科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展加速電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代，產(chǎn)生了大量的廢棄電氣與電子設(shè)備(Waste Electric and Electronic Equipment，簡(jiǎn)稱WEEE)。作為電子產(chǎn)品不可缺少的重要組成元件，印刷線路板(printed circuit boards，簡(jiǎn)稱PCB)的使用量和廢棄量與日俱增。

廢棄線路板是一類富含金屬且組成和結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的典型電子廢棄物，數(shù)量多，潛在回收價(jià)值高，環(huán)境危害大，其資源化技術(shù)已成為當(dāng)前WEEE處理研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

目前廢線路板回收技術(shù)主要分為火法冶金、濕法冶金和機(jī)械回收[1-2]。傳統(tǒng)的火、濕法冶金以金屬和貴金屬回收為主，忽視其他材料的回收，容易造成嚴(yán)重二次污染，越來(lái)越難適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)資源回收和環(huán)境保護(hù)的要求。機(jī)械法通過(guò)拆解、破碎、利用組成材料密度、形狀、導(dǎo)電、磁性等性質(zhì)差異進(jìn)行分選富集回收，環(huán)境污染小、資源綜合利用率高，在WEEE資源化研究中逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位[3-7]。本文采用沖擊破碎和氣流分選技術(shù)對(duì)廢PCB的機(jī)械物理分離過(guò)程進(jìn)行了研究，著重考查PCB在錘式破碎機(jī)作用下的破碎解離性能和氣流分選富集金屬效果，為工業(yè)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供參考數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品為廢棄臺(tái)式電腦主板，屬于FR-4型環(huán)氧玻纖布覆銅板，主要由環(huán)氧樹(shù)脂、玻璃纖維和高純度銅箔壓制而成。

1.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

手工拆除主板上的電池、電阻、電容等元件，將基板剪成2cm×2cm的小塊，放入錘式破碎機(jī)中破碎，排料口篩網(wǎng)孔徑大小為2mm。破碎物料用標(biāo)準(zhǔn)篩篩分，在顯微鏡下觀察并計(jì)算各粒級(jí)物料的金屬解離度，稱重并分析主要金屬成分。

圖1氣流分選裝置

氣流分選裝置如圖1所示。稱取一定質(zhì)量的篩分物料加入裝置中，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(dòng)，沉降速度小于操作氣速的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。采用微波消解聯(lián)合ICP-AES(電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜)測(cè)定輕、重產(chǎn)物中主要金屬含量。

1.3評(píng)價(jià)指標(biāo)

引入解離度(Liberation Degree，簡(jiǎn)寫LD)來(lái)描述破碎產(chǎn)物中金屬的解離程度[5]，定義為：

LD=Nf/(Nl+Nf)×100%      (1)

式(1)中Nf為破碎物料中金屬單體顆粒數(shù)量；Nl為破碎物料中與其它組分連生在一起未被解離的金屬數(shù)量。

選取金屬富集體的品位、產(chǎn)率和回收率作為氣流分選效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1廢PCB的破碎解離性能

材料的破碎和解離程度不僅影響設(shè)備的能耗，還將影響后續(xù)的分選效率，因此破碎是機(jī)械法處理廢PCB的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。PCB板是由一種熱固性片狀復(fù)合材料，具有較高硬度、較大韌性和良好的抗彎性，常規(guī)的選礦破碎機(jī)不大適合PCB破碎。PCB中金屬、非金屬材料間主要通過(guò)膠接、焊接、包封等方式連接[6]，選擇帶有剪切作用和沖擊作用的破碎設(shè)備，能達(dá)到較好的破碎效果。本研究選用錘式破碎機(jī)，利用高速回轉(zhuǎn)錘子的沖擊、擠壓等作用將小塊PCB破碎，直至顆粒粒度小于篩網(wǎng)孔徑從排料口出來(lái)。

表1列出了PCB破碎產(chǎn)物經(jīng)篩分后，不同粒級(jí)的金屬解離度和部分金屬含量。物料和金屬在各粒級(jí)分布情況如圖2所示。

表1廢PCB破碎產(chǎn)物篩分分析

圖2破碎產(chǎn)品中物料和金屬分布

由表1、圖2可見(jiàn)，破碎物料中粒徑<0.074mm的物料約占總量的6.98%，85.74%的物料集中分布在0.074～1.0mm粒級(jí)范圍，79.65%的金屬分布在0.125～1.0mm的粒級(jí)中，物料的過(guò)粉碎現(xiàn)象較輕，基本達(dá)到粉碎要求。

金屬的充分解離是高效分選的前提條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明金屬的解離度隨粒度減小而增大，直至完全解離。插槽中的插腳金屬一般在1.0～2.0mm粒級(jí)完成解離，部分金屬在錘頭作用下黏結(jié)成團(tuán)。在此粒級(jí)物料中能觀察到為數(shù)不少的表面覆蓋銅箔和銅線的基板碎片。這是因?yàn)殂~箔和基板各層間主要通過(guò)膠粘劑連接，相比于插槽和引腳等和基板的結(jié)合強(qiáng)度而言，較不易解離。隨著粉碎程度深入，物料中由基板解離出來(lái)的金屬逐漸增多，到0.8mm以下金屬解離程度良好。0.5～0.8mm粒級(jí)中金屬以纏繞球狀、短棒狀居多，0.5mm以下的物料中金屬離解比較充分，金屬多為顆粒狀和屑狀。破碎物料中的玻璃纖維和樹(shù)脂在較粗粒級(jí)時(shí)多為片狀和扁平狀，細(xì)粒級(jí)時(shí)多呈絮狀和針狀。

