劉尊章 覃雯婕 曾 智 趙 健 何春林,2 藤田豊久,2

(1.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院,廣西 南寧 530004;2.省部共建特色金屬材料與組合結(jié)構(gòu)全壽命安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530004)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展以及市場(chǎng)優(yōu)勝劣汰等多方面因素的影響,電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期不斷縮減,產(chǎn)生了大量電子廢棄物(WEEE)[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)[3],2019年全球產(chǎn)生的電子廢棄物總量達(dá)5 360 萬t。廢舊印刷電路板(WPCBs)是一種常見的電子廢棄物,其化學(xué)組成中存在一定的有毒有害物質(zhì),對(duì)環(huán)境安全造成潛在威脅[4-5]。同時(shí),WPCBs 富含各種有色及稀貴金屬元素,其中稀貴金屬是自然礦產(chǎn)含量的幾十倍甚至幾百倍[6]。因此,回收處理和再利用WPCBs,對(duì)環(huán)境和自然資源的保護(hù)具有深遠(yuǎn)的意義[7-10]。

電化學(xué)提取法具有電能利用率高、環(huán)境友好、藥劑無污染等優(yōu)點(diǎn)[11-14],廣泛應(yīng)用于WPCBs 中有色金屬及稀貴金屬的后處理回收。KIM 等[11]通過電解鹽酸產(chǎn)生氯氣,利用氯氣在電解液中的高氧化電位溶出Au 和Cu,浸出600 min 可獲得93%的Au 浸出率和97%的Cu 的浸出率。LISTER 等[15]采用兩步電解處理WPCBs,首先在硫酸溶液中利用Fe3+溶出Ag 和Cu,再在鹽酸溶液中利用Cl2溶出Pd 和Au,試驗(yàn)獲得了較高的Ag、Cu 回收率,但Pd 和Au 的回收率較低。ZHAO 等[16]在電解鹽酸體系下,研究了浸出條件對(duì)WPCBs 中Cu、Sn、Pb、Zn 和Al 浸出率的影響,并通過串聯(lián)浸出池、雙入口管和氣泡石等方式改善浸出效果。

顯然,為了獲得高的金屬浸出率,可以延長(zhǎng)浸出時(shí)間或增大鹽酸濃度,但這也意味著回收成本的增加。微波具有選擇性加熱的特性,可以快速高效地對(duì)目標(biāo)金屬實(shí)現(xiàn)加熱,將微波和電化學(xué)電解浸出技術(shù)相結(jié)合,有望在一定程度上彌補(bǔ)電化學(xué)電解過程時(shí)間過長(zhǎng)的問題,從而提高金屬的浸出效率。因此,本研究將微波和電化學(xué)相結(jié)合,利用微波的高穿透性、可選擇性加熱、熱慣性小和非電離性等特點(diǎn),設(shè)計(jì)出一套微波輔助電化學(xué)浸出WPCBs 金屬的裝置,利用微波強(qiáng)化氯氣浸出WPCBs 中的金屬。本試驗(yàn)重點(diǎn)研究了微波腔體內(nèi)介質(zhì)材料對(duì)浸出液溫度的影響,考察了微波功率及電解時(shí)間對(duì)WPCBs 中金屬溶出的影響,并以量熱法、升溫法、介電常數(shù)等3 個(gè)方法測(cè)試評(píng)價(jià)物料吸收損耗微波特性,揭示微波在輔助浸出過程的強(qiáng)化作用。通過該裝置,可實(shí)現(xiàn)對(duì)WPCBs 中目標(biāo)金屬有選擇性、瞬時(shí)、快速、易調(diào)節(jié)控制地加熱,在較短的電解時(shí)間和較低的酸性濃度下,提高了金屬的浸出率,為WPCBs 金屬資源回收提供一種新的微波電化學(xué)浸出回收途徑。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

