甲基磺酸-雙氧水體系對印刷電路板拆解技術(shù)

甲基磺酸-雙氧水體系對印刷電路板拆解技術(shù)張曉嬌淳B耀廣;張承龍;關(guān)杰【摘要】廢印刷電路板上元器件的拆解技術(shù)是電路板資源化再利用的重要環(huán)節(jié).通過研究甲基磺酸-雙氧水體系下元器件的脫落率，得出優(yōu)化的實驗條件為:甲基磺酸濃度范圍為3.0~3.5mol/L,雙氧水濃度范圍為0.4~0.6mol/L,反應(yīng)時間45min.在該實驗條件下，實驗樣品中焊接元器件脫落率達到100%,實現(xiàn)了電路板基板與元器件的快速高效分離，為廢舊電路板上元器件的拆解技術(shù)提供一定的技術(shù)支撐.【期刊名稱】《上海第二工業(yè)大學學報》【年(卷)，期】2018(035)002【總頁數(shù)】4頁(P94-97)【關(guān)鍵詞】電子廢棄物;印刷電路板拆解;脫落率;甲基磺酸【作者】張曉嬌;郭耀廣漲承龍;關(guān)杰【作者單位】上海第二工業(yè)大學電子廢棄物研究中心，上海201209;上海第二工業(yè)大學上海電子廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，上海201209;上海第二工業(yè)大學資源循環(huán)科學與工程中心，上海201209;上海第二工業(yè)大學環(huán)境與材料工程學院，上海201209;上海第二工業(yè)大學資源循環(huán)科學與工程中心，上海201209;上海第二工業(yè)大學電子廢棄物研究中心，上海201209;上海第二工業(yè)大學上海電子廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，上海201209;上海第二工業(yè)大學資源循環(huán)科學與工程中心，上海201209;上海第二工業(yè)大學環(huán)境與材料工程學院，上海201209;上海第二工業(yè)大學資源循環(huán)科學與工程中心，上海201209【正文語種】中文【中圖分類】X7050引言隨著科技的進步、電子產(chǎn)品更新?lián)Q代加速，市場需求的日益膨脹以及產(chǎn)品使用限期縮短的到來,造成電子電氣設(shè)備數(shù)量的急劇增加［1-4］。相對于其他消費品來說，由于電子產(chǎn)品在軟件應(yīng)用和功能研發(fā)方面的快速變化導(dǎo)致電子產(chǎn)品的使用壽命相對較短。印刷電路板（printedcircuitboard,PCB）是電子元器件電氣連接的提供者,PCB作為電子產(chǎn)品的核心部件，其數(shù)量也隨之增長［5-7］。PCB中雖然含有大量的有害物質(zhì)，但也含有豐富的金屬資源,通過合理的處理處置可實現(xiàn)〃變廢為寶”，達到保護環(huán)境，緩解資源緊張的目的。因此,PCB的處理處置是電子廢棄物資源化領(lǐng)域所關(guān)注的熱點問題［8-11］。如何有效處理處置廢棄PCB是包括中國在內(nèi)的信息電子行業(yè)發(fā)展較快的國家所面臨的共同難題。然而，到目前為止，盡管電路板的組裝和裝配過程已經(jīng)實現(xiàn)了很高的自動化，但其工業(yè)化的拆解過程仍主要處于技術(shù)含量很低的手工操作狀態(tài)，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。本研究中采用電鍍鉛錫合金工藝中常用的甲基磺酸體系，可以快速實現(xiàn)對鉛錫焊料的選擇性溶解，無需加熱，經(jīng)濟實用;通過鉛錫焊料的溶解，可以實現(xiàn)元器件的脫焊和拆解，同時又有利于拆解后產(chǎn)物的資源化再利用，提高了PCB的拆解效率。1實驗部分1.1實驗材料和設(shè)備甲基磺酸（質(zhì)量分數(shù)102%,分析純）,雙氧水（質(zhì)量分數(shù)30%,分析純），硝酸（質(zhì)量分數(shù)69.8%,分析純），液晶顯示器主板（來自廢舊顯示器），實驗中所使用的PCB材料均為統(tǒng)一定制的同種規(guī)格的電路板,電路板都經(jīng)過了覆銅、穿孔、焊接電子元器件等基本程序，對實際廢棄PCB上的焊接元器件具有代表性。