廢棄硒鼓的再利用與綠色設計方法

1、廢棄硒鼓的再利用與綠色設計方法（上海第二工業(yè)大學環(huán)境工程學院 上海201209 王景偉 吳雯杰 關杰）摘要：本文介紹了硒鼓的構成及國內(nèi)外資源化處理和再利用技術。通過掃描電鏡（SEM）傅立葉變換紅外光譜（FT-IR）法分別對墨粉的表現(xiàn)特征和成分進行分析，并從有利于再利用和資源化的角度出發(fā)，對硒鼓的綠色設計提出一些建設性的意見。關鍵詞：硒鼓；再利用；SEM；FT-IR；綠色設計1 前言現(xiàn)代辦公設備的穩(wěn)定增長也帶來了與之相配套的墨盒、硒鼓等耗材以每年30%的速度遞增。而這些不可降解的耗材，被當做垃圾丟棄既造成資源浪費，又日益威脅著人們的生存環(huán)境。從表1可以得出：中國近三年激光耗材市場的產(chǎn)量是逐年增加

2、的，全鼓粉盒組件的增長率在9%左右，而再生鼓粉盒組件的增長率在40%左右。根據(jù)此增長率來計算，預計到2009年再生鼓粉盒的報廢量將會超越全新鼓粉盒，通常殘留墨粉占廢氣硒鼓重量的10-20%。塑料占廢氣硒鼓重量的41%左右。在廢棄硒鼓中，對人體危害較大的是墨粉。墨粉中的主要成分炭黑有致癌的作用，它已經(jīng)被國際癌癥研究組織（IARC）列入致癌物質名錄。如果硒鼓等固體廢棄物的回收和再利用不能達到有利于環(huán)境和有利于節(jié)約的目的，那么他們造成的污染將是不容忽視的。表1 中國近三年硒鼓的報廢量、墨粉殘留量和塑料的重量2 硒鼓的組成及墨粉分析2.1 硒鼓的構成硒鼓經(jīng)初步拆解后可以得到感光鼓、塑料蓋、齒輪、磁棒外

3、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。硒鼓的材料組成包括塑料、鐵、磁、鋁、銅片、軟性物質和墨粉。2.2墨粉的結構組成墨粉是由樹脂、炭黑、磁性氧化物、潤滑劑等多種材料合成的一種混合物（見圖1），常溫下性質較為穩(wěn)定，表面粒度較為均勻的微小顆粒，比重輕，難溶于水，化學性質穩(wěn)定。通過掃描電鏡（SEM）放大觀察，可以更清晰的看出，墨粉粒度較為均勻，顆粒呈球形，粒徑大約在3-7m之間。2.3 墨粉的主要成分及熱穩(wěn)定性研究2.3.1 紅外光譜分析采用BRUKER公司生產(chǎn)的Vertex70傅立葉變換紅外光譜儀對樣品為hpC4127X的墨粉，直接置入金剛石池中進行紅外

4、分析。光譜圖如圖3所示：從圖3可以看出（峰位置有少許偏移，是因為有其他基團的影響）。565-580cm-1峰是含有鐵的氧化物的墨粉的一個特征峰，大而寬。根據(jù)這個峰可以準確認定墨粉中是否含有鐵的氧化物。通過紅外實驗發(fā)現(xiàn)：hp的墨粉含有鐵的氧化物。這一點同用相關資料的實驗結果是一致的1。1050cn-1附近的弱吸收峰說明墨粉表面存在C-0單鍵，1630cm-1左右的吸收峰是類醌結構C=0伸縮振動的特征吸收峰，而1700cm-1左右的吸收峰則是COOH上C=0的伸縮振動的特征吸收峰。所以從紅外光譜分析結果可知墨粉表面存在羥基、羧基及醌基等基團。2.3.2 墨粉的熱穩(wěn)定性實驗用料hpC 4127X墨粉

5、，在電烘箱中在110下保溫12h。本文采用的德國Netzsch 公司生產(chǎn)的STA409C TG-DSC 熱分析儀。這種熱分析儀是一種可以進行TG、DTG、DSC三種聯(lián)用的儀器。在程控溫度條件下以10K/min升溫速率氧氣氣氛下（流量為100ml/min），對進行動態(tài)升溫實驗，測量物質和物理化學性質與溫度的關系，失重是由于墨粉燃燒引進的；在沒有出現(xiàn)明顯的失重之前，對應于溫度260，固體的重量基本不變化，熱重曲線幾乎成一平臺，期間發(fā)生微量的失重，這是“玻璃化轉變”現(xiàn)象的一個緩慢過程；當溫度達到一定的數(shù)值時（大約）時，固體的重量發(fā)生急劇變化，試樣開始燃燒放熱，熱失重率變大，試樣的絕大部分失重發(fā)生有該

