廢舊太陽能電池板中Si與PET的靜電分選優化研究

張子生,崔 招,楊 杰,岳子微,魏玉省

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廢舊太陽能電池板中Si與PET的靜電分選優化研究

張子生*,崔 招,楊 杰,岳子微,魏玉省

(河北大學物理科學與技術學院,靜電研究所,河北保定 071002)

為了將廢舊太陽能電池板進行資源化處理.以Si和PET混合顆粒為原料,在前期單因素實驗基礎上,通過正交實驗設計研究不同電壓()?轉速()?極間距()和電暈電極角度()對靜電分選Si和PET混合顆粒效率的影響.結果表明,分選過程中Si顆粒的最優參數設置:=25kV?=80r/min?=65mm和=50°,影響因素主次順序為:>>>;分選過程中中間產物的最優參數設置:=25kV?=80r/min?=65mm和=50°,影響因素主次順序為:>>>;分選過程中PET顆粒的最優參數設置:=27.5kV?=80r/min?=65mm和=40°,影響因素主次順序為:>>>.該研究對靜電分選技術資源化處理廢舊太陽能電池板具有一定的參考價值.

廢舊太陽能電池板；Si與PET；靜電分選；正交實驗設計

太陽能電池的使用壽命一般在25~30年,快速擴張的國內太陽能市場,未來將會出現回收廢舊太陽能電池板的需要,如何有效地對其進行資源化處理,已成為國內外急需解決的難題[1].從國內外現有的太陽能電池板資源化技術方法和經驗資源化技術方法和經驗來看,組件修復法使用范圍較窄;熱處理法產生的廢氣未進行處理,且能耗較高;有機溶劑溶解和無機酸溶解法產生的廢液也較難處理[2].

廢舊太陽能電池板的組成非常復雜,根據其導電性能,可以分為導體?半導體和絕緣體[3].目前,靜電分選技術已經被證明能高效地回收利用導體?半導體和絕緣體[4].與其他方法相比,靜電分選技術具有工藝簡便,設備易于操作,維修方便;設備運行時高壓靜電場能耗低;由于是干式作業,因此不存在廢水污染及處理問題,有利于環境保護等優點,已在破碎電纜[5]?選礦[6]?廢舊印刷電路板資源化領域[7]得到了工業上的規模應用,且取得了顯著的經濟效益和環境效益.因此,用靜電分選技術對已破碎廢舊太陽能電池板進行分選更為合理.

將廢舊太陽能電池板進行拆解、破碎、篩分分級,對其顆粒樣品進行X射線熒光分析:廢舊太陽能電池板中含有大量的半導體Si,大約占整體的87%,具有很高的回收價值;同時含有一定量的絕緣體PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯Polyethylene terephthalate,簡稱PET),約占整體的10%.對廢舊太陽能電池板進行資源化處理,需要將兩種混合物分選出來.采用靜電分選技術回收處理含有Si和PET顆粒的混合物是對廢舊太陽能電池板資源化處理新的探索.

首先對在靜電分選過程中的荷電顆粒進行了受力分析[8];其次,通過單因素實驗來研究影響靜電分選的四個主要因素(電壓?轉速?極間距和電暈線角度)的變化對分選Si和PET的影響規律[9-12];最后,采用正交實驗設計的方法找出最佳分選效率的參數設置[13].該研究為靜電分選回收處理廢舊太陽能電池板提供了借鑒意義.

1 荷電顆粒受力分析

我們將顆粒近似成球形顆粒來處理,作用在顆粒上的力包括重力()?庫侖力(1)?非均勻電場力(2)?鏡面力(3)和離心力(4),如圖1所示.

式中:為顆粒的質量;為重力加速度.

式中:為顆粒所帶的剩余電荷;為顆粒所處電場的強度.

式中:為顆粒的半徑;為顆粒的介電常量;為電場梯度.

式中:為參數;(R)為顆粒界面電阻函數.

式中:為轉輥的運動線速度;為轉輥的半徑.

