電子廢棄物氣流分選教學(xué)實驗裝置研制

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)與工程國家實驗教學(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，為世界上增長速度最快的固體廢棄物，其增長速度是普通固體廢棄物的3倍［1］。它具有環(huán)境危害性，同時又具有資源再生利用價值，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，國內(nèi)高校在本科生中僅開設(shè)以生活垃圾為主的固體廢棄物實驗［2-3］，電子廢棄物處理與資源化實驗教學(xué)尚處于探索階段［4］。同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程國家實驗教學(xué)示范中心在分析和調(diào)研了國內(nèi)外環(huán)境類實驗教學(xué)發(fā)展水平與實驗教學(xué)創(chuàng)新動態(tài)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實驗教學(xué)特點(diǎn)和要求，結(jié)合學(xué)科發(fā)展水平和動態(tài)，以電子廢棄物處理與資源化研究成果為抓手，自行設(shè)計適合于本科生實驗的教學(xué)裝置。這一教學(xué)實驗裝置的成功研發(fā)，不僅體現(xiàn)著學(xué)科前沿發(fā)展與解決實際環(huán)境問題的特色，注重實驗項目創(chuàng)新以及實際應(yīng)用，而且進(jìn)一步完善了本科生固體廢棄物實驗教學(xué)內(nèi)容，成為實驗教學(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，處理起來也比較困難。因此，如何實現(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)中期興起的一項技術(shù)，它是使一定速度的流體使自下而上通過一顆粒床層，固體顆粒被流體夾帶形成兩相懸浮體而呈現(xiàn)出類似流體運(yùn)動狀態(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 實驗裝置研制

2.1 實驗原理

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，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，這種分離方法便失去其實用價值。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)計適合于學(xué)生實驗的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 實驗裝置

(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、U型測壓裝置、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驗裝置

(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)，開啟風(fēng)機(jī)，用閥門緩慢調(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)化曲線測試等實驗工作。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操作簡便化。本工藝為以空氣為介質(zhì)的干法物理過程，分離所得產(chǎn)品無需干燥處理，設(shè)備簡單，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，因此整個操作過程基本無粉塵產(chǎn)生，環(huán)境影響小。

3 實驗裝置應(yīng)用

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

(1)氣流分選富集回收金屬與非金屬。考察氣流速度、顆粒粒度以及物料量對氣流分選效果影響。稱取一定質(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，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)化曲線測試。稱取一定質(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形壓差計讀數(shù)記錄每個流速下的床層壓降。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)。實驗中考察了不同粒度范圍的廢棄印刷電路板粉碎料測定的流態(tài)化曲線。

4 結(jié)語

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)計并制造了適合于學(xué)生實驗的PCB中金屬與非金屬流態(tài)化氣流分選裝置，實現(xiàn)了PCB中金屬及非金屬富集體的有效分離。該裝置的成功開發(fā)不僅完善了固體廢棄物處理與資源化實驗教學(xué)內(nèi)容體系和項目的系統(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)具有時代特征的高素質(zhì)環(huán)境科技人才的需要。

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