黃菊文， 賀文智， 李光明， 盛 力， 施鼎方， 徐竟成

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，環(huán)境科學(xué)與工程國(guó)家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海 200092)

0 引言

電子廢棄物是一種新型的固體廢棄物，近年來(lái)，為世界上增長(zhǎng)速度最快的固體廢棄物，其增長(zhǎng)速度是普通固體廢棄物的3倍［1］。它具有環(huán)境危害性，同時(shí)又具有資源再生利用價(jià)值，因此，電子廢棄物處理與資源化利用已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)高校在本科生中僅開(kāi)設(shè)以生活垃圾為主的固體廢棄物實(shí)驗(yàn)［2-3］，電子廢棄物處理與資源化實(shí)驗(yàn)教學(xué)尚處于探索階段［4］。同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程國(guó)家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心在分析和調(diào)研了國(guó)內(nèi)外環(huán)境類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展水平與實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)和要求，結(jié)合學(xué)科發(fā)展水平和動(dòng)態(tài)，以電子廢棄物處理與資源化研究成果為抓手，自行設(shè)計(jì)適合于本科生實(shí)驗(yàn)的教學(xué)裝置。這一教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的成功研發(fā)，不僅體現(xiàn)著學(xué)科前沿發(fā)展與解決實(shí)際環(huán)境問(wèn)題的特色，注重實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目創(chuàng)新以及實(shí)際應(yīng)用，而且進(jìn)一步完善了本科生固體廢棄物實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次水平提升與創(chuàng)新的重要內(nèi)容［5］。

1 電子廢棄物組成及固體流態(tài)化氣流分選基本原理

1.1 電子廢棄物組成

電子廢棄物各組成材料的循環(huán)再生是保證其最大限度資源化的重要環(huán)節(jié)，而印刷線路板(Printed Circuit Board，PCB)是各類(lèi)電子電器產(chǎn)品中不可缺少的重要部件，具有數(shù)量多、成分復(fù)雜、環(huán)境危害大、潛在回收價(jià)值高等特點(diǎn)［6］。由于PCB中含有銅、鋁、金、銀、鈀等貴重金屬及環(huán)氧樹(shù)脂、塑料、玻璃纖維等有用的資源和鉛、鉻、汞、鎘等重金屬及鹵素阻燃劑等有害物質(zhì)，而且PCB材料組成和結(jié)合方式復(fù)雜，單體解離粒度小，不容易實(shí)現(xiàn)分離。非金屬成分主要是含特殊添加劑的熱固性塑料，處理起來(lái)也比較困難。因此，如何實(shí)現(xiàn)低成本、高效率且二次污染小的金屬與非金屬的有效分離與回收是PCB資源化過(guò)程的關(guān)鍵所在［7-8］。

1.2 固體流態(tài)化氣流分選基本原理

固體流態(tài)化是20世紀(jì)中期興起的一項(xiàng)技術(shù)，它是使一定速度的流體使自下而上通過(guò)一顆粒床層，固體顆粒被流體夾帶形成兩相懸浮體而呈現(xiàn)出類(lèi)似流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的方法。作為研究顆粒與流體相互作用規(guī)律的學(xué)科，流態(tài)化技術(shù)的應(yīng)用研究取得了許多重大進(jìn)展，已經(jīng)成為顆粒與粉體制備、加工、改性和輸送以及改善催化反應(yīng)等的有效手段，并滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域，在化工、石油、冶金、能源、材料、環(huán)保等部門(mén)得到了廣泛應(yīng)用。流態(tài)化技術(shù)具有投資小，處理能力大、操作方便，且易于控制等優(yōu)點(diǎn)，近20年人們開(kāi)始將固體流態(tài)化技術(shù)應(yīng)用于固體物料的分離，其原理是:使待分離的顆粒物料在一定流速氣體或液體的作用下形成流化床，借助不同密度及不同尺寸顆粒物料在流體中的沉降速度不同而使其相互分離［9］。

2 實(shí)驗(yàn)裝置研制

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

將氣流分選技術(shù)應(yīng)用于廢棄印刷電路板的分選富集是基于電路板中金屬和非金屬間的密度差而進(jìn)行的。利用不同物質(zhì)間的密度差進(jìn)行分離操作是選礦工業(yè)普遍采用的方法［10］，其可行性可用下式進(jìn)行評(píng)判。

其中:Dh為重組分材料密度;Dl為輕組分材料密度;Df為介質(zhì)密度。

表1列出了與基于密度差異分選難易程度的關(guān)系［11］。

表1 物質(zhì)按密度差異分離的難易度

由表1可知:當(dāng)|C|＞2.5時(shí)，以密度差異為基礎(chǔ)的分離操作易于將輕重組分分離;|C|減小，分離效果隨之降低，當(dāng)|C|＜1.25時(shí)，這種分離方法便失去其實(shí)用價(jià)值。鑒于金屬與非金屬間有較大的密度差異，氣流分選方法廣泛用于金屬與非金屬的分離。銅是PCB的主要金屬成分，其密度為8.9×103kg/m3，而 PCB中非金屬混合物的密度測(cè)定值為1.8×103kg/m3。若以空氣為流體介質(zhì)(密度為1.2 kg/m3)，則|C|=4.94，遠(yuǎn)高于可進(jìn)行分離的|C|下限1.25。因此，采用基于密度差異的方法對(duì)PCB中的金屬與非金屬進(jìn)行分離可取得良好的效果，為研究設(shè)計(jì)適合于學(xué)生實(shí)驗(yàn)的PCB金屬與非金屬流態(tài)化氣流分選裝置提供了條件［12-13］。原理圖如圖1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

