電子廢物資源化過(guò)程的物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化研究

電子廢物資源化過(guò)程的物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化研究

近年來(lái)，電子廢物回收和回收一直是研究的重點(diǎn)，并對(duì)工業(yè)生態(tài)學(xué)中的物質(zhì)流動(dòng)進(jìn)行了分析。本研究對(duì)電子廢物資源化循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程中的物質(zhì)流動(dòng)和代謝規(guī)律進(jìn)行考察,對(duì)電子廢物資源化過(guò)程中物質(zhì)流動(dòng)的狀態(tài)進(jìn)行分析,找出物質(zhì)流動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律,將電子廢物資源化過(guò)程中產(chǎn)生的各種廢棄物盡可能多地加以回收利用,以節(jié)約資源,減少污染物排放,同時(shí)減少在這些生產(chǎn)活動(dòng)中所消耗的能源和輔助原料,以實(shí)現(xiàn)有限的資源持續(xù)利用.為電子廢物資源化循環(huán)轉(zhuǎn)化及污染控制評(píng)價(jià)提供理論依據(jù).1材料和方法1.1實(shí)驗(yàn)材料與方法實(shí)驗(yàn)采用的廢印刷電路板,主要來(lái)自廢棄的電視機(jī)和個(gè)人電腦,采用功率為1000W的拆解臺(tái)進(jìn)行拆卸.采用HYP-250型粗碎機(jī)(功率3.68kW粉碎速率為140kg/h)對(duì)廢電路板基板材料進(jìn)行粉碎,然后采用FL-150型細(xì)碎機(jī)(功率2.2kW,粉碎速率為60kg/h)進(jìn)行細(xì)碎.粉碎分離后得到的非金屬材料與基體材料聚丙烯按照1:3.8的比例共混,采用的GH-10DY型高速混合機(jī)(功率3.0kW)混煉10min,最后用功率為3.0kW的橡膠塑料試驗(yàn)機(jī)熱壓成型10min.實(shí)驗(yàn)采用的廢CRT玻殼玻璃,主要來(lái)自廢棄的電視機(jī)和顯示器,首先采用電熱絲加熱法進(jìn)行切割以分離錐玻璃和屏玻璃;然后進(jìn)行破碎、清洗、烘干、研磨、篩分;各使用儀器為:HYP-250型破碎機(jī)(功率3.68kW,粉碎速率140kg/h);超聲波清洗機(jī)(功率0.20kW,清洗速率14kg/h);烘箱(功率1.6kW,烘干速率200kg/h);PM-100L球磨機(jī)(功率7.5kW,處理速率90kg/h);多級(jí)振篩機(jī)(功率0.12kW,處理速率4.5kg/h).1.2非能源物質(zhì)的流動(dòng)在電子廢物資源化循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程中,需要消耗各種資源,因此,電子廢物資源化循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程中存在3種不同的物質(zhì)流動(dòng),其一是物質(zhì)流,既各種金屬、非金屬(例如塑料和玻璃等)、各種輔助原料等非能源物質(zhì)的流動(dòng);其二是能量流,即煤炭、天然氣、煤氣、電等能源物質(zhì)的流動(dòng);其三是污染物流,即CO圖1表明了電子廢物資源化物質(zhì)流分析基本模型系統(tǒng),圖中各種資源化技術(shù)和過(guò)程包括電子廢物的收集、貯存、拆解、破碎、分選、物質(zhì)再生等環(huán)節(jié),本研究將以廢印刷電路板和廢CRT玻殼玻璃的資源化循環(huán)轉(zhuǎn)化為例,建立其物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)化清單,分析其中的物質(zhì)流、能量流、廢物流,探討其資源化過(guò)程中的污染物釋放、遷移規(guī)律.