6、區(qū)域，從DTG（-dw/dt）曲線看出，在375時電路板的失重速率達到最大值，此階段放出的熱量占整體反應的主要部分；最后一個區(qū)域對應于殘留物的緩慢燃燒，并在最后生成炭和灰分。另外從曲線上看熱解失重經(jīng)過劇烈的失重過程后又有一段緩慢的小幅失重過程。主要是因為試樣的量較多，造成熱傳和傳質的速度相當遲緩，造成分解的速度降低的緣故。3 硒鼓的再利用和資源化收集后的廢棄硒鼓一般有兩個去向，如圖4所示。如果其內(nèi)部主要零部件經(jīng)更換或維修可符合加粉要求，則硒鼓經(jīng)過墨粉填充再制造再進入市場銷售，這一過程稱為硒鼓的再利用，這是資源化的最高方式；若主要零部件已經(jīng)不符合加粉要求的硒鼓則只能將其資源化為塑料、金屬、墨粉及

7、其他材料。正常情況下硒鼓再利用次數(shù)不超過4次，之后將進行資源化處置。3.1 硒鼓的再利用3.1.1 硒鼓加粉直接再利用目前硒鼓加粉的方法有兩種：開孔加粉和拆卸加粉。開孔加粉的方法簡單、快速，但其缺點是不能清除廢粉，不能檢查和清潔硒鼓內(nèi)部的零件，密封不嚴會造成硒鼓漏粉，加粉的次數(shù)不能太多。拆卸加粉是按照硒鼓生產(chǎn)裝配的逆過程進行。拆開硒鼓，把感光鼓和清潔輥拿出來，就可以看到硒鼓兩端各有一個用于連接的銷釘。將銷釘從里向外抽出來，使硒鼓分成兩個部分。其次，小心拿出磁輥和彈簧，把分倉里和附著在磁輥上的粉清理干凈。搖勻墨粉把粉均勻地從磁輥的位置上倒進粉倉，也可以從粉盒側面揭開塑料蓋子加入。加完粉后再把拆下

8、來的元器件原路裝回。硒鼓加粉，既保護了環(huán)境，又充分利用了資源。因為硒鼓的價格比較昂貴，更換硒鼓的價格大多在400元左右，如果打印頻繁，相對來說，其成本還是比較“可觀”的，而硒鼓加粉則是這一耗材減少了約70%的成本。關鍵的是為了保證使用效果，就注意硒鼓壽命一般不超過4次，充分量與硒鼓的容量為原裝的95%左右，而加粉的價格卻只有原裝價格的1/3左右。3.1.2 硒鼓的再制造硒鼓再制造過程一般來說可分為簡單再制造和長壽命再制造。簡單再制造也是加粉的過程，而通常我們所說的再制造是通過拆解后對零部件進行檢測、維修和替換（見圖6），并且對再制造產(chǎn)品要逐個性能檢測使其達到和新品 一樣的功能過程。再制造硒鼓就

9、投放市場后相當于全新產(chǎn)品的70-80%的價格，所以市場競爭力較強。長壽命再制造即換上長壽命感光鼓，其感光鼓的壽命可達到7500-10000張紙，相當于三個原裝硒鼓的壽命之和。硒鼓再制造的價格是原裝硒鼓的1/2甚至1/4.湛江惠能墨業(yè)有限公司的墨粉再生，是從費墨粉中把可作為原料使用的占其總重量的70%的原生墨粉粒子，采用物理分離技術將它分離出來，通過補償?shù)姆椒ǎ匦略O計組成配方，再按照傳統(tǒng)制造墨粉的工藝進行生產(chǎn)。其優(yōu)點是使原料成本降低，從根本上消除了廢棄硒鼓造成環(huán)境污染的社會問題。3.2 硒鼓的資源化處理廢棄硒鼓的資源化處理是指通過機械物理方法對鐵磁體、有色金屬、貴金屬和有機物質等分離、回收和利

10、用、穩(wěn)定或去除有害組分，減少對環(huán)境的污染。3.2.1 人工拆解從表4可以了解到硒鼓的組成成分的重量、各成分的百分比和經(jīng)濟價值（磁、軟性物質和墨粉的價格忽略不計）。硒鼓主要是有塑料、鐵、墨粉和磁組成的，所占的百分比分別是41.56%、23.69%、12.42%和10.95%。從表中可以看出具有經(jīng)濟價值的材料是塑料、鐵和鋁，根據(jù)材料的價格，可以計算出總的材料價值是4.66元。而硒鼓的回收價格在20-70元左右，顯然企業(yè)回收處理硒鼓是虧本的。如果其他因素忽略不不計，企業(yè)的經(jīng)濟成本與實際處理量是成正比的。但是企業(yè)的正常運轉，常常會考慮到員工的工資、水電費等等。那么企業(yè)在硒鼓回收處理上所能夠得到的利潤是

