電子廢棄物氣流分選教學實驗裝置研制

黃菊文， 賀文智， 李光明， 盛 力， 施鼎方， 徐竟成

(同濟大學環境科學與工程學院，環境科學與工程國家實驗教學示范中心，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前研究的熱點與重點。目前，國內高校在本科生中僅開設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尚處于探索階段［4］。同濟大學環境科學與工程國家實驗教學示范中心在分析和調研了國內外環境類實驗教學發展水平與實驗教學創新動態的基礎上，根據實驗教學特點和要求，結合學科發展水平和動態，以電子廢棄物處理與資源化研究成果為抓手，自行設計適合于本科生實驗的教學裝置。這一教學實驗裝置的成功研發，不僅體現著學科前沿發展與解決實際環境問題的特色，注重實驗項目創新以及實際應用，而且進一步完善了本科生固體廢棄物實驗教學內容，成為實驗教學層次水平提升與創新的重要內容［5］。

1 電子廢棄物組成及固體流態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再生是保證其最大限度資源化的重要環節，而印刷線路板(Printed Circuit Board，PCB)是各類電子電器產品中不可缺少的重要部件，具有數量多、成分復雜、環境危害大、潛在回收價值高等特點［6］。由于PCB中含有銅、鋁、金、銀、鈀等貴重金屬及環氧樹脂、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，而且PCB材料組成和結合方式復雜，單體解離粒度小，不容易實現分離。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資源化過程的關鍵所在［7-8］。

1.2 固體流態化氣流分選基本原理

固體流態化是20世紀中期興起的一項技術，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出類似流體運動狀態的方法。作為研究顆粒與流體相互作用規律的學科，流態化技術的應用研究取得了許多重大進展，已經成為顆粒與粉體制備、加工、改性和輸送以及改善催化反應等的有效手段，并滲透到國民經濟的許多領域，在化工、石油、冶金、能源、材料、環保等部門得到了廣泛應用。流態化技術具有投資小，處理能力大、操作方便，且易于控制等優點，近20年人們開始將固體流態化技術應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

將氣流分選技術應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行的。利用不同物質間的密度差進行分離操作是選礦工業普遍采用的方法［10］，其可行性可用下式進行評判。

其中:Dh為重組分材料密度;Dl為輕組分材料密度;Df為介質密度。

表1列出了與基于密度差異分選難易程度的關系［11］。

表1 物質按密度差異分離的難易度

由表1可知:當|C|＞2.5時，以密度差異為基礎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|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(密度為1.2 kg/m3)，則|C|=4.94，遠高于可進行分離的|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行分離可取得良好的效果，為研究設計適合于學生實驗的PCB金屬與非金屬流態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金屬與非金屬流態化氣流分選裝置如圖2所示，由引風機、流態化氣流分選裝置(流化床)、轉子流量計、U型測壓裝置、旋風分離器和袋濾器等組成。流態化分選裝置由外徑40 mm，長度400 mm的有機玻璃管組成。

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化氣流分選流化床內，開啟風機，用閥門緩慢調節風機流量至適宜大小;進入流化床內的PCB粉碎料在經由風機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，PCB粉碎料中不同材質的顆粒，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;流化床內分層的金屬沉降在流化床底部，位于設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旋風分離器進行分離回收，夾帶少量微細粉塵的空氣經袋濾器過濾后排空。

(3)特點。PCB金屬與非金屬流態化氣流分選裝置的特點有:①設備小型化。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化曲線測試等實驗工作。②功能模塊化。各部件安裝維護方便，既相互聯系又彼此獨立，發揮協同作用。③操作簡便化。本工藝為以空氣為介質的干法物理過程，分離所得產品無需干燥處理，設備簡單，操作方便。④環境影響最小化。PCB組成物料間的分離富集過程在密閉的流態化分離裝置內完成，分離富集后的金屬與非金屬分別在流態化分離裝置、旋風分離器內與空氣分離，空氣中夾帶的難以分離的微量細小飛揚粉塵經袋濾器進行捕集，因此整個操作過程基本無粉塵產生，環境影響小。

3 實驗裝置應用

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

(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。稱取一定質量篩分物料加入分選裝置中，由風機產生的氣流經分布板流經床層使物料松動，調節氣體流速，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，成為重組分產品回收。

(2)流態化曲線測試。稱取一定質量的篩分物料加入分選裝置中，由風機產生的氣流經分布板流經床層，調節氣體流量控制閥，逐漸加大流量，根據水U形壓差計讀數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。根據物料床層壓降Δp和表觀氣速u繪制物料流態化曲線，從而確定顆粒床層的最小流態化速度與各種流態化狀態。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化曲線。

4 結語

鑒于流態化技術的特點與印刷線路板組成材料的特性，研究設計并制造了適合于學生實驗的PCB中金屬與非金屬流態化氣流分選裝置，實現了PCB中金屬及非金屬富集體的有效分離。該裝置的成功開發不僅完善了固體廢棄物處理與資源化實驗教學內容體系和項目的系統設置，拓展了學生的思維能力，增強了學生創新意識和創新能力，而且在培養環境科技創新人才上起到了關鍵性作用，滿足了培養具有時代特征的高素質環境科技人才的需要。

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