黃 慶1,2,王景偉1,2,王鵬程3,鄧 毅1,2

(1.上海第二工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，上海 201209;2.上海電子廢棄物資源化產(chǎn)學(xué)研合作開發(fā)中心，上海 201209;3.中國電器科學(xué)研究院有限公司,廣州 210300)

0 引言

隨著激光打印機(jī)和復(fù)印機(jī)的保有量逐年增加,加上現(xiàn)代化辦公對其配件的質(zhì)量和數(shù)量的要求越來越高,使得打印機(jī)和復(fù)印機(jī)等不斷更新。硒鼓作為激光打印機(jī)的“心臟”,70%以上的打印功能由其實現(xiàn),一旦硒鼓中的關(guān)鍵部件如感光鼓損壞或報廢,硒鼓則往往隨之報廢,從而產(chǎn)生大量的廢棄硒鼓。截止2011年,佳能公司在全世界范圍內(nèi)累計回收的廢棄硒鼓達(dá)19萬噸,而我國每年消耗的硒鼓約有6000萬只。

廢棄硒鼓的一般處理方式有簡單維修、再制造和資源化三種[1]。由于廢棄硒鼓大部分流向二手市場,采用簡單的加粉工藝達(dá)不到原裝硒鼓的使用效果[2]。在國外發(fā)達(dá)地區(qū)如德國、匈牙利、加拿大、瑞士、瑞典等國家,通常將廢棄硒鼓回收再制造得以重新利用。而當(dāng)硒鼓完全報廢時,較普遍的處理方式是將廢棄硒鼓轉(zhuǎn)移至發(fā)展中國家或進(jìn)行焚燒、填埋處理。目前,廢棄硒鼓的資源化處理還處于初期探索階段,鮮有相關(guān)的資源化工藝技術(shù)的文獻(xiàn)報道[3]。本文主要介紹了國內(nèi)外廢棄硒鼓資源化工藝技術(shù),并提出了廢棄硒鼓資源化過程中存在的問題和研究重點。

1 廢棄硒鼓

1.1 廢棄硒鼓的材料組成

廢棄硒鼓經(jīng)初步拆解后可以得到感光鼓、塑料蓋、齒輪、磁棒外套、磁棒、塑料環(huán)、刮板、軸、螺絲、彈簧、銷釘及塑料外殼(包括粉倉和廢粉倉)等部件,其主要組成材料包括塑料(ABS)、鐵(Fe)、磁(NdFeB)、鋁(Al)、銅片(Cu)、墨粉(toner)和其他物質(zhì)。由于各廠家型號、功能不一樣,其組分材料往往也不同。以一只普通硒鼓為例,總質(zhì)量為1.1 kg,拆解后各組成材料所占比重分別為(見圖1):塑料41.56%、鐵23.69%、磁10.95%、銅片0.05%、鋁7.03%、墨粉14.42%和其他2.30%。據(jù)報道,一般廢棄硒鼓中約75%的材料如塑料、鐵和有色金屬等,可用于再制造過程[3-4]。而廢墨粉也可再生成新產(chǎn)品或資源化利用成顏料、燃油等[6-8]。

圖1 廢棄硒鼓組成材料Fig.1 Comprised materials of waste toner cartridge

1.2 廢棄硒鼓對環(huán)境的危害性

廢棄硒鼓如果直接填埋處理,不僅占用土地,而且污染土壤、水體和空氣。廢棄硒鼓中的塑料為難降解性物質(zhì),如果不給予適當(dāng)處理或簡單填埋,上百年甚至上千年也不會腐爛;若采用焚燒處理,塑料成分可能產(chǎn)生二噁英、呋喃等致癌物質(zhì)。由于硒鼓含有砷化硒或硫化鎘涂層,在處理廢棄硒鼓時,應(yīng)先采用噴砂方法去除含有重金屬砷或鎘的涂層,去除的物質(zhì)則按危險廢棄物進(jìn)行處理處置[9]。而更為可怕的是殘留于硒鼓中的有機(jī)墨粉,墨粉中的主要成分炭黑中含有大量的多環(huán)芳烴(PAH)和二甲基苯胺等致癌物質(zhì)[10],它們已經(jīng)被國際癌癥研究組織(International Agency for Research on Cancer,IARC)列入致癌物質(zhì)名錄[11]。這些粒徑在4～8μm范圍的微小顆粒,若不慎漂浮于空氣中,通過人的呼吸系統(tǒng)直接進(jìn)入人體,對人體的的危害極大。因此,對廢棄硒鼓安全收集且進(jìn)行無害化處理勢在必行。