1.2實驗原理該方法對PCB的拆解主要是對焊接元器件弓I腳的脫除。焊料［12-13］的主要成分是鉛和錫(鉛質(zhì)量分數(shù)為37%,錫質(zhì)量分數(shù)為63%)。雙氧水和錫、鉛間的標準電極電位E0差值很大，其與錫的標準電極電位差值為1.912V,與鉛的標準電極電位差值為1.902V,所以反應(yīng)較容易進行［14-15］。當廢棄PCB浸入溶液后,雙氧水和鉛錫焊料迅速發(fā)生氧化還原反應(yīng)，鉛、錫很快被溶出。表1金屬的標準電極電位Tab.1Standardelectrodepotentialofmetals?1.3可行性研究對實驗的可行性研究有兩方面,一是理論的研究,二是實驗的研究。實驗是檢驗理論的標準，通過查閱大量的文獻［2,14］進行理論研究，并在此基礎(chǔ)上進行實驗探索，通過對PCB進行拆解實驗，表明該方法可行，圖1所示為拆解實驗效果圖。圖1拆解實驗圖Fig.1Diagramofdismantlingexperiment1.4影響因素通過對實驗試劑的分析以及實驗過程的觀察和探索，發(fā)現(xiàn)影響元器件引腳脫落效率的主要因素有：酸濃度。酸濃度對整個拆解過程的影響及后續(xù)利用具有至關(guān)重要的作用，酸濃度大小要適宜。若酸濃度太小,反應(yīng)啟動困難，反應(yīng)速度較慢才斥解效率較低;若酸濃度過大，會對除鉛、錫以外的其他金屬溶解腐蝕,不利于酸液的后續(xù)處理利用，此外對電子元器件的損壞程度可能變大。氧化劑濃度。氧化劑在拆解過程中的作用主要是助鉛、錫溶解，是整個反應(yīng)過程中必不可少的組分,占溶液的體積分數(shù)較小。反應(yīng)時間。反應(yīng)時間是衡量拆解效率的一個重要指標。在酸濃度和氧化劑濃度滿足合適的條件時，反應(yīng)時間越短越好。既可以提高拆解效率,同時也可以減短電路板的浸泡時間，減輕對元器件的損害。1.5技術(shù)路線通過對酸試劑和氧化劑的選擇，確定了實驗影響因素，并在此基礎(chǔ)上確立印刷電路板拆解的實驗技術(shù)路線見圖2。圖2實驗技術(shù)路線Fig.2Experimentaltechnicalroute1.6評價指標采用此類濕法拆解技術(shù)的關(guān)鍵是實現(xiàn)焊接弓I腳的脫落從而實現(xiàn)拆解，同時抑制基板中銅的溶解，有利于各組分的后續(xù)回收。因此評價該實驗方法的重要指標是元器件的引腳脫落率n，計算公式如下：式中,n為脫落引腳數(shù)量;n0為總引腳數(shù)量。2結(jié)果與討論以雙氧水濃度作為變量時,通過對引腳脫落率的探索試驗研究，設(shè)定甲基磺酸的濃度為3.5mol/L,雙氧水的濃度調(diào)節(jié)范圍為:0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mol/L。在上述實驗的條件下,分別在25、35和45min時取樣，分析在3個時間點雙氧水濃度對元器件引腳脫落率的的影響，結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著雙氧水濃度的增加，在3個時間段內(nèi),引腳脫落率均先增大后減小。在不含有雙氧水氧化劑的燒杯中，電路板上未有元器件脫落，在雙氧水濃度為0.6mol/L,反應(yīng)時間為45min時脫落率達到100%。隨著雙氧水濃度的增大，元器件的脫落率呈下降趨勢。以甲基磺酸濃度作為變量時，根據(jù)上述實驗，設(shè)立雙氧水的濃度為0.6mol/L時甲基磺酸的濃度調(diào)節(jié)范圍為：2.0、2.5、3.0、3.5mol/L。在上述實驗的條件下，分別在15、25、35和45min時取樣，分析在4個時間點甲基磺酸濃度對元器件引腳脫落率的的影響，結(jié)果如圖4所示。