世界废弃印刷电路板的机械处理技术现状.doc

本文由峰是白色的贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第 2 卷第 1 期 2001年2月 环境污染治理技术与设备 Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control Vol . 2 , No . 1 Feb . , 2 0 0 1 世界废弃印刷电路板的 机械处理技术现状 白庆中 王 晖 韩 洁 聂永丰 ( 清华大学环境科学与工程系 , 北京 100084) 摘 要 电子废弃物中废印刷电路板的处置 ,一直是相当复杂的问题 。根据废电路板中各种组分 的结合方式 ,采用机械方法进行材料的分离 ,是经济适用并与环境相协调的处理手段 。本文介绍了废电 路板再利用技术中采用的各种机械设备 ,并总结了国外机械处置方法的实践进展 。 关键词 废印刷电路板 机械回收 电子废弃物 The status of technology and research of mechanical recycl ing of printed circuit board scrap Bai Qingzhong Wang Hui Han Jie Nie Yongfeng (Depart ment of Environmental Science and Engineering , Tsinghua University , Beijing 100084) Abstract Printed circuit board scrap is recognized as a challenge to disposal. From t he view of environment and economy , it is one of t he effective ways to recycle t he PCBs wit h t he mechanical met hods. In t his article , t he aut hors int roduce t he mechanical equip ment s used in t he recycling of t he PCBs and make a brief conclusion to t he relevant progressing practices abroad. Key words printed circuit board scrap ; mechanical recycling ; elect ronic scrap 1 简 介 印刷电路板 ( PCB ) 是电子产品的重要 组成部分 。随着信息设备更新换代速度的 加快 ,产生了大量的电子废弃物 , 废印刷电 路板的数量也逐年增加 。 废印刷电路板的回收是一个相当复杂 的问题 。由于材料组成和结合方式复杂 ,单 体解离粒度小 ,不容易实现分离 。非金属成 分则主要是含特殊添加剂的热固性塑料 ,处 置起来比较困难 。 以前 ,废电路板回收技术主要着重于对 收技术已经不符合资源再利用的发展趋势 。 目前 ,回收技术的基本发展方向是实现包括 铁磁体 、 有色金属 、 贵金属和有机物质的全 部材料再利用 。 现在最常用的回收技术主要有机械处 理、 湿法冶金 、 火法冶金或几种技术相结合 的方法 。机械处理技术包括拆卸 、 破碎 、 分 选等方法 ,不需要考虑产品干燥和污泥处置 等问题 ,符合当前的市场要求 , 而且还可以 在设计阶段将可回收再利用的性能融入产 品当中 ,因此 ,具有一定的优越性 。 但需要注意的是 ,现在直接将机械方法 贵重金属回收 。但随着 70 年代后期贵金属 称为回收技术 ,实际上忽略了分选的物料还 用量的减少 ,以贵金属再利用为主的传统回 要进行后续处理的问题 , 如冶炼 、 填埋或焚 85 期 1 白庆中等 : 世界废弃印刷电路板的机械处理技术现状 烧等 。所以 ,称其为材料的富集或分离技术 相色谱等分析方法 。 似乎更好 。 瑞典的 R nnsk r 冶炼厂分析了个人计 算机 ( PC) 中使用的印刷线路板 , 其典型组 2 废印刷电路板的组成 成见表 1 2 。 废电路板的回收方法依赖于板的性质 , 不同电子设备的电路板中元素的组成 因此从定性和定量的角度确定废电路板上 和含量会有差别 ,例如 ,有研究表明 ,电视机 各种物质的组成和含量 ,对处理技术的环境 影响和效益评价非常重要 。 常用的分析方法有下面几种 1 。X 射 线荧光法可以进行定量和定性分析 ; 原子吸 收光谱法可以定量地获得几乎所有元素的 确切数据 ; 质谱测定法和热重分析法相结 合 ,可以测定有机物的含量及其热行为 ; 另 外还可以采用红外光谱 、 核磁共振 、 高效液 中印刷电路板上贵金属的含量比计算机少 , 铁、 铅和镍的含量多 , 但所含元素的种类基 本相同 3 。 