2 廢棄硒鼓資源化處理技術(shù)

2.1 國內(nèi)資源化技術(shù)

目前,國內(nèi)對廢棄硒鼓的資源化技術(shù)尚處于研究探索階段,由上海第二工業(yè)大學(xué)設(shè)計開發(fā)的廢棄硒鼓處理技術(shù)較好地實現(xiàn)了廢棄硒鼓資源化和廢棄墨粉的有效收集,其工藝流程如圖2所示。廢棄硒鼓喂料至破碎機(jī)進(jìn)行破碎,破碎后首先經(jīng)磁選技術(shù)將物料中的鐵、磁等物質(zhì)分離,通過高壓氣流清洗機(jī)將粘附于物料表面的油墨性物質(zhì)去除,再通過渦流分選機(jī)使塑料和有色金屬(主要為鋁)有效分離,最后經(jīng)空氣搖床徹底將塑料與墨粉分離,并對塑料產(chǎn)品分級處理。整個過程處于密封負(fù)壓狀態(tài),通過脈沖式布袋除塵器收集處理過程中的殘留廢墨粉,防止二次污染。

圖2 上海第二工業(yè)大學(xué)設(shè)計的廢棄硒鼓資源化工藝流程Fig.2 Schema of recycling process of waste toner cartridge designed by Shanghai Second Polytechnic University

該處理工藝已在上海某環(huán)保有限公司投入應(yīng)用。實際運行結(jié)果表明,該工藝不僅資源化回收率高(見表1),且環(huán)境風(fēng)險小、無二次污染[12]。

表1 廢棄硒鼓資源化回收率Tab.1 Recovery rate of recycling process of waste toner cartridge

2.2 國外資源化技術(shù)

2.2.1 再制造技術(shù)

在國外,尤其在日本、歐洲以及北美等發(fā)達(dá)地區(qū),對于有價值的廢棄硒鼓基本上都進(jìn)行整件或零部件的再制造[13]。例如瑞典學(xué)者Hermansson等[14]介紹了一種硒鼓全自動清洗技術(shù),主要用于廢舊硒鼓拆解后零部件的清洗,可有效地解決廢舊硒鼓再制造過程中噪音過大、墨粉污染等工程實際問題。該技術(shù)通過與拆解過程、再制造過程相結(jié)合,現(xiàn)已在瑞典Scandi-Toner公司成功應(yīng)用。

而對于無使用價值的報廢硒鼓,通常作為電子垃圾被轉(zhuǎn)移至發(fā)展中國家或落后地區(qū),甚至混合至生活垃圾中進(jìn)入填埋場,對土壤、地下水環(huán)境帶來潛在的威脅。目前,以佳能、三星、兄弟、惠普等打印機(jī)、復(fù)印機(jī)為代表的原設(shè)備生產(chǎn)商已逐漸對廢棄硒鼓進(jìn)行相應(yīng)的收集和回收,并分別利用不同的技術(shù)對廢棄硒鼓進(jìn)行處理處置。

2.2.2 機(jī)械法處理技術(shù)

佳能公司采用的廢棄硒鼓處理工藝(見圖3)相對于國內(nèi)的來說,其工藝復(fù)雜、技術(shù)要求更高,采用了多級粉碎、磁選、風(fēng)選、渦流分選、重選和光電色選等技術(shù)相結(jié)合的方法對廢棄硒鼓進(jìn)行機(jī)械處理,資源利用率較高,并且實現(xiàn)了材料的再生利用。廢棄硒鼓中的每一個組件都被當(dāng)作資源得以重新利用,沒有產(chǎn)生新的廢棄物,實現(xiàn)廢棄硒鼓的100%無填埋處理。

圖3 佳能股份有限公司廢棄硒鼓資源化處理工藝流程Fig.3 Schema of recycling process of waste toner cartridge applied by Cannon Co.,Japan

圖4 Kanagawa-Ken公司廢棄硒鼓處理回收工藝流程圖Fig.4 Schema of recycling process of waste toner cartridge applied by Kanagawa-Ken CO,LTD,Japan