根據(jù)物質(zhì)平衡理論,可以建立系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)能量流動(dòng)模型式如下:噸電子廢物資源化的能量消耗如下:式中:2結(jié)果與討論2.1廢印刷板的處理在廢電路板資源化過(guò)程中,回收處理工廠首先對(duì)廢電路板進(jìn)行預(yù)拆解處理,拆除回收電路板上面含有貴重金屬Au、Pd等的金手指、插槽等可以直接拔出的元器件.拆除元器件的廢印刷線路板則經(jīng)粗碎、細(xì)碎、分選后回收金屬和非金屬,回收得到的再生金屬可以直接利用,非金屬可以和聚丙烯等基體材料混合制備復(fù)合板材.廢電路板拆解處理環(huán)節(jié)的物質(zhì)流、能量流和廢物流見(jiàn)圖2.根據(jù)實(shí)驗(yàn),拆解1kg廢電路板,大概需要功率為1000W的電熱板工作3min,得到元器件約0.58kg,廢電路板基板材料約0.37kg,產(chǎn)生含鉛焊錫廢渣約0.05kg.在廢電路板預(yù)加熱過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生廢氣,在拆解處理環(huán)節(jié),大約占電路板總重5%的含鉛焊錫廢渣需要處置,在環(huán)境中得到消納.拆解處理1t廢電路板約需電能50kW?h,由此產(chǎn)生的廢水、廢渣、廢氣也需要環(huán)境消納.假定100kg廢電路板進(jìn)行拆解處理,則經(jīng)過(guò)拆解處理后得58kg元器件,37kg廢電路板基板材料,5kg含鉛焊錫廢渣.經(jīng)拆解處理后得到的廢電路板基板材料中還含有不少金屬,必須進(jìn)行深度破碎處理才能與非金屬分開(kāi),沈志剛等廢電路板經(jīng)過(guò)拆解處理得到基板材料,對(duì)基板材料進(jìn)行粗碎、細(xì)碎,然后采用分選工藝對(duì)基板材料破碎物進(jìn)行分選.本課題組采用YD3040-11型高壓電選機(jī),利用靜電分選方法對(duì)廢線路板破碎物進(jìn)行分選,處理能耗小于0.1kW?h/kg基板材料破碎物,金屬總回收率達(dá)到80.54%經(jīng)過(guò)分選工藝得到的金屬可以直接利用,環(huán)境污染問(wèn)題較小,而非金屬材料引起的環(huán)境問(wèn)題已日益突出,急需對(duì)其進(jìn)行資源化循環(huán)轉(zhuǎn)化.目前廢電路板中非金屬材料的資源化方式主要有熱解法制油、焚燒法回收能量、制備建筑材料、與基體材料混合制備復(fù)合板材等.研究表明,與基體材料制備復(fù)合板材得到較好效果根據(jù)式(1)和式(2)可以計(jì)算得到廢印刷電路板資源化物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化清單(表1).從上述廢印刷電路板資源化物質(zhì)流、能量流和廢物流圖和表1中可以看出,廢印刷電路板資源化過(guò)程伴隨著資源和能源的消耗、污染物的排放廢印刷電路板上的元器件比較容易資源化再生利用,通過(guò)拆解環(huán)節(jié)就可以回收;廢線路板中的金屬和非金屬的分離需要再經(jīng)過(guò)粉碎、分選環(huán)節(jié);非金屬材料的資源化最困難和復(fù)雜,利用非金屬材料制備復(fù)合板材是一種有效的資源化方式,但是需要進(jìn)一步進(jìn)行研究和探討.在整個(gè)資源化過(guò)程中分選環(huán)節(jié)的能耗最高,約為100kW?h/t基板材料破碎物,要注意選擇節(jié)能的分選技術(shù).而拆解環(huán)節(jié)中的含鉛焊錫廢渣排放量比較大,危害性也比較高需要得到妥善處置,非金屬材料制備復(fù)合板材所產(chǎn)生的廢物流最大,為69kg/t廢印刷電路板.2.2廢crt玻殼玻璃分離后的磷礦資源利用技術(shù)鑒于廢CRT玻殼玻璃中的錐玻璃中鉛的質(zhì)量占20%以上,而屏玻璃中基本不含鉛,為了使廢CRT玻殼玻璃得到有效徹底的資源化綜合利用在廢CRT玻殼玻璃資源化循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程中首先采用分離工藝對(duì)玻殼玻璃進(jìn)行錐屏分離,目前比較主流的錐屏分離技術(shù)是電熱絲加熱法.