另外 ,电路板上几乎装配了各种类型的 电子元件 , 以 PC 为例 , 德国 Angerer 等人 1993 年的研究报告列出了三种品牌 PC 中 PCB 的电子元件种类及数量 ,见表 2 4 。 表 1 PC 中 PCB 的组成元素分析 成 分 含 量 成 分 含 量 成 分 含 量 成 分 含 量 Ag 3300g/ t Bi 0. 17 % Fe 5. 3 % Sr 10g/ t Al 4. 7 % Br 0. 54 % Ga 35g/ t Sn 1. 0 % Al 1. 9 % C 9. 6 % Mn 0. 47 % Te 1g/ t As 0. 01 % Cd 0. 015 % Mo 0. 003 % Ti 3. 4 % Au 80g/ t Cl 1. 74 % Ni 0. 47 % Sc 55g/ t S 0. 10 % Cr 0. 05 % Zn 1. 5 % I 200g/ t Ba 200g/ t Cu 26. 8 % Sb 0. 06 % Hg 1g/ t Be 1. 1g/ t F 0. 094 % Se 41g/ t Zr 30g/ t SiO2 15 % 表 2 PC 中的 PCB 及其电子元件 型号 1 2 3 生产 时间 1988 1985 1980 PCB 数 PCB 中的电子元件数量 ( 块) L ED 3 9 - 量 ( 块) 变压器 电池 7 2 1 14 2 3 2 - 电位计 集成电路 二极管 7 15 2 78 209 81 52 33 248 电容器 184 297 114 电阻器 138 344 86 晶体管 15 41 18 1 所列的大量元素主要存在于这些 表 电子元器件中 。因此 , 在处理废电路板时 , 预先将电子元器件拆卸下来单独处理 ,可以 机械处理方法是根据材料的物理性能 富集有价物质 、 减少处理成本 。 不同进行分选的手段 ,广泛采用了原料加工 目前 PCB 的基板材质多为玻璃纤维增强 行业发展成熟的破碎和分选技术 。 的环氧树脂覆铜板 ,含有卤化阻燃剂 ,燃烧时 311 破碎及筛分设备 可能产生危险的二苯二和二苯呋喃。 对于机械分离技术来讲 ,各种材料尽可 3 常用的机械处理设备 86 境 污 染 治 理 技 术 与 设 备 卷 环 2 能充分地单体解离是高效率分选的前提 。 破碎程度的选择不仅影响到破碎设备的能 源消耗 ,还将影响到后续的分选效率 , 所以 说破碎是关键的一步 。 常用的破碎设备主要有锤碎机、 锤磨机、 切碎机和旋转破碎机等。由于拆除元器件后 的废电路板主要由强化树脂板和附着其上的 铜线等金属组成 ,硬度较高、 韧性较强 ,采用 具有剪、 切作用的破碎设备可以达到比较好 的解离效果 ,如旋转式破碎机和切碎机。 瑞典的 Scandinavian Recycling AB ( SR) 研究发现 ,一般破碎到 0. 6mm 时金属基 本上可以达到 100 %的解离5 , 但破碎方式 和级数的选择还要视后续工艺而定。不同的 分选方法对进料有不同的要求 ,破碎后颗粒 的形状和大小 ,会影响分选的效率和效果。 另外 ,废电路板的破碎过程中会产生大 量含玻纤和树脂的粉尘 ,阻燃剂中含有的溴 主要集中在 0. 6mm 以下的颗粒中 5 , 而且 连续破碎时还会发热 , 散发有毒气体 。因 此 ,破碎时必须注意除尘和排风 。 312 分选设备 涡流分选机是利用涡电流力分离金属 和非金属的方法 ,现在已被广泛地应用于从 电子废弃物中回收非铁金属 。它特别适用 于轻金属材料与比重相近的塑料材料 ( 如铝 和塑料) 之间的分离 , 但要求进料颗粒的形 t re 研制了一种分离金属和塑料的电分选 开发了一种旋转式破碎机 5 , 在中间转筒 分选阶段主要利用废电路板中材料的 周围安装着一套能够自由旋转的压碎环 ,依 磁性 、 电性和密度的差异进行分选 。 ( 1) 电选和磁选 靠压碎环与设备内壁之间的剪切作用破碎 物料 。使用这种破碎机可以减小解离后金 废电路板破碎后 ,可以用传统的磁选机 属的缠绕作用 。而锤磨机破碎的缺点之一 将铁磁性物质分离出来 。 是解离的金属容易缠绕成球状 。 使用切碎机也可以获得好的解离效果 , 主要依靠旋转切刀和固定切刀之间的剪切 力破碎物料 ,解离的金属也不易缠绕 。 日本 N EC 公司的回收工艺采用两级破 碎 ,分别使用剪切破碎机和特制的具有剪断 状规则 、 平整 ,而且粒度不能太小 。 和冲 击 作 用 磨 碎 机, 将 废 板 粉 碎 成 静电分选机也是常用的分离非铁金属 0. 1 3mm左右的碎块 。特制的磨碎机 和塑料的方法 ,进料颗粒均匀时分选效果较 0. 中使用复合研磨转子 ,并选用特种陶瓷作为 好 。 研磨材料 6 。 德国 Daimler2Benz Ulm Research Cen2 瑞士 Result 技术公司开发了一种在超 音速下将涂层线路板等多层复合制件破碎 的新设备 。