2.2.3 機(jī)械法-物理化學(xué)法處理技術(shù)

由Yoshimitsu[15]發(fā)明的廢棄硒鼓處理裝備,介紹了廢棄硒鼓處理資源化工藝技術(shù),其工藝流程圖如圖4所示。該工藝技術(shù)結(jié)合了物理機(jī)械破碎、分選和化學(xué)溶劑分離方法,有效地解決了墨粉和塑料分離,金屬鐵、鋁和磁性物質(zhì)的分離,并且避免了粉碎過程中發(fā)生爆炸的危險,同時使分離清洗后的物質(zhì)直接回收再利用。但是,由于工藝復(fù)雜、技術(shù)要求高、設(shè)備昂貴等原因,該工藝不適合在國內(nèi)推廣,況且此工藝是否在實際生產(chǎn)中應(yīng)用尚需考證。

3 廢墨粉的資源化處理

廢棄有機(jī)墨粉經(jīng)安全有效收集后,需對其進(jìn)行無害化處置,若處置不當(dāng),會對自然環(huán)境如水體、大氣、土壤造成污染或危害。目前,一般采用的是高溫焚化處置技術(shù),此方法雖然可以滿足處理要求,但處理費用較高,且未實現(xiàn)廢棄墨粉的資源化利用。

劉漫青等[6]介紹了一種廢棄墨粉再生機(jī)制。首先用清洗、干燥、分選等方法對廢墨粉進(jìn)行處理,再按傳統(tǒng)生產(chǎn)墨粉的工藝,經(jīng)過預(yù)混合、混煉、分級、外添等過程重新制作新品種的墨粉。董金慶等[7]發(fā)明了一種廢棄墨粉資源化處理工藝,通過裂解反應(yīng)使得廢棄墨粉中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為燃油、固態(tài)渣體作為水泥添加劑加以利用,從而達(dá)到廢棄墨粉的無害化處理并實現(xiàn)資源化。該技術(shù)于2001年開發(fā)研制,并在大連東泰產(chǎn)業(yè)廢棄物處理有限公司試運行,該方法雖然可行但生產(chǎn)成本遠(yuǎn)大于產(chǎn)品的價值,實際應(yīng)用價值不大。程知萱等[8]介紹了一種將廢棄墨粉制備成超細(xì)氧化鐵紅顏料的方法。將廢棄墨粉置于坩堝中,用馬弗爐于500℃下煅燒,冷卻后得到暗紅色氧化鐵粉末,加入水、蘇打和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合,攪拌后得到均勻分散性好的紅色顏料漿,實現(xiàn)了廢棄墨粉的資源化利用。

4 廢棄硒鼓資源化技術(shù)展望

目前,國內(nèi)處理廢棄硒鼓的技術(shù)還不完善,機(jī)械自動化程度落后,且存在安全隱患、能耗低、工作噪音較大等工程實際問題。應(yīng)用于廢棄硒鼓的破碎設(shè)備主要是傳統(tǒng)的錘式破碎機(jī)或輥式破碎機(jī),此類設(shè)備的能耗大、工作噪音污染嚴(yán)重且存在墨粉爆炸風(fēng)險等缺陷。因此,破碎技術(shù)屬廢棄硒鼓資源化處理工藝的關(guān)鍵步驟,需要結(jié)合破碎動能與墨粉防爆性能兩方面的因素,從而使得破碎設(shè)備向低速高轉(zhuǎn)矩、節(jié)能的方向發(fā)展。而國外的資源化技術(shù),以日本佳能公司的技術(shù)較為先進(jìn),但其工藝復(fù)雜,必然造成設(shè)備投資大、運行費用高等實際問題。同時,目前在歐洲地區(qū),尤其以德國為主,對廢棄硒鼓或者墨盒在進(jìn)行回收利用之前,需對硒鼓進(jìn)行分類收集。例如,惠普公司對歐洲地區(qū)(德國、瑞士、荷蘭等)的廢棄硒鼓進(jìn)行收集、運輸和集中之后,將硒鼓分為惠普硒鼓、非惠普硒鼓以及其他硒鼓幾類,進(jìn)而有針對性地送入相應(yīng)的回收處理廠。在廢棄硒鼓回收處理前的分類回收,可指導(dǎo)未來廢棄硒鼓資源化技術(shù)的設(shè)計發(fā)展。