原材料廢舊印刷線路板采購自當(dāng)?shù)仉娮涌萍紡V場(chǎng),將WPCBs 進(jìn)行拆解、切割、粉碎、縮分和篩選等一系列機(jī)械物理處理后,通過磁選去除鐵,避免其對(duì)磁力攪拌過程的影響。選取0.3～0.9 mm 的粒級(jí)樣作為浸出試驗(yàn)樣品。根據(jù)之前的研究[11-12,16-17],樣品中Cu、Sn、Al、Zn 和Pb 的含量顯著高于貴金屬和稀有金屬,且樣品量在5～10 g 這個(gè)范圍內(nèi),可最大程度保證樣品各元素含量相似,以減少誤差影響。因此本研究將主要關(guān)注Cu、Sn、Al、Zn 和Pb 這5 種金屬元素的浸出情況,并將樣品質(zhì)量m1確定為5 g。

試驗(yàn)樣品經(jīng)王水消解后,采用電感耦合等離子體光譜發(fā)射儀(島津ICPS-7510,日本)測(cè)定樣品中5 種金屬元素的初始含量c1,每組試驗(yàn)進(jìn)行3 次,取平均值,結(jié)果見表1。

表1 0.3～0.9 mm 樣品中元素定量分析Table 1 Quantitative analysis of elements in 0.3～ 0.9 mm samples mg/g

1.2 儀器和方法

微波輔助電解浸出WPCBs 中金屬的裝置如圖1所示。該裝置由電解浸出系統(tǒng)和微波系統(tǒng)兩部分組成,其中電解浸出系統(tǒng)主要包括電解電源、浸出反應(yīng)槽以及含有一對(duì)鉑電極的電解槽。在電解槽中,陽極產(chǎn)生的Cl2通過內(nèi)徑為2 mm 的管道進(jìn)入浸出反應(yīng)槽以溶解金屬。將電解浸出系統(tǒng)的浸出反應(yīng)槽置于微波腔體內(nèi),利用微波熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)強(qiáng)化電極產(chǎn)生的Cl2溶出廢舊印刷電路板中的金屬。為避免反應(yīng)過程中H2與Cl2發(fā)生光爆反應(yīng),整個(gè)裝置被置入通風(fēng)櫥內(nèi)并用黑布遮蓋。

圖1 微波輔助WPCBs 金屬浸出裝置Fig.1 Microwave-assisted electrolytic leaching device for metals in WPCBs

將微波強(qiáng)化浸出反應(yīng)后的樣品過濾烘干,稱量反應(yīng)后剩余樣品質(zhì)量m2,以便計(jì)算樣品的質(zhì)量損失率。烘干后的樣品經(jīng)王水消解4 h 后,采用ICP 測(cè)定剩余樣品中金屬的含量c2,最后計(jì)算得到樣品的浸出率。

廢舊印刷電路板中金屬與微波相互作用影響微波強(qiáng)化廢印刷電路板金屬溶出,因此本文以量熱法、升溫法、介電常數(shù)法等3 個(gè)方法測(cè)試[18-21]評(píng)價(jià)吸收損耗微波特性,揭示微波強(qiáng)化機(jī)理。以同步暴露競(jìng)爭(zhēng)吸波設(shè)備[20-21](圖2)研究純金屬粉末和WPCBs 粉末的吸波特性,計(jì)算物料吸收微波的相對(duì)能量RE[21]。微波場(chǎng)中單一物料的升溫特性,則通過金屬屏蔽熱電偶(圖3)測(cè)量物料溫度進(jìn)行探究,試驗(yàn)過程中利用石英纖維包裹坩堝進(jìn)行保溫。

圖2 同步暴露競(jìng)爭(zhēng)吸波測(cè)試裝置Fig.2 Synchronous exposure competitive wave absorption test device

圖3 物料升溫曲線測(cè)試設(shè)備Fig.3 Material temperature rise curve test equipment

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微波強(qiáng)化效果對(duì)比

試驗(yàn)條件:HCl 濃度為3 mol/L,攪拌速度為400 r/min,電解槽電解電流為4 A,浸出反應(yīng)時(shí)間為100 min,進(jìn)行了開啟微波與不開啟微波的對(duì)比試驗(yàn)。開啟微波時(shí),為了防止浸出槽中酸性溶液濺出腐蝕腔體,在腔體內(nèi)放置泡沫墊、陶瓷墊或?qū)⒔霾蹞Q成1 000 mL的燒杯,以研究不同的承載介質(zhì)對(duì)微波強(qiáng)化效果的影響。不開啟微波時(shí),設(shè)置3 個(gè)電解溫度(60、70、80℃)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?。本試?yàn)主要以Cu 的浸出率評(píng)價(jià)浸出效果,結(jié)果如表2所示。