它利用各种层压材料的冲击和 离心特性不同 , 将多层复合材料彼此分开 。 不同材料的变形情况不同 ,脆性材料碎成粉 末 ,金属则形成多层球状物 。 现在废电路板的破碎也开始使用低温 金属充分解离后 ,利用材料间比重的差 破 碎 技 术 。德 国 Daimler2Benz Ulm Re2 异可以进行分离 ,金属在合金状态时比重的 search Cent re 在破碎阶段用旋转切刀将废 变化对分选效果的影响不大 9 。 板切成 2cm 2cm 的碎块 , 磁选后再用液氮 风力分选机和旋风分离器可以分选塑 冷却 ,然后送入锤磨机碾压成细小颗粒 , 从 料和金属 。风选机还可以分选铜和铝 ,但设 而达到好的解离效果 7 ,8 。 备性能不太稳定 ,受进料影响较大 。 机 ,在控制的条件下可以分离尺寸小于 0. 1mm 的颗粒 , 甚至能够从粉尘中回收贵重 金属 ,而这些粉尘在其他工艺中仅仅被当作 危险废弃物 7 ,8 。 ( 2) 密度分离技术 87 期 1 白庆中等 : 世界废弃印刷电路板的机械处理技术现状 风力摇床技术主要用于选种和选矿行 矿产局 ( USBM) 采用物理方法处理军用电子 业 ,也称重力分选机 , 现在也已经成功地用 于电子废弃物的商业化回收 。颗粒在气流 作用下分层 ,下面的重颗粒受板的摩擦和振 动作用向上移动 ,轻颗粒则由于板的倾斜度 而向下漂移 ,从而将金属和塑料分离 。风力 摇床要求进料的尺寸和形状不能相差太大 , 否则不能进行有效分层 。因此破碎后必须 仔细分级 ,采用窄级别物料分别进行重选 。 具体采用哪种设备更适用 、 更经济 , 要 根据采用的回收工艺 、 设备的最佳操作条件 和分选要达到的纯度和回收率来确定 。 废弃物的尝试 ,采用了锤磨机、 磁选、 气流分 选、 电分选和涡电流分选等冶金和矿物加工 技术10 ,可能由于费用较高 ,没有获得进一 步的商业发展。同一时期开始 ,西欧一些国 家也开始研究电子废弃物的机械处理。90 年代后 ,机械处理方法不仅在西欧和美国得 以实施 ,在日本、 中国台湾和新加坡都已经开 始研究并进行了工业规模的回收利用。 瑞典的 Scandinavian Recycling AB ( SR) 是世界上最大的回收公司之一 ,一直致力于 实施和开发电子废弃物的机械处理技术和 设备 。这个公司关于电子废弃物处理的基 4 国外机械处理方法的发展和应用 本流程 ( 见图 1) ,涵盖了目前机械处理的基 机械处理方法最早始于 70 年代末美国 本方法 10 。 图1 电子废弃物处理的基本流程 ( SR AB ,瑞典) 电子废弃物一般拆分成电路板 、 电缆电 411 废电路板上电子元器件的拆卸 线、 显像管等几类 , 根据各自的组成特点分 拆卸下来的电子元器件进行可靠性检 别进行处理 , 处理流程类似 。目前 , 废电路 测后可重新使用 , 从而降低制造商的成本 。 板的回收利用基本上分为电子元器件的再 含有害物质的电子元器件进行选择性分离 利用和金属 、 塑料等组分的分选回收两个步 后再单独处理 , 可以防止污染后续工艺 , 减 骤来进行 。 少后续处理成本 。某些元器件中贵金属的 88 境 污 染 治 理 技 术 与 设 备 卷 环 2 品位远高于矿石 , 拆卸后可以富集有价物 质 ,减少再加工成本 。 目前 ,拆卸一般由手工完成 ,但随着废板 数量的日益增多 ,必须考虑拆卸的效率问题。 另外 ,拆卸时还不能损坏电子元器件 ,因此采 用自动拆卸的方法更符合机械化的发展要 求。 日本 N EC 公司开发了一套自动拆卸废 电路板中电子元器件的装置 11 。这种装置 主要利用红外加热和两级去除的方式 ( 分别 利用垂直和水平方向的冲击力作用) 使穿孔 元件和表面元件脱落 , 不会造成任何损伤 。 然后再结合加热 、 冲击力和表面剥蚀技术 , 使电路板上 96 %的焊料脱焊 , 用作精炼铅 和锡的原料 。 德国的 FAPS 一直在研究废电路板的 德国 Kamet Recycling Gmbh ( 公司 ) 采 用的处理工艺是通过破碎 、 、 、 重选 磁选 涡流 分离的方法获得铁 、 、 铝 贵金属和有机物等 13 几个 组 分 。德 国 Trischler und Part ner Gmbh ( 公司) 的处理方法与之基本相同 14 。 这也是目前最常用的机械处理工艺 ,一般经 过这样的处理后 , 废电路板中 90 %的金属 和塑料得以回收 ,10 %左右的剩余物质 ( 包 括很难进一步处理的细粒物料 、 粉尘等 ) 则 根据成分的性质填埋或焚烧 。目前这种处 理工序已经实现机械化和自动化 。 7 ,8 德国 Daimler2Benz Ulm Research Cen2 t re 在以前处理方法的基础上 ,开发了四 段式处理工艺 : 预破碎 、 液氮冷冻后粉碎 、 分 类、 静电分选 。具体采用的工艺见图 2 。