(西南科技大學 環(huán)境與資源學院；固體廢物處理與資源化教育部重點實驗室，四川 綿陽 621010)

印刷電路板(PCBs)是一般電子電器設(shè)備不可或缺的組成部分，其廢棄量約占電子廢物總量(2016年約為5×107t)的3%以上[1-2]。PCBs組成復雜，含有多種有價金屬及有害物質(zhì)。一方面，廢舊印刷電路板(WPCBs)具有較高的資源性，其所含的銅、金和銀等金屬，是天然礦藏的10倍以上[3-4]；另一方面，WPCBs是危險廢物，其包含大量有毒重金屬(如Pb、Cr、Cd、Hg、As)和有毒有機物(如溴化阻燃劑、多環(huán)芳烴)等[5-6]。從環(huán)境保護和資源可持續(xù)利用的角度來看，廢棄印刷電路板的資源化回收已成為全球關(guān)注的熱點問題[7]。

多年來，全球超過70%的WPCBs最終流入中國，其中只有不到10%的WPCBs由具有資質(zhì)的專業(yè)公司處理[8]。 WPCBs的不合理回收現(xiàn)象仍大量存在，對環(huán)境造成了嚴重的危害。其主要原因在于： 一是具有資質(zhì)的專業(yè)回收公司的大型環(huán)保回收設(shè)備投資大、 運行成本高，其所能提供的原材料收購價格較低，而目前WPCBs價格相對較高，導致其原材料供應不足；二是小型回收公司或個體戶資金不足，無力購買大型環(huán)?；厥赵O(shè)備[9]，因此，降低WPCBs回收設(shè)備成本以及運行費用是解決上述問題的有效手段。

目前，與其他廢舊電路板回收方法相比，機械-物理法回收技術(shù)因包括多級破碎、磁選、篩分、靜電分選和旋風分選多道工藝，已被證實是一種低成本、環(huán)境友好的WPCBs回收金屬方法[10]。然而，其中的先決環(huán)節(jié)——電子元器件(ECs)拆解，目前還停留在手工操作階段，即使在具有資質(zhì)的專業(yè)公司中也是如此[11]。

為了解決以上問題，陳海焱等[12]、張明星等[13]提出一種具有工業(yè)化應用前景的WPCBs元器件的拆解技術(shù)，利用工業(yè)余熱為加熱源，以脈動噴吹為動力源，實現(xiàn)了元器件的高效拆解。Chen等[14]、曾川等[15]對拆解設(shè)備內(nèi)部溫度和氣流速度分別進行了數(shù)值模擬，對拆解過程的影響因素及影響機制進行了深入探討。張尚等[16]、陳俊冬等[17]研究了差速對輥式破碎機的設(shè)計原理，并應用于WPCBs的粗碎過程，取得了良好的破碎效果。賈傳偉等[18-19]利用分級式?jīng)_擊磨對WPCBs的細碎與分選過程進行研究，實現(xiàn)了WPCBs細碎與金屬分離。然而，這些都屬于獨立的基礎(chǔ)性研究，技術(shù)產(chǎn)業(yè)化才是本研究的最終目標。

本文的目的在于改進機械-物理法回收技術(shù)，完善ECs拆解和金屬回收流程，建立WPCBs回收自動化生產(chǎn)線，降低回收設(shè)備成本和運營成本。

1 WPCBs回收自動化生產(chǎn)線

1.1 WPCBs回收工藝流程

為了實現(xiàn)高效、低成本和大規(guī)模應用，所建立的WPCBs回收自動化生產(chǎn)線主要包含3個部分：WPCBs拆解系統(tǒng)、粗碎系統(tǒng)、細碎-金屬分離系統(tǒng)。WPCBs回收工藝流程圖如圖1所示。

圖1 WPCBs回收工藝流程圖Fig.1 WPCBs recovery process flow chart

由圖1可知，WPCBs經(jīng)拆解系統(tǒng)分離出電子元器件和焊錫之后，廢舊印刷電路基板(WPWBs)被送入粗碎系統(tǒng)；先由差速對輥式破碎機進行剪切破碎，隨后被送入錘破機進一步粗碎；最后，所得粗碎產(chǎn)物被送入細碎-金屬分離系統(tǒng)，完成金屬與非金屬成分的分離。

1.2 生產(chǎn)線設(shè)備

WPCBs回收自動化生產(chǎn)線中，粗碎系統(tǒng)由差速對輥式破碎機和錘破機組成，細碎-金屬分離系統(tǒng)由分級式?jīng)_擊磨(含粉碎機和分級機)、濾筒除塵器和引風機組成。WPCBs回收自動化生產(chǎn)線如圖2所示。

