位)，mg/h；DFi,j為第i個粒徑段顆粒物在第j個部位的沉積系數(shù)，DFi,j計算相對復雜，具體參見文獻[28]；V為正常成人的呼吸速率，取0.45 m3/h[29]。

根據(jù)ELPI檢測數(shù)據(jù)，通過式(3)計算得到不同粒徑段顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)不同部位的沉積通量，結(jié)果見表2。

由表2計算可得，人體呼吸系統(tǒng)的鼻腔咽喉部位、氣管支氣管部位和肺泡部位的顆粒物總沉積通量分別為3.32、1.26×10-1、1.99×10-1mg/h，即每小時約有3.65 mg顆粒物進入工人的呼吸系統(tǒng)。雖然大部分顆粒物沉積在鼻腔咽喉部位，但也有部分顆粒物進入到氣管支氣管甚至肺泡部位，對工人的呼吸系統(tǒng)造成潛在危害。若按工人每日工作時間為8 h計算，則每天約有29.20 mg顆粒物進入工人的呼吸系統(tǒng)中，說明僅僅通過工作臺上方的負壓排氣裝置并不能保證工人的呼吸健康，為降低工作中的健康風險，建議工人佩戴能夠有效過濾細顆粒物的口罩進行操作。

表2 顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)的沉積通量

3 結(jié) 論

(1) 總體看來，WPCB加熱拆解過程所釋放的顆粒物中，數(shù)量上以細顆粒物為主，粒徑越小的顆粒物數(shù)濃度越高；質(zhì)量上以大顆粒物為主，粒徑越大的顆粒物質(zhì)量濃度越高。WPCB的加熱拆解流程包含加熱熔錫、去除元器件兩個階段，其中去除元器件階段顆粒物排放更大。

(2) WPCB加熱拆解過程顆粒物的數(shù)濃度排放系數(shù)為3.30×105個/cm3，質(zhì)量濃度排放系數(shù)為9.55 mg/m3。操作工人吸入的PM10約為9.55 mg/m3，PM2.5約為1.20 mg/m3，顆粒物污染嚴重。

(3) 操作工人吸入的顆粒物在呼吸系統(tǒng)的鼻腔咽喉部位、氣管支氣管部位和肺泡部位的沉積通量分別為3.32、1.26×10-1、1.99×10-1mg/h，每小時約有3.65 mg顆粒物進入工人的呼吸系統(tǒng)，需要加強對操作工人呼吸系統(tǒng)的職業(yè)防護措施。

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Particulatematteremissionanddepositioncharacteristicsinhumanrespiratorysystemduringwasteprintedcircuitboardsheatinganddisassemblingprocess

JIAng1，WANGJianbo1，GUOJie1,2，XUZhenming1,YANGYichen3,LIYingshun3.

(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240;2.ShanghaiCooperativeCentreforWEEERecycling,Shanghai201209;3.ShanghaiXinJinqiaoEnvironmentalProtectionCo.,Ltd.,Shanghai201201)

There was a large number of electronic components on the surface of waste printed circuit boards(WPCB). From the perspective of efficient recycling of WPCB,it was very important to remove the electronic components on WPCB. The most common way was heating and melting the solder between electronic components and printed circuit board. While large amount of pollutants would released during the heating and disassembling process,and it would cause environmental pollution and harm to the health of workers. In this research,the characteristics of particle size distribution,number concentration and mass concentration were determined experimentally in the process of heating and disassembling WPCB. The deposition characteristics of the particulate matter in human respiratory system were also studied. The results showed that the majority of the particulate in number were fine particulate matter,and the particle number concentration was higher when particle size smaller. Large particles contributed more of particle mass,with the greater the particle size,the higher the particulate mass concentration. During the treatment process,the emission coefficient of the particle number concentration was 3.30×105cm-3,and the emission coefficient of mass concentration was 9.55 mg/m3. The deposition fluxes of particulate matter inhaled in the respiratory system of the nose and throat,trachea and bronchus，alveolar area was 3.32,1.26×10-1,1.99×10-1mg/h,respectively. About 3.65 mg particulate matters was inhaled into the worker’s respiratory system every hour. It’s necessary to provide protection measures for workers’ respiratory system.

waste printed circuit boards； particulate matter； emission coefficient； inhalation exposure

紀 昂，男，1992年生，碩士研究生，主要從事電子廢棄物資源化及污染特征研究。#

。

*國家自然科學基金資助項目(No.21307030)；上海電子廢棄物資源化產(chǎn)學研合作開發(fā)中心開放基金資助項目。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.06.001

2016-12-10)