表2 微波強(qiáng)化浸出與無微波浸出效果的對(duì)比Table 2 Comparison between microwave enhanced electrolytic leaching and non microwave electrolysis%

由表2 可知,無微波條件下,水浴60 ℃恒溫電解氯氣浸出100 min 時(shí),WPCBs 樣品的質(zhì)量損失率為22.82%,同樣時(shí)間下,當(dāng)微波功率為300 W 時(shí),陶瓷材料介質(zhì)上浸出槽的溫度可爬升至接近60 ℃,而此時(shí)WPCBs 樣品的質(zhì)量損失率可達(dá)到46.23%。在無微波條件下,水浴70 ℃恒溫電解氯氣浸出100 min時(shí),浸出槽WPCBs 樣品的質(zhì)量損失率為25.71%,同樣時(shí)間下,微波功率為300 W 時(shí),無介質(zhì)浸出槽的溫度爬升至70 ℃,浸出槽內(nèi)WPCBs 樣品的質(zhì)量損失率達(dá)到49.39%;當(dāng)水浴80 ℃恒溫電解氯氣浸出100 min 時(shí),浸出槽 WPCBs 樣品的質(zhì)量損失率為28.01%,同樣時(shí)間下,微波功率為500 W 時(shí),泡沫材料介質(zhì)上浸出槽的溫度可爬升至80 ℃,而此時(shí)WPCBs 樣品的質(zhì)量損失率可達(dá)到63.49%。

從表2 中Cu 浸出率的變化可知,60 ℃恒溫電解100 min 時(shí),浸出槽WPCBs 樣品的Cu 浸出率為64.86%,而在相同溫度和時(shí)間下,300 W 功率下陶瓷材料介質(zhì)上WPCBs 樣品的Cu 浸出率為70.87%,提高了近6 個(gè)百分點(diǎn)。70 ℃恒溫電解100 min 與300 W 無介質(zhì)存在條件的Cu 浸出率相差了8.03 個(gè)百分點(diǎn),而80 ℃恒溫電解100 min 與500 W 的泡沫材料WPCBs 的Cu 浸出率相差了15.33 個(gè)百分點(diǎn)。

對(duì)比3 組相同時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果可知,微波場(chǎng)下WPCBs 樣品的質(zhì)量損失率和Cu 浸出率均遠(yuǎn)大于同條件下無微波的情況,說明微波確實(shí)具有強(qiáng)化電解鹽酸浸出WPCBs 金屬的效果。微波開啟后,微波腔內(nèi)的微波可以強(qiáng)化浸出槽內(nèi)浸出試劑、離子的轉(zhuǎn)移速度,提升單位時(shí)間內(nèi)金屬的浸出,不同承載介質(zhì)下,微波腔體內(nèi)升溫特性也不同,說明微波腔體內(nèi)存在的介質(zhì)影響微波能量進(jìn)而影響浸出效果。

2.2 微波腔體內(nèi)介質(zhì)材料對(duì)浸出液溫度的影響

為探明不同承載介質(zhì)對(duì)微波腔體內(nèi)浸出液溫度的影響,考察不同微波功率條件下泡沫墊、陶瓷墊及無介質(zhì)情況下鹽酸浸出液的升溫特性。試驗(yàn)條件:固定HCl 濃度為3 mol/L、攪拌速度為400 r/min,通入電流為4 A,在微波時(shí)長(zhǎng)50 min(開停間隔2.5 min)和100 min(開停間隔5 min)的條件下,微波功率對(duì)不同材料介質(zhì)的升溫特性曲線影響如圖4 和圖5所示。

圖4 50 min 微波條件下不同介質(zhì)材料的浸出液溫度曲線Fig.4 Temperature curves of leaching solution with different media materials under 50 min microwave