分離后的混合玻璃、熒光粉等一般按照危險(xiǎn)廢物標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行填埋處置;分離得到的屏玻璃和錐玻璃分別進(jìn)行綜合利用.廢CRT玻殼玻璃資源化利用的主要途徑有循環(huán)再制造CRT玻殼、制造泡沫玻璃、提煉鉛等.由于市場(chǎng)對(duì)于CRT顯示器地需求日益萎縮,利用廢CRT玻殼玻璃循環(huán)再制造CRT玻殼不太可取.屏玻璃中基本不含鉛,利用屏玻璃制造泡沫玻璃圖6為采用電熱絲法對(duì)廢CRT玻殼玻璃進(jìn)行分離的物質(zhì)流、能量流和廢物流,根據(jù)中國(guó)家用電器研究院家電循環(huán)技術(shù)中心開(kāi)發(fā)的設(shè)備和參數(shù),CRT屏錐分離設(shè)備的功率為5.0kW,14~29英寸玻殼玻璃處理能力為20~40個(gè)/h(按每小時(shí)處理30個(gè)17英寸CRT玻殼計(jì)),因此,計(jì)算得到采用電熱絲法分離玻殼玻璃,每個(gè)質(zhì)量12kg的17英寸CRT玻殼平均所需電耗約為0.167kW?h.根據(jù)實(shí)驗(yàn)得知,平均每個(gè)17英寸CRT玻殼經(jīng)電熱絲法分離后,產(chǎn)生屏玻璃與錐玻璃的質(zhì)量之比大約為2:1,并產(chǎn)生少量屏錐玻璃混合物.廢CRT玻殼玻璃錐屏分離后得到屏玻璃,在利用屏玻璃制造泡沫玻璃時(shí),必須先對(duì)屏玻璃進(jìn)行破碎、清洗、烘干、研磨、篩分.圖7為廢CRT屏玻璃粉碎、研磨篩分等過(guò)程的物質(zhì)流、能量流和廢物流.假定破碎、清洗、烘干、研磨、篩分環(huán)節(jié)的產(chǎn)物回收率均為99%,則66kg的屏玻璃最終可得屏玻璃粉末62.8kg,并產(chǎn)生3.2kg粉塵等廢物需要在環(huán)境中消納.另外,在破碎和研磨環(huán)節(jié)容易產(chǎn)生噪音污染,需要控制.經(jīng)計(jì)算,破碎、研磨和篩分環(huán)節(jié)所需能耗分別為26.3,83.3,26.7kWh/t,清洗、烘干環(huán)節(jié)所需能耗為14.3,8.0kWh/t.每t屏玻璃清洗環(huán)節(jié)所需用水為3.1t水,水經(jīng)過(guò)處理后可以循環(huán)利用.利用得到的屏玻璃粉末與發(fā)泡劑及其他添加劑一起制造泡沫玻璃,首先把屏玻璃粉末與發(fā)泡劑以及添加劑混合均勻以及成型,然后燒結(jié)得到泡沫玻璃.圖8為屏玻璃粉末制造泡沫玻璃過(guò)程中的物質(zhì)流、能量流和廢物流圖.屏玻璃粉末62.8kg與發(fā)泡劑8.8kg及添加劑混合成型(屏玻璃粉末:發(fā)泡劑為100:14),然后燒結(jié),假定泡沫玻殼產(chǎn)出率為95%,按照物質(zhì)平衡原理,則可得到68kg泡沫玻璃,同時(shí)還產(chǎn)出3.6kg廢物等需要處理處置.燒結(jié)機(jī)功率為10kW,燒結(jié)速率40g/h,能耗約為250kW?h/t.利用錐玻璃冶煉鉛,需要對(duì)分離得到的錐玻璃進(jìn)行破碎、研磨,其物質(zhì)流、能量流和廢物流見(jiàn)圖9,假定破碎、研磨的產(chǎn)物回收率均為99%,則33kg的錐玻璃可以得到32.3kg的錐玻璃粉末.從廢CRT玻殼分離的錐玻璃粉末中冶煉鉛,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)從廢CRT玻殼玻璃資源化物質(zhì)流、能量流及廢物流圖和物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化清單表2中可以看出,廢CRT玻殼玻璃資源化的過(guò)程伴隨著資源、能源的消耗和污染物的排放,廢CRT玻殼玻璃分離,屏玻璃和錐玻璃按照其組分不同采用不同的資源化方式可以使其得到良好的利用.