從式(2)、(3)、(4)可以看出:庫侖力1和鏡面力3的大小主要取決于顆粒的剩余電荷,而剩余電荷又取決于顆粒的界面電阻.對于PET顆粒,它的界面電阻接近于1,放電速度慢,剩余電荷多,作用在它上面的庫侖力1和鏡面力3非常大.對于Si顆粒,其界面電阻遠小于PET顆粒,其剩余電荷量也遠小于PET顆粒,作用在Si顆粒上的庫侖力1和鏡面力3遠小于PET顆粒.作用在顆粒上的非均勻電場力2遠遠小于庫侖力1,實際上可忽略不計.

靜電分選過程中,Si顆粒受到的庫侖力1和鏡面力3很小(可以忽略不計),隨著顆粒下落角的減小,重力在徑向方向的分力也在減小,致使顆粒的受力滿足式(6),導致Si從B-C段下落;PET顆粒受到的庫侖力1和鏡面力3非常大,致使顆粒的受力滿足式(7),導致PET在C點以后由刷子將其刷下.從而Si與PET被分離開.

2 實驗部分

2.1 實驗材料

對經破碎?烘干的廢舊太陽能電池板顆粒進行篩分實驗,得到物料顆粒粒度集中在A~E五種粒徑級別,粒徑級別分別為:A級(0.104~ 0.124mm),B級(0.124~0.150mm),C級(0.150~ 0.178mm),D級(0.178~0.250mm),E級(0.250~ 0.420mm).又當物料粒徑較小時,顆粒的比表面能較大,不利于物料的運動和分離;當物料粒徑較大時,重力會對顆粒的運動產生比較顯著的影響,致使Si顆粒的拋射距離減小,影響分離率,所以實驗所選取的物料粒徑既不能過大也不能過小,所選取的物料粒徑為C級,約占整體的63%.

稱取定量知名太陽能電池板生產企業—中國英利集團提供的太陽能電池板破碎物料交由河北省保定地質工程勘察院進行X射線熒光分析:半導體Si顆粒約占整體的87%,絕緣體PET約占整體的10%.為了簡化實驗過程采用模擬物料進行物料分選實驗[14].在分選實驗中,按質量配比半導體Si:絕緣體PET=87:10進行模擬配料,待分選的半導體-絕緣體物料為Si和PET的混合顆粒,其中Si顆粒質量為87g,PET顆粒質量為10g.在不同實驗條件下進行分選試驗.

2.2 實驗裝置

本實驗采用針輥式靜電分選機,它由加料裝置,針型電暈電極(負極)和接地輥電極(正極),收集槽和毛刷組成,圖2為其示意圖.加料裝置使待分選顆粒能夠均勻?單層勻速地進入接地輥電極的表面,電暈電極接直流負高壓,輥電極與大地相接為正極,收集槽用于收集分選出來的顆粒,毛刷用來刷去吸附在輥電極表面的顆粒[15].

1.加料槽;2.傳送板;3針型電暈電極;4.毛刷;5.轉輥;6.待分選顆粒; 7.輥軸

2.3 實驗方案

首先通過單因素實驗分別研究影響分選效率的主要因素,如圖3所示(電壓(kV)?轉速(r/min)、極間距(mm)、電暈電極角度(°))的變化對分選Si和PET的影響規律,單因素實驗的參數的設定如表1所示.然后采用正交實驗設計的方法找出最佳分選效率的參數設置[16-18].實驗均在溫度10~15℃之間,相對濕度45%~55%之間進行.

表1 單因素實驗參數設置

3 結果與討論

3.1 電壓對靜電分選Si與PET的影響

不同電壓下Si與PET的分選結果如圖4所示.當其他條件一定時,中間產物的質量隨著電壓的升高先減少后增大;Si與PET的質量都是隨著電壓的升高先增大后減小.