該生產(chǎn)線的實驗條件[19]為：拆解溫度260 ℃，噴吹壓力0.2 MPa；差速對輥式破碎機中，齒輥1的轉(zhuǎn)速r1設(shè)為 10 r/min，齒輥2的轉(zhuǎn)速r2設(shè)為20 r/min；細碎-金屬分離系統(tǒng)中的分級式?jīng)_擊磨的粉碎機主機頻率為2 400 r/min，引風機頻率為3 000 r/min。

2 評估試驗

2.1 試驗材料

為了準確評估WPCBs回收自動化生產(chǎn)線的技術(shù)及經(jīng)濟可行性，選用100 kg廢舊電腦電路板為實驗原料，其長、寬、高尺寸范圍從150 mm×80 mm×2 mm到460 mm×330 mm×2 mm，由青島新天地環(huán)境保護有限責任公司提供。

1—拆解系統(tǒng)；2—差速對輥式破碎機；3—錘破機；4—分級式?jīng)_擊磨；5—濾筒除塵器；6—引風機。圖2 WPCBs回收自動化生產(chǎn)線Fig.2 WPCBs automatic recycling production line

2.2 試驗流程

首先，將WPCBs送入拆解設(shè)備，完成元器件的拆解并記錄元器件拆解情況；之后，將拆解后的廢舊電路基板經(jīng)粗碎設(shè)備破碎，收集并記錄破碎情況；最后，將粗碎后的物料送入分級式?jīng)_擊磨一步完成WPCBs的細碎以及金屬與非金屬的分離。

物料金屬含量具有差異性，為了獲得較好的金屬與非金屬分選效果，因此，需要針對物料的特定性質(zhì)優(yōu)化分級式?jīng)_擊磨的分級機的轉(zhuǎn)速。

2.3 WPCBs拆解試驗

ECs拆解是WPCBs拆解系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要功能是將ECs、焊錫和基板分離，然后對ECs中有價值的材料進行回收利用，對含有毒有害物質(zhì)的元器件進行無害化處理[20]。熱處理法是使ECs和基板分離的較好方式[21]。拆解溫度和噴吹壓力是元器件拆解的主要影響因素。

電子電器產(chǎn)品中所用焊錫多為63%Sn37%Pb，其熔點為183.3 ℃，但考慮到拆解速率和熱傳導梯度等因素，對于一塊大約600 g的WPCBs來說，拆解氣源溫度應不低于260 ℃,噴吹壓力應不小于0.2 MPa才能滿足元器件從WPCBs上脫落的需求[8,22]。

WPCBs拆解試驗過程見圖3。由圖可知，拆解系統(tǒng)主要包括進料口、工作腔、脈沖噴吹管和出料口。在拆解ECs時，WPCBs經(jīng)入料口進入工作腔，加熱一段時間后由脈沖噴吹管提供噴吹激震力，使元器件脫落。拆解完成后，廢舊電路基板和元器件由出料口收集。

試驗結(jié)果表明，在260 ℃、0.2 MPa這組最優(yōu)條件下，WPCBs上的元器件基本脫落，其拆解率達95%以上，并且所有元器件外觀均無損壞。

WPCBs拆解系統(tǒng)在拆解過程中WPCBs無需固定，拆解設(shè)備適用性廣；具有自動送料與卸料功能，生產(chǎn)效率高；采用工業(yè)余熱作為熱源供應，因此，WPCBs拆解系統(tǒng)設(shè)備簡單，運行成本低，同時減少了工業(yè)余熱的熱污染[8,14]。

2.4 WPWBs粗碎試驗

粗碎系統(tǒng)的功能是使WPWBs中金屬與非金屬解離。WPWBs中混合著強化樹脂、金屬、玻璃纖維等物質(zhì)，硬度高、韌性強。WPWBs的破碎設(shè)備的選擇決定了設(shè)備能耗的高低、運行穩(wěn)定性以及分離效率[23]，因此，WPCBs粗碎系統(tǒng)采用差速對輥式破碎機和錘破機進行粗碎。

圖4為差速對輥式破碎機的結(jié)構(gòu)簡圖。差速對輥式破碎機由左、右雙動力系統(tǒng)、箱體和一對輥筒組成。當WPCBs進入差速對輥式破碎機時，每副輥齒相互咬合提供剪切力，齒輥1與齒輥2相向運動；2個輥筒轉(zhuǎn)速不同，能夠提供拉伸作用，因此，WPCBs同時受到齒輥1與齒輥2對其產(chǎn)生的摩擦力與壓力，實現(xiàn)了對WPWBs的第1次粗碎。