圖5 100 min 微波條件下不同介質(zhì)材料的浸出液溫度曲線Fig.5 Temperature curve of leaching solution with different media materials under 100 min microwave

從圖4 和圖5 可以看出,承載介質(zhì)對(duì)微波加熱溶液的影響呈現(xiàn)顯著差異,其中泡沫作為承載時(shí)溶液升溫速率最快,溫度也最高,無承載條件下溫度相對(duì)而言最低。在100 W 條件下,微波時(shí)長(zhǎng)50 min 時(shí),放置在泡沫墊上的浸出槽開啟2.5 min 后的溫度和終止溫度分別為27.7 ℃和63.3 ℃,在500 W 的條件下,這2 個(gè)溫度分別達(dá)到了39.5 ℃和77.7 ℃。而在微波時(shí)長(zhǎng)為100 min 時(shí),100 W 的條件下,泡沫材料上的浸出槽最終可以升溫到64.4 ℃,在500 W 時(shí)可以提升為80.3 ℃。

由升溫結(jié)果可知,陶瓷作為承載時(shí),升溫速率和最終溫度均低于泡沫,從側(cè)面反映陶瓷材料是一種吸收微波能力較強(qiáng)的材料,具有一定吸收微波的能力,在微波場(chǎng)中和浸出槽溶液競(jìng)爭(zhēng)吸收部分微波,導(dǎo)致電解液吸收微波能量降低,因此浸出槽溶液升溫速率變慢。而同樣的條件下,浸出槽直接放置在微波腔體底端(無介質(zhì)條件)時(shí),浸出槽的升溫速度也較泡沫材料緩慢,說明浸出溶液位置也影響其吸收微波總量,部分微波被微波腔體吸收了,而泡沫材料承載浸出溶出時(shí),浸出溶液置于微波腔體中間正對(duì)著微波饋入口,可以直接接收到磁控管內(nèi)傳輸過來的微波,吸收升溫,減少損失,從而加熱浸出槽中的WPCBs 金屬粉末并強(qiáng)化浸出。

2.3 微波功率對(duì)浸出槽樣品質(zhì)量損失率的影響

HCl 濃度為3 mol/L、攪拌速度為400 r/min,電解槽電流為4 A,不同介質(zhì)材料下微波功率對(duì)浸出槽樣品質(zhì)量損失率的影響如圖6所示。

由圖6 可知,在3 種承載介質(zhì)條件下,樣品的質(zhì)量損失率均隨微波功率的增大而增加。在微波功率和微波開啟時(shí)間相同條件下,微波腔體內(nèi)存在不同材料介質(zhì)時(shí)WPCBs 粉末的浸出率呈現(xiàn)顯著差異。圖6(a)顯示,當(dāng)微波時(shí)間為50 min 時(shí),微波功率由100 W 提高到500 W,泡沫材料為承載時(shí)WPCBs 質(zhì)量損失率從19.18%升高到39.50%;陶瓷材料承載時(shí)WPCBs 質(zhì)量損失率從15.93%升高到34.31%;無介質(zhì)存在時(shí),WPCBs 質(zhì)量損失率從16.68%升高到37.51%。圖6(b)顯示,當(dāng)微波時(shí)間為100 min 時(shí),微波功率由100 W 提高到500 W,泡沫材料為承載時(shí)WPCBs 質(zhì)量損失率從46.45%升高到63.49%,陶瓷材料為承載時(shí)WPCBs 質(zhì)量損失率從44.76%升高到了54.74%,無介質(zhì)存在時(shí)WPCBs 質(zhì)量損失率從47.76%升高到61.13%。

綜上可知,泡沫材料上浸出槽WPCBs 的質(zhì)量損失率比陶瓷材料和無介質(zhì)條件下的質(zhì)量損失率要高,結(jié)果與圖4和圖5顯示的3種不同介質(zhì)情況下的升溫特性曲線相符合,即升溫越快,溫度越高,單位時(shí)間內(nèi)WPCBs 粉末的浸出速率就越快,從而使粉末的質(zhì)量損失率增大。

固定HCl 濃度為3 mol/L、攪拌速度為400 r/min,電解槽電流為4 A,微波場(chǎng)下電解浸出WPCBs中金屬的質(zhì)量損失率和無微波場(chǎng)時(shí)的對(duì)比見圖7。