圖3弓I腳脫落率隨雙氧水濃度變化Fig.3ChangeofpinremovalratewiththeconcentrationofH2O2圖4引腳脫落率隨甲基磺酸濃度變化Fig.4Changeofremovalratewiththeconcentrationofmethylsulfonicacid從圖4中可以看出，隨著甲基磺酸濃度的增加，引腳脫落率逐漸增大，在甲基磺酸濃度為3.0mol/L和3.5mol/L,反應(yīng)時間為45min時引腳脫落率均達到100%,當甲基磺酸濃度低于2.0mol/L時未有引腳脫落。3結(jié)論在實驗論證的基礎(chǔ)上，對采用甲基磺酸-雙氧水體系下的濕法拆解技術(shù)做了大量理論探索與實驗。通過實驗機理分析、單因素實驗，得出如下結(jié)論：以甲基磺酸作為酸試劑對PCB拆解時，需要一種氧化劑,適宜的氧化劑選擇是雙氧水。在對鉛錫焊料的溶出過程中，甲基磺酸濃度對金屬溶出過程的影響較為平緩，主要受時間的控制，酸濃度越低，所需時間越長。在45min內(nèi)，當甲基磺酸濃度為3.0mol/L和3.5mol/L時均實現(xiàn)了元器件的全部脫除，達到拆解的目的。雙氧水的濃度對3種金屬的溶出都有顯著的影響，隨著雙氧水濃度增加，引腳脫除率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。當雙氧水的濃度超過0.6mol/L時,引腳脫除率開始下降。因此,根據(jù)實驗中引腳脫落率的研究結(jié)果，確定在甲基磺酸-雙氧水體系中，氧化劑的適宜濃度范圍為0.4~0.6mol/L,甲基磺酸的適宜濃度范圍是2.5~3.5mol/L,反應(yīng)時間為45min,在該實驗條件下可以保證實驗中焊接元器件全部脫除。由于時間、能力有限,故本文內(nèi)容及研究方法還不夠充分，后續(xù)從以下方面再進行改進及更加深入地研究,最后真正做到對廢棄電路板的最大化回收利用。(1)提高元器件拆解效率。從工業(yè)化應(yīng)用方面考慮,為了提高拆解效率,可以選用多種氧化劑進行對比試驗，選取滿足要求的氧化劑，以滿足工業(yè)化應(yīng)用。(2)回收拆解產(chǎn)物中的金屬。采用科學的方法，對拆解下來的電子元器件中的稀貴金屬進行回收。由于所選用的酸體系是廣泛使用于鉛錫電鍍行業(yè)的酸，因此具有較好的電沉積性能。廢棄PCB上焊錫的回收可使大量的焊錫得到循環(huán)利用，除此之外，它還消除了其中的鉛帶來的潛在環(huán)境危害，對改善人類的生存環(huán)境、資源的重新利用以及可持續(xù)發(fā)展都具有重要的意義。參考文獻：吳雯杰，王景偉,王亞林，等.電子廢棄物中元器件的拆解與再利用[J].環(huán)境科學與技術(shù),2007,30(9):83-85.關(guān)杰，張曉嬌,郭耀廣，等.采用Design-Expert分析多因素對電路板濕法拆解的影響與優(yōu)化設(shè)計[J].環(huán)境工程學報,2016,10(8):4516-4522.LIPL,SHIYF,LIUDW.StatusandprospectofdisassemblyprocessofelectroniccomponentsonwastePCBs[J].AppliedMechanicsandMaterials,2014,599/600/601:1989-1992.HADIP,XUM,LINCSK,etal.Wasteprintedcircuitboardrecyclingtechniquesandproductutilization[J].JournalofHazardousMaterials,2015,283:234-243.XIANGD,PANGZF,LONGDF,etal.Thedisassemblyprocessandapparatusofwasteprintedcircuitboardassemblyforreusingthecomponents[J].AppliedMechanicsandMaterial,2013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