(1)組成。研制的PCB金屬與非金屬流態(tài)化氣流分選裝置如圖2所示，由引風(fēng)機(jī)、流態(tài)化氣流分選裝置(流化床)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、U型測(cè)壓裝置、旋風(fēng)分離器和袋濾器等組成。流態(tài)化分選裝置由外徑40 mm，長(zhǎng)度400 mm的有機(jī)玻璃管組成。

圖1 電子廢棄物氣流分選原理圖

圖2 電子廢棄物氣流分選實(shí)驗(yàn)裝置

(2)工藝流程。將一定粒度的印刷線路板粉碎料送入流態(tài)化氣流分選流化床內(nèi)，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，用閥門(mén)緩慢調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)流量至適宜大小;進(jìn)入流化床內(nèi)的PCB粉碎料在經(jīng)由風(fēng)機(jī)與流化床底部分布板均勻分布的氣流的作用下充分流化;在流化床內(nèi)，PCB粉碎料中不同材質(zhì)的顆粒，因密度差沿流化床自下而上形成金屬富集層及非金屬富集層;流化床內(nèi)分層的金屬沉降在流化床底部，位于設(shè)備上部的非金屬輕組分富集層在氣流的作用下以稀相輸送方式流經(jīng)旋風(fēng)分離器進(jìn)行分離回收，夾帶少量微細(xì)粉塵的空氣經(jīng)袋濾器過(guò)濾后排空。

(3)特點(diǎn)。PCB金屬與非金屬流態(tài)化氣流分選裝置的特點(diǎn)有:①設(shè)備小型化。該裝置體積小、功能全，能全面完成金屬與非金屬的氣流分選及流態(tài)化曲線測(cè)試等實(shí)驗(yàn)工作。②功能模塊化。各部件安裝維護(hù)方便，既相互聯(lián)系又彼此獨(dú)立，發(fā)揮協(xié)同作用。③操作簡(jiǎn)便化。本工藝為以空氣為介質(zhì)的干法物理過(guò)程，分離所得產(chǎn)品無(wú)需干燥處理，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。④環(huán)境影響最小化。PCB組成物料間的分離富集過(guò)程在密閉的流態(tài)化分離裝置內(nèi)完成，分離富集后的金屬與非金屬分別在流態(tài)化分離裝置、旋風(fēng)分離器內(nèi)與空氣分離，空氣中夾帶的難以分離的微量細(xì)小飛揚(yáng)粉塵經(jīng)袋濾器進(jìn)行捕集，因此整個(gè)操作過(guò)程基本無(wú)粉塵產(chǎn)生，環(huán)境影響小。

3 實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用

該教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置主要應(yīng)用于氣流分選富集回收金屬與非金屬、流態(tài)化曲線測(cè)試兩部分。

(1)氣流分選富集回收金屬與非金屬?？疾鞖饬魉俣?、顆粒粒度以及物料量對(duì)氣流分選效果影響。稱(chēng)取一定質(zhì)量篩分物料加入分選裝置中，由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流經(jīng)分布板流經(jīng)床層使物料松動(dòng)，調(diào)節(jié)氣體流速，使得沉降速度小于操作氣速的非金屬顆粒被上升氣流帶出裝置，由旋風(fēng)分離器和袋濾器收集成為輕組分;大部分金屬顆粒落入裝置底部，成為重組分產(chǎn)品回收。

(2)流態(tài)化曲線測(cè)試。稱(chēng)取一定質(zhì)量的篩分物料加入分選裝置中，由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流經(jīng)分布板流經(jīng)床層，調(diào)節(jié)氣體流量控制閥，逐漸加大流量，根據(jù)水U形壓差計(jì)讀數(shù)記錄每個(gè)流速下的床層壓降。將此床層壓降減去相同氣速下的空床壓降，可以得到該氣速下的物料床層壓降。根據(jù)物料床層壓降Δp和表觀氣速u(mài)繪制物料流態(tài)化曲線，從而確定顆粒床層的最小流態(tài)化速度與各種流態(tài)化狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中考察了不同粒度范圍的廢棄印刷電路板粉碎料測(cè)定的流態(tài)化曲線。

4 結(jié)語(yǔ)