圖7 微波場(chǎng)下及無微波場(chǎng)下時(shí)間對(duì)浸出WPCBs 中金屬質(zhì)量損失率的影響Fig.7 Metal weight loss rate in electrolytic leaching of WPCBs under microwave field and without microwave field

由圖7(a)可以看出,電解浸出50 min 后,微波場(chǎng)下金屬質(zhì)量損失率提高2%～3%;圖7(b)顯示,電解浸出100 min 后,微波場(chǎng)下金屬質(zhì)量損失率提高20%左右。對(duì)溶液中金屬離子的浸出率進(jìn)行化驗(yàn)計(jì)算,結(jié)果表明,Cu、Ni、Zn、Au、Ag、Fe、Al、Sn、Pb 等金屬浸出率高達(dá)95%以上,浸出效果好于常規(guī)電解浸出時(shí)間250 min,由此說明微波具有強(qiáng)化廢舊印刷電路板金屬浸出的特性。

2.4 微波功率對(duì)金屬浸出率的影響

固定HCl 濃度為3 mol/L、攪拌速度為400 r/min、電解槽電流為4 A,在電解時(shí)間分別為50 min和100 min 的條件下,考察微波功率對(duì)不同介質(zhì)材料下WPCBs 樣品金屬浸出率的影響,結(jié)果如圖8所示。

圖8 微波功率對(duì)浸出槽的WPCBs 樣品金屬浸出率影響Fig.8 Effect of microwave power on the metal leaching rate of WPCBs samples in leaching tank

從圖8(a1)可以看出,電解50 min 時(shí),微波功率的大小對(duì)WPCBs 中金屬的溶出影響較為顯著,100 W 時(shí)Cu 的浸出率為38.29%,500 W 時(shí)Cu 的浸出率達(dá)69.04%,浸出率提升了30.75 個(gè)百分點(diǎn),Zn、Pb、Al 的浸出率穩(wěn)步提升;Sn 由于較容易被浸出,在100 W 時(shí)浸出率已超過99%。從圖8(a2)可以看出,電解100 min 時(shí),在100～500 W 的微波功率下,各金屬元素浸出率升高,但相對(duì)50 min 的電解時(shí)間,100 min電解時(shí)間各金屬浸出率的提升較為有限。電解100 min 時(shí),100 W 功率下Cu 的浸出率為67.47%,500 W時(shí)Cu 的浸出率為83.50%,浸出率僅提升了16.03個(gè)百分點(diǎn)。

當(dāng)介質(zhì)材料更換為陶瓷時(shí),浸出槽內(nèi)WPCBs 粉末浸出率的變化趨勢(shì)和泡沫介質(zhì)的相類似。從圖8(b1)可以看出,電解50 min,微波功率大小為100 W時(shí)WPCBs 樣品中Cu 的浸出率為31.92%;微波功率大小為500 W 時(shí)Cu 的浸出率升高至62.52%,浸出率提升了30.60 個(gè)百分點(diǎn);與此同時(shí),Zn、Pb、Al 的浸出率分別提升了24.58、22.42 和12.81 個(gè)百分點(diǎn)。浸出100 min 時(shí),微波功率由100 W 增加至500 W后,Cu、Zn、Pb、Al 的浸出率分別提升了9.31、7.57、3.85 和10.9 個(gè)百分點(diǎn)。雖然陶瓷參與競(jìng)爭(zhēng)吸收了部分的微波,但微波功率的增大在一定程度上也提升了WPCBs 中金屬的浸出率。

由圖8(c1)和(c2)可知,無介質(zhì)條件下,當(dāng)微波功率為500 W、浸出50 min 時(shí),Cu 的浸出率為64.52%;當(dāng)微波功率500 W、電解100 min 時(shí),Cu 的浸出率為78.62%,該結(jié)果與浸出液升溫曲線趨勢(shì)一致,無論是質(zhì)量損失率還是浸出率,在相同條件下,無介質(zhì)的效果介于泡沫介質(zhì)和陶瓷介質(zhì)之間,泡沫為承載介質(zhì)時(shí)效果最佳。因泡沫介質(zhì)吸收微波能力較弱,微波通過該介質(zhì)時(shí)損耗較小,可獲得較高的微波利用率,浸出溶液及樣品獲得微波總量增加,所以升溫效果好,金屬浸出率得到提高。