這是由于當電壓較低時,空間電場強度較弱,PET顆粒不能充分荷電,受到的庫侖力和鏡面力較小,一部分PET顆粒提前脫落,中間產物質量增加.當電壓較高時,Si?PET顆粒雖都能充分荷電,但Si顆粒的放電速度較慢,其離開電場時表面還剩余比較多的電荷,受到的電場力比較大,一部分Si顆粒不能落入其收集槽,導致Si與PET的分選效率都降低[19].實驗過程中當其他條件一定,施加電壓過高時,容易發生火花放電,所以施加電壓選定在25-30kV.

(a)質量分布

(b)分選效率

圖4 不同電壓下分選結果

Fig.4 separation results under different high voltage level

3.2 轉速對靜電分選Si與PET的影響

不同轉速下Si與PET的分選結果如圖5所示.當其他條件一定時,轉速為40~70r/min時,Si的分選效率僅變化了2.44%,而當轉速大于70r/min時,Si的分選效率卻從98.3%降低到了86.03%;PET則在轉速為40~85r/min時,其分選效率隨著轉速的增加而增加,從77%增加到了99.1%,大于85r/min后分選效率略有下降.

這是由于當其他因素一定時,隨著轉速的減小Si所受到的離心力越來越小.當轉速低于60r/min時,有一小部分Si顆粒落入PET的收集槽中,使PET分選效率急劇減小.而隨著轉速的增加,PET顆粒所受到離心力越來越大.當轉速高于70r/min時,有一小部分PET顆粒落入Si的收集槽中,使Si分選效率急劇減小,中間產物的質量急劇上升[20].所以轉速選定在60~80r/min.

(a)質量分布

(b)分選效率

圖5 不同轉速下分選結果

Fig.5 separation results under different roll speed

3.3 極間距對靜電分選Si與PET的影響

不同極間距下Si與PET的分選結果如圖6所示.Si在極間距為55mm時分選效率最高98.53%,PET在65mm時分選效率達到最大99%;Si與PET的分選效率都是隨著極間距的增加先增大后減小.

(a)質量分布

(b)分選效率

圖6 不同極間距下分選結果

Fig.6 separation results under different radial position of corona electrode

這是由于在電壓一定時,極間距過大后(大于70mm),一方面空間電場強度減弱,使得PET受到的吸向轉輥的電場力減弱,另一方面,電暈電場區域較寬,致使Si顆粒在離開電暈電場后未有充足的時間放電,因此Si與PET的分選效率降低.而極間距小于60mm時,電暈電場區域較窄且空間電荷的分布不均勻,影響PET顆粒的荷電.因此部分PET顆粒由于所受庫侖力與鏡面力的減弱提前脫離轉輥落入了中間產物收集槽,致使其分選效率急劇下降[21].所以極間距選為60~70mm.

3.4 電暈電極角度對靜電分選Si與PET的影響

不同電暈電極角度下Si與PET的分選結果如圖7所示.其他因素一定,Si與PET的分選效率隨著電暈電極角度的增加而增大,中間產物分選效率則降低.

(a)質量分布

(b)分選效率

圖7 不同電暈電極下分選結果

Fig.7 separation results under different angular position of corona electrode

這是由于當電暈電極角度變化時,整個電暈電場與其偏轉相同的角度.隨著電暈電極角度的減小,分選顆粒的荷電區域向下移動,這就使Si顆粒在離開電暈電場后放電時間越來越短,使其不能有充足時間放電.因此有一部分Si顆粒由于受到較大的鏡面力使其跟隨轉輥運動落入PET收集槽,二者分選效率降低.當電暈電極角度大于30°時,Si與PET的分選效率雖仍在上升但上升幅度不大.并且電暈電極角度過大時,其形成的離子風會使待分選顆粒進料時向相反的方向運動,破壞靜電分選的過程[22],因此未再提高電暈電極角度進行實驗.所以電暈電極角度選在30~50°.

3.5 正交實驗

上述實驗確定了四個主要影響因素的取值范圍,下面采用正交實驗設計的方法找出最佳分選效率的參數設置.將每個影響因素定為3個水平,如表2所示.