鑒于流態(tài)化技術(shù)的特點(diǎn)與印刷線路板組成材料的特性，研究設(shè)計(jì)并制造了適合于學(xué)生實(shí)驗(yàn)的PCB中金屬與非金屬流態(tài)化氣流分選裝置，實(shí)現(xiàn)了PCB中金屬及非金屬富集體的有效分離。該裝置的成功開(kāi)發(fā)不僅完善了固體廢棄物處理與資源化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系和項(xiàng)目的系統(tǒng)設(shè)置，拓展了學(xué)生的思維能力，增強(qiáng)了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，而且在培養(yǎng)環(huán)境科技創(chuàng)新人才上起到了關(guān)鍵性作用，滿足了培養(yǎng)具有時(shí)代特征的高素質(zhì)環(huán)境科技人才的需要。

［1］梁曉輝，李光明，黃菊文，等.上海市電子廢棄物產(chǎn)生量預(yù)測(cè)與回收網(wǎng)絡(luò)建立［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(5):1115-1120.

LIANG Xiao-hui， LIGuang-ming， HUANG Ju-wen， etal.Estimation of waste electrical and electronic equipment(WEEE)generation and establishment of a recovery network in Shanghai［J］.Acta Scientiae Circumstantiae，2010，30(5):1115-1120.

［2］王 艷，汪建飛，周 毅.《固體廢棄物處理與處置》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新［J］.赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，28(12):48-49.

WANG Yan，WANG Jian-fei，ZHOU Yi.Reform and innovation of experimental teaching of solid waste treatment and disposal［J］.Journal of Chifeng University(Natural Science Edition)，2012，28(12):48-49.

［3］王洪波，謝 冰，張 華，等.固體廢物處理與處置實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革探討［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，27(3):351-354.

WANG Hong-bo，XIE Bing，ZHANG Hua，etal.Studyon experimental course teaching reform of solid waste treatment and disposal［J］.Journal of Shandong Jianzhu University，2012，27(3):351-354.

［4］李彥文，尹 華，趙 玲，等.固體廢棄物處理與處置實(shí)踐教學(xué)探討［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2008(2):161-163.

LI Yan-wen，YIN Hua，ZHAO Ling.Study on practice teaching of solid waste treatment and disposal［J］.Laboratory Science，2008(2):161-163.

［5］黃菊文，賀文智，李光明，等.電子廢棄物處理與資源化實(shí)驗(yàn)的研究與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2012，15(5):84-87.

HUANG Ju-wen，HE Wen-zhi，LI Guang-ming，et al.Study and practice of e-waste treatment and resource recycling experiment［J］.Laboratory Science，2012，15(5):84-87.

［6］龔衛(wèi)星，王光輝.電子廢棄物循環(huán)利用技術(shù)現(xiàn)狀［J］.中國(guó)資源綜合利用，2012，30(9):43-46.

GONG Wei-xing， WANG Guang-hui.Electronic waste recycling technology and environmental protection measures［J］.China Resources Comprehensive Utilization，2012，30(9):43-46.

［7］丁 濤，夏志東，毛倩瑾，等.廢棄印刷線路板的氣流分選研究［J］.電子工藝技術(shù)，2006，27(6):348-351.

DING Tao，XIA Zhi-dong，MAO Qian-ji，et al.Pneumatic separation research of printed circuit board scrap［J］.Electronics Process Technology，2006，27(6):348-351.

［8］殷 進(jìn)，李光明，徐 敏，等.廢棄印刷線路板中金屬的氣流分選富集［J］.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，11(2):74-78.

YIN Jin，LI Guang-ming，XU Min，et al.Pneumatic separation and richment of metal in printed circuit board scraps［J］.Journal of Yangzhou University(Natural Science Edition)，2008，11(2):74-78.

［9］高洪濤，周 晶，司崇殿，等.固體流態(tài)化探索性實(shí)驗(yàn)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27(8):144-146.

GAO Hong-tao，ZHOU Jing，SI Chong-dian，et al.Explorationoriented experiments ofsolid fluidization［J］. Experimental Technology and Management，2010，27(8):144-146.

［10］牛福生，張錦瑞，倪 文.礦物加工技術(shù)在固體廢物分選中的應(yīng)用［J］.中國(guó)礦業(yè)，2005，14(6):56-58.

NIU Fu-sheng，ZHANG Jin-rui，NI Wen.Application of mineral processing in solid waste separation ［J］.China Mining Magazine，2005，14(6):56-58.

［11］王淀佐，盧壽慈，陳清如，等.礦物加工學(xué)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［12］徐 敏，李光明，殷 進(jìn)，等.廢棄線路板的破碎解離和氣流分選研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2007，30(5):72-74.

XU Min，LI Guang-ming，YIN Jin，et al.Crushing and pneumatic separation of printed circuit board scraps［J］.Environmental Science＆ Technology，2007，30(5):72-74.

［13］王海鋒，段晨龍，溫雪峰，等.電子廢棄物資源化處理現(xiàn)狀及研究［J］.中國(guó)資源綜合利用，2004(4):7-9.

WANG Hai-feng，DUAN Chen-long，WEN Xue-fen，et al.Current situation of electronic scrap reutilization and its technology research［J］.China Resources Comprehensive Utilization，2004(4):7-9.