11、非常少的。因此，企業(yè)回收處理硒鼓，需要有政府的補助?，F(xiàn)在普遍應用的工業(yè)化方法，工藝復雜、技術要求更高，它將粉碎、磁力分選、電渦流分選、風力分選等技術組合起來。例如：佳能股份有限公司（如圖6所示）將硒鼓先進行一級粉碎，由于墨粉具有粒度細、比重輕、易燃燒的特性，在粉碎過程中金屬部件的碰撞、折斷會產(chǎn)生火花，容易引起爆炸，因此將墨粉、紙屑和塑料這些物質篩分出來。采用磁選設備將鋼軸、刮板、細小鐵件和塑性磁體分選出來。利用電渦流分選把導體與非導體分開的原理，將導體物質（鋁）與金屬、橡膠等物質分開。通過風力分選和粉碎設備，將細小鐵件和密封件標簽分選出。干式重選以空氣作為介質，根據(jù)金屬、聚氨酯和聚乙烯的比重與

12、基材的比重不同，進行重力分選，把金屬、聚氨酯和聚乙烯作為干式重選的產(chǎn)物。余下的物質通過光選設備進一步將金屬、橡膠和樹脂分開。把分選出來的金屬（鐵、銅、鋁）送到金屬冶煉廠熔化、混合，得到成型材料進行再利用。我們經(jīng)過研究在以上工藝的基礎上進行了減化。新金橋工業(yè)廢棄物管理有限公司的硒鼓資源化生產(chǎn)線（上海第二工業(yè)大學設計）為例（如圖5所示），硒鼓粉碎之后，由于硒鼓中韓有一定量的廢墨粉，在處理過程中粉塵的濃度對于后續(xù)處理有一定的影響，因此采用脈沖帶式除塵器將殘留的墨粉出去。磁選根據(jù)物質與材料磁性的差異，把物質與材料分離出來。通過磁選設備，可以將磁性材料與非磁性材料分離開，將鐵和一些含鐵的零件去除掉。高壓

13、氣流清洗機對硒鼓中余下的材料進行清洗。通過手選，將鋁和塑料分開。鋁、鐵和塑料經(jīng)過處理，作為生產(chǎn)的原材料進行再利用。3.2.2 墨粉的資源化處理較為常用的廢棄墨粉資源化處理工藝步驟為：將墨粉放入裂解反應釜內(nèi)加熱（350450），使裂解反應釜處于缺氧或無氧狀態(tài)，有機氣體進入冷卻器中冷凝為液體，經(jīng)過管路流入貯存罐中，部分不凝性有機氣體（低沸點物）貯存或引至爐膛內(nèi)燃燒利用。通過裂解反應，使得廢棄墨粉中的有機物轉化為可燃液體成品油，渣體得到充分的利用，從而達到廢棄墨粉的無害化處理，避免對環(huán)境造成污染。4 硒鼓綠色設計的必要性及實施方法鑒于墨粉粒徑小，比表面積大，表面能大，并且還含有鐵等金屬成分，所需點燃

14、能效，這些均符合可燃性粉塵的條件。而且硒鼓表面的貼條以及密封海綿或橡皮條在粉碎過程中因其韌性不但不易解離，還容易使金屬和塑料發(fā)生纏繞，較易堵住粉碎機吸風口上的篩網(wǎng)，從而使粉碎機內(nèi)部溫度和墨粉密度上升，有可能在硒鼓的粉碎過程中引起粉塵爆炸。如果改成噴碼技術將降低粉碎過程中的爆炸可能性，而且噴碼技術在很多行業(yè)已經(jīng)得到廣泛的應用，具有清潔，高清晰度的標識效果，運行穩(wěn)定，操作簡單，成本經(jīng)濟，無耗材費用等優(yōu)點，對貼條技術而言是一種很好的替代品。綠色、環(huán)保型硒鼓不僅是對使用過的舊硒鼓進行回收再利用，對硒鼓零配件進行清洗、檢測、更換、使之達到最佳的使用標準，還包括在產(chǎn)品設計之初就為硒鼓的再利用及資源化提供便利。傳統(tǒng)的硒鼓綠色設計內(nèi)容和文中所提出的綠色設計意見如表5所示?？梢钥闯?，傳統(tǒng)的綠色設計側重與節(jié)能、低污染、綠色材料及可拆卸性等方面。而本文中提出的綠色設計建議則是從有利于資源化角度出發(fā)，根據(jù)前文的分析，如果這些建議被采納將大大降低硒鼓再資源化過程中粉塵爆炸的可能性。5 結語硒鼓是由金屬、塑料和殘留墨粉組成的。墨粉的平均粒徑在3-7m左右，分布范圍窄，其主要化學成分為氧化鐵、苯乙烯丙烯酸樹脂、聚