2.5 微波輔助機(jī)理分析

2.5.1 吸波能力測(cè)試

以量熱法測(cè)試評(píng)價(jià)物料吸收損耗微波特性,測(cè)試和計(jì)算方法見文獻(xiàn)《典型冶金原輔料的微波吸收特性及其應(yīng)用研究》[21],其中常見金屬粉末和WPCBs 樣品吸收微波能力見表3,粉末吸收微波后表面溫度的測(cè)試結(jié)果見圖9。RE表示相對(duì)吸收微波能力[21],數(shù)值越大表面該物質(zhì)吸收微波能力越強(qiáng),越小則相反。

圖9 測(cè)試吸波特性后金屬粉末的表面溫度Fig.9 Surface temperature of metal powder after testing microwave absorption characteristics

表3 常見金屬粉末和WPCBs 樣品吸收微波能力Table 3 Microwave absorption capacity of metal powder and WPCBs samples

從表3 可知,錫、鐵、銅、鉛等金屬粉末吸收微波的能力均較強(qiáng),但比水稍弱;錫粉吸收微波能力相對(duì)其他金屬粉末較高,鐵、銅吸收微波能力相近,鋁粉吸收微波能力低于銅鐵,鉛粉吸收微波能力最低。從圖9 也可以看出,吸收微波能力強(qiáng)的其表面溫度高,溫度升高20～40 ℃,水雖然吸收微波能力最強(qiáng),但溫度僅僅升高了3 ℃,相比金屬粉末低很多。在微波場(chǎng)下,雖然水吸收微波能力強(qiáng),但金屬粉末也競(jìng)爭(zhēng)吸附微波,金屬粉末比熱容小所以溫度高于水溫,這為微波強(qiáng)化浸出金屬提供有利條件。

表3 顯示,WPCBs 樣品吸收微波能力比純金屬粉末低,說明金屬含量低,此外WPCBs 中環(huán)氧樹脂含量也低,大部分為玻璃纖維(Si—O—Si),而玻璃纖維基本不吸收微波,微波對(duì)玻璃纖維的作用可忽略。

2.5.2 介電常數(shù)測(cè)試

研究物料損耗電磁場(chǎng)的機(jī)制,將待測(cè)物料放置到單模波導(dǎo)內(nèi)加熱[21],加熱停止后使用紅外成像儀測(cè)試樣品的表面溫度。具體操作步驟為:將少量樣品平整鋪展在石英方缸中,厚度1～3 mm,然后放入波導(dǎo)內(nèi);微波功率設(shè)置為1 000 W,開啟微波加熱一定時(shí)間,關(guān)閉微波,將石英方缸迅速取出,測(cè)試樣品表面溫度。5 種金屬粉末和不同粒級(jí)WPCBs 樣品的表面溫度分布結(jié)果如圖10所示。

圖10 金屬粉末及WPCBs 樣品溫度高低分布比較Fig.10 Comparison of temperature distribution between metal powder and WPCBs samples

將圖10 與模擬波導(dǎo)中電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)弱分別進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)金屬粉末溫度分布與磁場(chǎng)分布一致,金屬粉末損耗微波場(chǎng)中磁場(chǎng)進(jìn)行加熱。圖11 顯示金屬粉末介電常數(shù)實(shí)部和虛部較大,說明金屬粉末的介電常數(shù)貢獻(xiàn)主要由金屬的電導(dǎo)率引起的,非介質(zhì)極化引起,因此損耗磁場(chǎng)加熱是由磁場(chǎng)引起的渦流損耗和電導(dǎo)損耗。而粒度小的WPCBs 表面溫度與電場(chǎng)一致,說明主要損耗微波場(chǎng)中的電場(chǎng)進(jìn)行加熱,玻璃纖維、樹脂在WPCBs 中占主要部分,金屬含量少;粒徑大的WPCBs 金屬含量高,出現(xiàn)磁場(chǎng)損耗,如粒徑為0.45～0.3 mm 的WPCBs 在邊緣處出現(xiàn)高溫點(diǎn),說明金屬損耗磁場(chǎng)所致。當(dāng)WPCBs 處于微波中時(shí),金屬損耗微波磁場(chǎng)加熱,而玻璃纖維和環(huán)氧樹脂損耗電場(chǎng)加熱,金屬損耗能力大于玻璃纖維和環(huán)氧樹脂,當(dāng)置于微波場(chǎng)中時(shí)微波可促進(jìn)金屬溶出。