利用屏玻璃制造泡沫玻璃和錐玻璃冶煉鉛的能耗較高,分別為600,250kW?h/t.錐玻璃冶煉鉛產(chǎn)生的玻璃廢渣最高,為313kg/t.2.3廢板和生物處理技術(shù)電子廢物資源化及處理處置過(guò)程中釋放的污染物質(zhì)主要是有機(jī)污染物(如多溴聯(lián)苯醚、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴和二廢電路板和廢CRT玻殼資源化過(guò)程中潛在釋放的污染物見(jiàn)表3.如廢電路板的拆解、處置和利用過(guò)程中,含鹵族阻燃劑的粉塵擴(kuò)散釋放,將導(dǎo)致操作工人血液中阻燃劑成分的含量偏高;焚燒法焚燒含溴阻燃劑廢電路板時(shí),可能導(dǎo)致二電子廢物資源化過(guò)程中產(chǎn)生的污染物遷移規(guī)律與污染物自身特性以及環(huán)境條件有關(guān).在機(jī)械法處理廢電路板和熱解法環(huán)境條件下,廢電路板中有機(jī)污染物以粉塵顆粒為核心組成有機(jī)化合物通過(guò)遷移和擴(kuò)散進(jìn)入到大氣、水、土壤中,遷移和擴(kuò)散的速度與溫度、濕度、風(fēng)力等有關(guān);廢CRT玻殼中的重金屬主要以氧化物形式存在,廢電路板中的重金屬主要以元素形式存在,重金屬的遷移和擴(kuò)散主要以離子形態(tài)通過(guò)酸洗環(huán)節(jié)進(jìn)入水、土壤中,遷移和擴(kuò)散的速度與溫度、水分、pH值等有關(guān),有些比較容易揮發(fā)的重金屬鉛、汞等也將通過(guò)揮發(fā)進(jìn)入大氣中.2.4廢crt玻殼玻璃作熱壓成型過(guò)程污染控制在廢電路板資源化循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程中,拆解和非金屬材料的熱壓成型制造復(fù)合板材是控制污染物排放的重點(diǎn)環(huán)節(jié).拆解環(huán)節(jié)產(chǎn)生的含鉛焊錫廢渣比較多,容易污染環(huán)境和影響人體健康,需要慎重處理,比較安全的處理方式是按照危險(xiǎn)廢物標(biāo)準(zhǔn)填埋.非金屬材料的熱壓成型環(huán)節(jié)產(chǎn)生的邊角料廢物也比較多,同時(shí)由于加熱,容易產(chǎn)生有機(jī)污染物,如PBD、PBDEs、PAHs、二廢CRT玻殼玻璃資源化循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程中,破碎、研磨、錐玻璃冶煉鉛是整個(gè)過(guò)程中控制污染物排放的重點(diǎn)環(huán)節(jié).屏玻璃和錐玻璃的破碎與研磨容易產(chǎn)生含鉛廢渣、含鉛粉塵,錐玻璃資源化中的冶煉環(huán)節(jié)將產(chǎn)生大量玻璃廢渣、廢氣,在對(duì)廢CRT玻殼玻璃的破碎和研磨環(huán)節(jié)容易產(chǎn)生噪音污染,需要注意控制.另外,錐屏分離環(huán)節(jié)產(chǎn)生的熒光粉容易污染環(huán)境和影響人體健康;如果采用硝酸溶解法分離,則會(huì)產(chǎn)生廢酸和廢水,需要采用一定措施治理.3廢crt玻殼玻璃作復(fù)合膜的制備3.1在電子廢物資源化循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程中,建立物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化模型,并對(duì)資源化過(guò)程中的物質(zhì)流、能量流進(jìn)行分析有助于明確電子廢物資源化中的污染物排放環(huán)節(jié),降低資源化過(guò)程中的能耗最大程度的利用電子廢物中的有用組分.3.2廢印刷電路板上的元器件比較容易被資源化利用,非金屬材料的資源化最困難和復(fù)雜,利用非金屬材料制備