WPWBs粗碎試驗見圖5。由圖可知，WPWBs先經(jīng)入料口進入差速對輥式破碎機，調(diào)節(jié)其2個不同齒輥的轉(zhuǎn)速，對WPWBs進行剪切破碎，使WPWBs中金屬與非金屬解離，完成第1次粗碎。將第1次粗碎的產(chǎn)物再經(jīng)錘破機進行簡單錘破，實現(xiàn)了WPWBs的第2次粗碎。每1次粗碎完成之后，WPWBs由出料口收集。

WPWBs粗碎試驗結(jié)果表明，當齒輥1的轉(zhuǎn)速為10 r/min、齒輥2的轉(zhuǎn)速為20 r/min，即2個輥筒的差速比為1 ∶2時，90%以上的WPWBs被剪切為15 mm×15 mm以下的粗碎產(chǎn)物，剪切破碎效果良好，實現(xiàn)了第1次粗碎過程。隨后，再采用錘破機將粗碎產(chǎn)物進一步減小至8 mm×8 mm以下，以便更好地滿足分級式?jīng)_擊磨對進料的粒徑要求。

a 實驗原料b 拆解系統(tǒng)c 廢舊電路基板d 電子元器件圖3 WPCBs拆解試驗Fig.3 WPCBs dismantling test

1—左動力系統(tǒng)；2—輥筒；3—右動力系統(tǒng)；4—箱體。圖4 差速對輥式破碎機的結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Structure diagram of differential speed roller crusher

2.5 粗碎產(chǎn)物的細碎-金屬分離試驗

圖6為分級式?jīng)_擊磨的原理圖。分級式?jīng)_擊磨不但可以將粗碎產(chǎn)物實現(xiàn)進一步細碎，還能實現(xiàn)金屬與非金屬的分離[21]，粗碎產(chǎn)物的細碎與金屬分離是一步完成的，因此減少了設(shè)備數(shù)量，節(jié)約了設(shè)備投資、能源消耗以及占地面積。

圖7是粗碎產(chǎn)物的細碎-金屬分離試驗過程。當粗碎產(chǎn)物進入分級式?jīng)_擊磨時，直接落入高速旋轉(zhuǎn)的磨盤中，粗碎產(chǎn)物首先被沖擊磨中的錘頭擊碎；在錘頭產(chǎn)生的離心力作用下，粗碎產(chǎn)物與錘頭及外周邊固定的齒形軌道產(chǎn)生高速碰撞，實現(xiàn)了粗碎產(chǎn)物的再次細碎；然后，細碎的物料經(jīng)內(nèi)部的上升氣流帶到分級區(qū)，實現(xiàn)金屬與非金屬的分離，并對已粉碎至預期粒度的非金屬粉進行收集。 由于金屬的密度較大，因此在重力的影響下，金屬被留在了沖擊磨中。

a 差速對輥式破碎機b 第1次粗碎產(chǎn)物c 錘破機d 第2次粗碎產(chǎn)物圖5 WPWBs粗碎試驗Fig.5 WPWBs coarse crushing test

圖6 分級式?jīng)_擊磨的原理圖Fig.6 Schematic diagram of grading impact mill

a 粗碎產(chǎn)物b 分級式?jīng)_擊磨c 回收的金屬富集體d 回收的非金屬富集體圖7 粗碎產(chǎn)物的細碎-金屬分離試驗Fig.7 Test of fine crushing and metal separation of coarse crushing products

3 結(jié)果與討論

3.1 回收產(chǎn)物的微觀形貌表征

為了評價分級式?jīng)_擊磨的破碎與分級效果，對回收產(chǎn)物進行SEM分析，回收產(chǎn)物的掃描電鏡圖像如圖8所示。

a 金屬富集體b 非金屬富集體圖8 回收產(chǎn)物的SEM圖像Fig.8 SEM images of recovered products

由圖8a可以看出，回收的金屬銅粉顆粒呈球狀，1 mm篩網(wǎng)過篩率為99%，有利于進一步的提純與應用。由圖8b可知，回收所得的非金屬富集體呈暗灰色，主要由柱狀和小顆粒狀物質(zhì)組成，粒徑較金屬富集體小，0.425 mm篩網(wǎng)過篩率為95%。

3.2 生產(chǎn)線評估方法

評估試驗完成后，利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測量原料與回收物料中銅的含量，并利用掃描電子顯微鏡(SEM)分析物料的表面形態(tài)。