这 种方法具有三个特点 : ( 1 ) 液氮冷却有利于 自动拆卸方法 12 , 采用与电路板自动装配 破碎 ; ( 2) 破碎时会产生大量的热 ,在整个粉 方式相反的原则进行拆卸 ,先将废电路板放 碎过程中持续通入 - 196 的液氮可以防止 入 加 热 的 液 体 中 融 化 焊 料 , 再 用 一 种 塑料燃烧 ( 氧化) , 从而避免形成有害气体 ; SCARA 机械装置根据构件的形状分检出可 ( 3) 以前的工艺在分离小于 1mm 的细粒时 用的构件 。 一般就达到极限 ,而公司研制的电分选设备 可以分离尺寸小于 0. 1mm 的颗粒 , 甚至可 以从粉尘中回收贵重金属 。即使贵金属的 含量很少 ,采用这种方法还可以获得一定的 经济效益 , 目前回收这种废物的纯利润近 3500 德国马克/ t 。 现在 ,自动拆卸技术还处于可行性研究 阶段 ,其发展受技术和经济两方面因素的制 约 。一项拆卸方法是否适用 ,还要综合考虑 拆卸 、 、 、 测试 回收 销售等费用问题 。 412 拆除元件的废板机械处理工艺 日本 N EC 公司开发的处理工艺见图 可以得到铜含量约 82 % ( 重量 ) 的铜粉 , 其 中超过 94 %的铜得到了回收 。树脂和玻璃 制破碎设备将废板粉碎成小于 1mm 的粉 纤维混合粉末尺寸主要在 100 m 之 300 末 ,这时铜可以很好地解离 , 而且铜的尺寸 间 ,可以用作油漆 、 涂料和建筑材料的添加 远大于玻璃纤维和树脂 。再经过两级分选 剂 。 3 11 。其特点是采用两段式破碎法 , 利用特 图2 Daimler2Benz Ulm Research Centre 的废电路板处理工艺 89 期 1 白庆中等 : 世界废弃印刷电路板的机械处理技术现状 图 3 N EC 公司开发的废电路板处理工艺 经过分选富集的金属一般再送到金属 冶炼公司进行深加工或是进行电解提纯 ,有 机物的回收方案有以下几种 : 焚烧回收其中 的热值 ( 需要注意尾气的处理) ,或是作为粉 料用作涂料 、 筑路材料及塑料的填料等 。 的增长给环境带来极大的压力 ,成为一个亟 待解决的问题 。由于废电路板中含有大量 的有价物质 ,采用机械分离的方法将其回收 利用 ,既符合环境要求 , 又可以获得一定的 经济利益 。目前 ,机械分离方法还处于发展 阶段 ,现有的工艺还需要进一步完善 , 以提 高回收率和回收纯度 ,同时我们还要开发新 的处理设备 ,以寻找更有效的处理手段 。 参考文献 413 金属及塑料的后续处理 5 Shunli Zhang , Eric Forssberg. Intelligent Liberation gy , 1999 , 105 : 295 301 5 结 语 6 Yokoyama S , Iji M. Recycling of Printed Wiring Board tional Workshop on Advanced Robotics , 1993. 55 58 7 Melchiorre M , Jakob R. Electronic Scrap Recycling. xxii xxiv 废印刷电路板属于危险废弃物 ,其数量 8 Melchiorre M. , Jakob R. Neuartiges Verfahren zur Aufbereitung von Elektronikschrott - Ein Beitrag zur wirtschaftlichen Rohstoffgewinnung. Galvanotechnik , 1996 , 87 (12) : 4136 4140 9 Shunli Zhang , Eric Forssberg. Mechanical recycling of electronics scrap2t he current status and prospects. 128 Conservation and Recycling , 1997 , 21 : 247 269 1993. 55 58 1994. 81 86 Metall , 1990 ,48 : 880 885 1 Brodersen K , Tartler D. Scrap of electronics - a chal2 176 2 Theo Lehner. Integrated recycling of non2ferrous metals at Boliden Ltd. R nnsk r Smelter. IEEE International Symposium on Electronics & t he Environment , 1998. 42 47 3 Jens Brobech Legart h. Environmental decision making cycling ,. 1997 , 19 :109 135 4 Angerer G , B tcher K. 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