圖11 金屬粉末的介電常數(shù)Fig.11 Dielectric constant of metal powder

2.5.3 升溫特性測(cè)試

樣品微波升溫特性測(cè)試結(jié)果如圖12所示,粒徑越小的銅粉升溫越快,吸收微波能力越強(qiáng)。鋁粉吸收微波能力比銅弱,但升溫速率比銅粉快。單獨(dú)存在于微波場(chǎng)中的升溫特性與吸收微波能量法測(cè)試的結(jié)果存在一定差異性。通過對(duì)2 種測(cè)試結(jié)果分析可知,單獨(dú)鉛粉升溫快而高,但在有水的情況下,吸收微波能力弱,升溫慢,說明存在競(jìng)爭(zhēng)吸收微波情況。

圖12 金屬粉末和WPCBs 樣品升溫特性Fig.12 Temperature rise characteristics of metal powder and WPCBs samples

因此,由量熱法、介電常數(shù)測(cè)試結(jié)果和升溫特性曲線可知,WPCBs 中的主要金屬為銅、鉛、錫、鋅、鋁,這些金屬和電解溶液同時(shí)在微波場(chǎng)中時(shí)均能吸收一定的微波能量,因此WPCBs 中的金屬吸收微波能量后其溫度明顯高于溶液溫度,金屬表面具有高能高溫,容易與溶解中的浸出劑和Cl2反應(yīng)溶出,金屬表面短暫高溫與溶液形成明顯的溫度差,對(duì)溶液形成熱擾動(dòng),促進(jìn)溶液中浸出試劑遷移,同時(shí)金屬表面溶出的金屬快速遷移出去,促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行,而且金屬表面溫度高,降低其活化能,促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。

3 結(jié)論

(1)利用電解鹽酸產(chǎn)生Cl2浸出WPCBs 粉末中的金屬,對(duì)微波狀態(tài)下和無微波狀態(tài)下的浸出效果進(jìn)行對(duì)比,水浴加熱浸出槽至60、70、80 ℃時(shí),樣品的質(zhì)量損失率分別為22.82%、25.71%和28.01%,Cu 的浸出率分別為64.86%、65.12%和68.17%。微波條件下,3 組樣品的Cu 浸出率顯著增加,其浸出率分別為70.87%、73.15%、83.50%。

(2)當(dāng)浸出槽放在承載介質(zhì)時(shí),泡沫介質(zhì)效果最佳,在微波存在的狀態(tài)下,增加微波功率和浸出時(shí)間均會(huì)對(duì)WPCBs 樣品的浸出有促進(jìn)作用。在泡沫介質(zhì)下電解100 min,微波功率500 W 時(shí)Cu 的浸出率為83.50%,遠(yuǎn)大于無微波條件下電解浸出100 min 時(shí)的浸出率。

(3)微波強(qiáng)化浸出機(jī)理測(cè)試分析表明,廢電路板中的主要金屬為Cu、Zn、Sn、Pb、Al 等金屬,和電解溶液同時(shí)在微波場(chǎng)中時(shí)均能吸收一定的微波能量,金屬吸收微波能量后其溫度明顯高于溶液溫度,金屬表面具有高能高溫,容易與溶解中的浸出劑和Cl2反應(yīng)溶出,金屬表面短暫高溫與溶液形成明顯的溫度差,對(duì)溶液形成熱擾動(dòng),促進(jìn)溶液中浸出試劑遷移,同時(shí)金屬表面溶出的金屬快速遷移出去,促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行,而且金屬表面溫度高可以降低其活化能,促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。