表2 因素水平表

選用L9(34)正交表[23],選用極差分析法對上面的實驗結果進行分析與討論,正交實驗結果見表3.首先計算,和,其中為因素水平所對應的實驗結果之和;為的平均值.根據的大小可以判定實驗結果下因素的優水平,從而得到該實驗結果下各個因果下各個因素的優化組合.為因素的極差,其值為因素下最優水平與最低水平之差,其大小用來反映因素水平發生變化時,其實驗結果的變化幅度.的值越大,表明因素對實驗結果的影響越大.因此通過值可以獲得各個因素對實驗結果的影響權重,得到各個因素的主次順序.

表3 正交設計實驗結果與分析

續表3

由表3可得:在以Si的分選效率為實驗指標時R>R>R>R,則各因素對Si分選效率影響的主次順序為,極間距>轉速>電暈電極角度>電壓;由1>2>3可判定1為電壓因素的優水平,同理可以確定3?2?3分別為轉速?極間距?電暈電極角度的優水平,則最優水平組合為1323.在以中間產物的分選效率為實驗指標時,各因素對中間產物的分選效率影響的主次順序和最優水平組合與Si一樣.各因素對PET的分選效率影響的主次順序為:電壓>電暈電極角度>轉速>極間距,最優水平組合為2322.

3.6 驗證實驗

對確立的分選各種物質的最優水平組合進行實驗驗證.在Si與中間產物的分選效率最優水平組合下,得到Si顆粒86.755g,顆粒混合物0.392g,Si顆粒的分選效率為99.72%,中間產物的分選效率為0.40%;在PET的分選效率最優水平組合下,得到PET顆粒9.98g,其分選效率為99.8%.實驗結果表明在各自最優的水平組合下,各物質都取得了良好的分選效果.

4 結論

4.1 本實驗通過單因素和正交實驗設計得到了靜電分選Si與PET顆粒混合物的最優參數設置,其中Si與PET顆粒的分選效率越高越好,中間產物的分選效率越低越好.

分選過程中Si顆粒的最優參數設置:電壓=25kV,轉速=80r/min,極間距=65mm和電暈電極角度=50°;影響因素主次順序為:>>>.

4.2 分選過程中中間產物的最優參數設置:電壓=25kV,轉速=80r/min,極間距=65mm和電暈電極角度=50°;影響因素主次順序為:>>>.

4.3 分選過程中PET顆粒的最優參數設置:電壓=27.5kV,轉速=80r/min,極間距=65mm和電暈電極角度=40°;影響因素主次順序為:>>>.

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Optimization of electrostatic separation of Si and PET in waste solar panels.

ZHANG Zi-sheng*, CUI Zhao, YANG Jie, YUE Zi-wei, WEI Yu-sheng

(Institute of Static Electricity, School of Physical Science and Technology, Hebei University, Baoding 071002, China)., 2017,37(8)：3048~3055

In order to effectively deal with waste solar panels, Si and PET mixed particles were used as raw materials, separation efficiency of Si and PET mixed particles were studied through orthogonal experiment with different voltage (), speed (), electrode spacing () and corona electrode angle () conditions, on the basis of the preliminary optimization of single factor test. The results showed that the optimal parameter settings of Si particles in the sorting process were as follows:=25kV,=80r/min,=65mm and=50°, and the influencing factors were ordered as followed:>>>; the optimal parameter settings of middling in the sorting process were as follows:=25kV,=80r/min,=65mm, and=50°, and the influencing factors were ordered as followed:>>>; the optimal parameter settings of PET particles in the sorting process were as follows: U=27.5kV, N=80r/min, S=65mm and θ =40°, and the influencing factors were ordered as followed:>>>. This study contributes to the efficient recycling of valuable resources from waste solar panels by the electrostatic separation.

waste solar panels；Si and PET；electrostatic separation；orthogonal experimental design

X705

A

1000-6923(2017)08-3048-08

張子生(1965-),男,河北定興人,研究員,碩士,主要研究方向高電壓技術的應用與大氣污染控制技術的開發與應用.發表論文30余篇.

2017-01-13

國家自然科學基金(11205046);河北省自然科學基金(A2013201266,A2016201025)

* 責任作者, 研究員, zzsxiansheng@163.com