生產(chǎn)線的評估參數(shù)主要由元器件拆解率和金屬與非金屬分離效率組成。

元器件拆解率的計算公式為

(1)

式中：Xi為拆卸率，%；n1為拆卸后WPCBs上電子元器件的數(shù)量；n2為拆卸前WPCBs上電子元器件的數(shù)量。

金屬與非金屬分離效率的計算公式為

(2)

式中：Yi為金屬與非金屬的分離效率，%；m0為進入分級式?jīng)_擊磨的原料質(zhì)量，kg；m1為回收金屬的質(zhì)量，kg；w0為原料中銅的含量，%；w1為回收金屬中銅的含量，%。

3.3 回收產(chǎn)物分離效率的優(yōu)化

分級式?jīng)_擊磨的分級機轉(zhuǎn)速對金屬與非金屬回收產(chǎn)物的分離效率有很大的影響。因此，根據(jù)所用的物料特點，進行了沖擊磨的分級機轉(zhuǎn)速優(yōu)化實驗。分級機轉(zhuǎn)速對回收產(chǎn)物分離效率的影響見表1。

表1 分級轉(zhuǎn)速對回收產(chǎn)物分離效率的影響

由表1可知，分級式?jīng)_擊磨的分級機轉(zhuǎn)速的增加有助于提高金屬與非金屬的分離效率以及金屬富集體中的銅品位。當分級機轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時，金屬與非金屬的分離效率達94.4%，其中，回收的金屬富集體中銅品位達95.4%。

3.4 經(jīng)濟性評估

由于原材料價格與回收技術(shù)無關(guān)，因此只對回收金屬的工藝成本與利潤進行經(jīng)濟評估。其中，只考慮設(shè)備折舊費和能源(電力和工業(yè)余熱)折舊費，不考慮人工費、運輸費等費用。在將WPCBs回收自動化生產(chǎn)線應用于實際生產(chǎn)之前，還應作更為具體詳細的經(jīng)濟性評價。

所進行的經(jīng)濟性評估中，價格均來自當前市場價格。假定WPCBs回收自動化生產(chǎn)線處理量為0.3 t/h，使用壽命為3 650 d，每天工作時間為8 h。

細碎-金屬分離試驗結(jié)果表明，金屬與非金屬的分離效率達94.4%，回收銅粉中銅品位達95.4%。假設(shè)原材料WPCBs的價格約為5 913元/t，其銅含量約為20%；廢銅價格按37 812元/t計(其銅品位為95.4%)；拆解設(shè)備投資A約為20.7 萬元，耗電量PA為10 kW(包括輸送管道的熱量)；工業(yè)余熱(廢蒸汽)消耗量按每噸WPCBs消耗0.16 t廢熱計；對輥式破碎機投資B約為75 900元，耗電量PB為10 kW；錘破機投資C約為55 200元，耗電量PC為7.5 kW；分級式?jīng)_擊磨投資D約為20.7 萬元，耗電量PD為30 kW；四川省電力成本E約為0.8元/(kW·h)；四川省廢蒸汽F約為20.7元/t。

WPCBs回收自動化生產(chǎn)線的拆解工藝成本M的計算公式為

(3)

改進的機械-物理生產(chǎn)線工藝成本N的計算公式為

(4)

經(jīng)計算可知，WPCBs回收自動化生產(chǎn)線每處理每噸WPCBs的拆解工藝成本為53.6元；而改進的機械-物理生產(chǎn)線工藝成本為165.3元；該生產(chǎn)線每處理1 t的WPCBs，利潤可達803元?？梢?，WPCBs回收自動化生產(chǎn)線成本低、能耗低、利潤高，并且對環(huán)境沒有危害，符合WPCBs資源化技術(shù)的要求。

4 結(jié)論

1)分級式?jīng)_擊磨實現(xiàn)了WPCBs的進一步細碎和回收產(chǎn)物的分離，節(jié)約了設(shè)備投資和占地面積。

2)分級式?jīng)_擊磨的分級機轉(zhuǎn)速對回收產(chǎn)物的分離效率影響較大。當分級機轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時，金屬與非金屬回收物的分離效率達94.4%；回收的金屬富集體中銅品位達95.4%。

3)ECs拆解工藝利用工業(yè)余熱為熱源，脈沖噴吹為動力源，實現(xiàn)了元器件的低成本、高效率自動化拆解。

綜上，WPCBs回收自動化生產(chǎn)線成本低、能耗低、利潤高，對環(huán)境沒有危害，符合WPCBs資源化技術(shù)要求，實現(xiàn)了WPCBs回收的大規(guī)模、工業(yè)化生產(chǎn)。