從成分分析來(lái)看，PCB總金屬平均含量高達(dá)43.58%，除了占據(jù)金屬總量一半以上的銅以外，基板上大量鉛錫焊料和金屬插腳(鋅、鋁等)，以及黑色金屬和少量貴金屬金、銀等都具有較高的回收價(jià)值。由于物理機(jī)械性能的差異，金屬在各粒級(jí)的分布情況不盡相同。以銅為代表的金屬，延展性好，在沖擊力、擠壓等作用下，易發(fā)生彎曲，較難斷裂，在粉碎過(guò)程中趨向于較粗粒級(jí)產(chǎn)品分布。如銅集中在0.125～0.3mm、0.3～0.5mm、0.5～0.8mm三個(gè)粒級(jí)。焊劑主要材料鉛、錫等金屬，性脆易碎，在0.125mm以下的物料中含量較高。非金屬樹(shù)脂和玻璃纖維等物質(zhì)在錘頭高速?zèng)_擊下發(fā)生斷裂被擊碎，粉碎后的物料在常溫下也屬于易脆易碎物質(zhì)[10]，集中分布在細(xì)粒級(jí)中。綜上所述，PCB在錘頭高速?zèng)_擊作用下，發(fā)生選擇性破碎，使得多數(shù)金屬在較粗級(jí)別富集，為后續(xù)分選工藝提供了良好的進(jìn)料條件。

2.2氣流分選

氣流分選是利用顆粒在氣流中沉降的速度差或運(yùn)動(dòng)軌跡的不同而進(jìn)行分離的過(guò)程。PCB破碎產(chǎn)物中銅、鉛、錫等主要金屬的密度(7.0～11.0g/cm2)遠(yuǎn)大于樹(shù)脂和玻璃纖維等非金屬的密度(1.4～2.5g/cm2)，因此在垂直上升氣流作用下，金屬與非金屬顆粒的沉降速度存在較大差異，容易實(shí)現(xiàn)富集分離。

顆粒沉降速度的大小與顆粒粒度、密度及形狀等因素有關(guān)。在同一介質(zhì)中，會(huì)出現(xiàn)密度、粒徑、形狀不同的顆粒具有相同沉降速度的等降現(xiàn)象，相應(yīng)的顆粒稱為等降顆粒，密度小的顆粒粒度與密度大的顆粒粒度之比稱為等降比，以e表示。球形顆粒在不同雷諾數(shù)范圍內(nèi)的等降比為[11]：

n在層流區(qū)、過(guò)渡區(qū)和牛頓區(qū)的值分別為0.5、0.67和1.0；ρ0，ρ1，ρ2分別為流體介質(zhì)和小、大顆粒的密度。e值隨顆粒粒度變細(xì)而減小，在等降比范圍內(nèi)，物料按顆粒密度可以得到有效分選[12-13]。

PCB的粉碎產(chǎn)物粒度分布較寬，為了提高分選效率，在分選前需要將物料進(jìn)行窄分級(jí)，實(shí)現(xiàn)按密度差異為主導(dǎo)的分選。研究體系中理論最小等降比值(以主要成分銅、樹(shù)脂纖維玻璃的密度值計(jì)算)約2.0～2.5。本研究篩分物料粒級(jí)基本滿足上述要求，綜合考慮金屬解離程度和物料性質(zhì)等因素影響，選取粒徑<1.0mm的六個(gè)粒級(jí)物料作為實(shí)驗(yàn)物料，參考銅顆粒和非金屬顆粒在空氣中的沉降規(guī)律，得到氣流分選結(jié)果如表2所示。

表2廢PCB粉碎物料的氣流分選結(jié)果

由分選結(jié)果可知：氣流分選廢PCB粉碎物料，不僅能得到品位較高的金屬富集體，而且金屬富集產(chǎn)品產(chǎn)率可觀。本實(shí)驗(yàn)條件下，調(diào)節(jié)合適的操作氣速，0.125～0.1mm中銅的回收率接近95%，90%以上的金屬被回收。0.074～0.125mm的物料，原料顆粒粒度小且金屬含量較低，氣速操作彈性有所減小，金屬回收率降低，但富集效果比較明顯，分選前后金屬富集比接近6。<0.074mm的物料氣流分選，不僅金屬回收率低而且富集效果不明顯。原因一是因?yàn)轭w粒變細(xì)，沉降速度越慢，輕、重組分的沉降速度差越小，短時(shí)間在有限裝置內(nèi)很難分離。二是此細(xì)粒級(jí)物料以玻璃纖維和樹(shù)脂為主，物料和裝置壁間的靜電效應(yīng)以及物料間相互團(tuán)聚都會(huì)使部分非金屬顆粒不能被分選出去。因此氣流分選比較適合粒徑>0.074mm的物料分選，<0.074mm的物料更適合離心分選或搖床分選富集金屬，以達(dá)到提高金屬回收率、減少?gòu)U渣的排放量的目的。

3 結(jié)論

(1)廢PCB在錘式破碎機(jī)作用下發(fā)生選擇性破碎，金屬在0.8mm以下基本解離，79.65%的金屬分布在0.125～1.0mm粒級(jí)中，物料過(guò)粗和過(guò)碎現(xiàn)象較輕，得到適合氣流分選的物料。

(2)利用金屬和非金屬間顯著密度差異，采用氣流分選技術(shù)回收0.125～1.0mm粒級(jí)物料中金屬，總金屬回收率超過(guò)90%。

干法沖擊破碎+氣流分選工藝處理廢棄線路板，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，環(huán)境污染小，能實(shí)現(xiàn)金屬和非金屬的高效清潔分離，是一種環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)可行的物理回收技術(shù)，具有較強(qiáng)的適用性。

[參考文獻(xiàn)]略

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