尋求一種既可改善廢棄硒鼓直接棄至環(huán)境或簡單填埋、焚燒所引起的生態(tài)環(huán)境問題和社會問題,又具有能耗低、設(shè)備造價小等優(yōu)點的資源化技術(shù),是目前解決廢棄硒鼓造成的環(huán)境問題亟需考慮的設(shè)計方向,也是廢棄硒鼓資源化工藝技術(shù)發(fā)展的趨勢。

5 結(jié)語

隨著打印機(jī)、復(fù)印機(jī)等辦公設(shè)備的大量使用,報廢硒鼓的資源化利用將越來越受到研究者的關(guān)注,其中用機(jī)械物理法處理廢棄硒鼓是較為適合我國國情的一種資源化技術(shù)。隨著國家政策的不斷完善和支持,必將推動廢棄硒鼓的資源化利用,對處理技術(shù)和工藝也將提出更高的要求。

目前,我國廢棄硒鼓資源化處理技術(shù)中還存在著一些問題需要重視,主要有以下幾個方面:

(1)要有效控制廢棄硒鼓中的殘留墨粉、砷化硒或硫化鎘涂層等有毒有害物質(zhì),防止處理過程中產(chǎn)生二次污染問題;

(2)由于墨粉具有可燃性,運用機(jī)械破碎處理工藝時,應(yīng)有效解決機(jī)械破碎過程中產(chǎn)生的機(jī)械火花問題,盡可能避免存在的安全隱患;

(3)應(yīng)使資源化處理工藝的成本和能耗最小化,從而提高市場競爭力,以期獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]DAVIS K,SOCOLOF M.Guidelines for the procurement,use and end-of-life management of electronic equipment[R].California,2003.

[2]王建明,黃晨,俞惠明,等.廢棄硒鼓回收處理工藝[P].中國專利:101109925.2008-01-26.

[3]阮菊俊.破碎廢棄硒鼓、廢棄冰箱箱體的渦流分選及工程應(yīng)用[D].上海:上海交通大學(xué),2012.

[4]?STLIN J,EKHOLM H.Lean production principles in remanufacturing-a case study at a toner cartridge remanufacturer[C]//Proceedings of the 2007 IEEE International Symposium on.Orlando,FL:Electronics&the Environment,2007.

[5]WILLIAMS J,SHU L.Analysis of toner-cartridge remanufacturer waste stream[C]//Proceedings of the 2000 IEEE International Symposium on.San Francisco,CA:Electronics and the Environment,2000.

[6]劉漫青,劉樹果.廢棄墨粉的再生機(jī)理及工藝[J].儀器儀表學(xué)報,2004,25(z2):60-61.

[7]董金慶.復(fù)印機(jī)廢棄墨粉處理工藝[J].技術(shù)與市場,2003(1):16-16.

[8]程知萱,楊桂興,宋玲玉,等.一種利用廢棄硒鼓墨粉制備超細(xì)氧化鐵紅顏料的方法[P].中國專利:102796402.2012-11-28.

[9]環(huán)境保護(hù)部.HJ527—2010,廢棄電器電子產(chǎn)品處理污染控制技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社.

[10]王全強(qiáng),段晨龍,張洪建.渦電流操作參數(shù)對鋁分選影響的研究[J].中國資源綜合利用,2005(12):22-25.

[11]TOMATIS L,AGTHE C,BARTSCH H,et al.Evaluation of the carcinogenicity of chemicals:A review of the monograph program of the international agency for research on cancer(1971 to 1977)[J].Cancer Research,1978,38(4):877-885.

[12]周蕾,許振明.我國電子廢棄物回收工藝研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報A,2012(13):155-160.

[13]王利群,冷欣新.廢棄辦公設(shè)備回收處理基金研究[J].中國科技投資,2010(6):45-47.

[14]HERMANSSON H,?STLIN J,SUNDIN E.Development of an automatic cleaning process for toner cartridges[C]//Proceedings of the 14th CIRP Conference on Life Cycle Engineering.Tokyo,Japan:Springer,2007.

[15]YOSHIMITSU S.Waste toner cartridge processing equipment[P].USP:8,128,010.2012-03-06.