廢舊電路板加熱拆解過(guò)程中顆粒物的排放及其在人體呼吸系統(tǒng)的沉積特征*

紀(jì) 昂 王建波 郭 杰,2# 許振明 楊義晨 李英順

(1.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2.上海電子廢棄物資源化產(chǎn)學(xué)研合作開(kāi)發(fā)中心，上海 201209；3.上海新金橋環(huán)保有限公司，上海 201201)

廢舊電路板加熱拆解過(guò)程中顆粒物的排放及其在人體呼吸系統(tǒng)的沉積特征*

紀(jì) 昂1王建波1郭 杰1,2#許振明1楊義晨3李英順3

(1.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2.上海電子廢棄物資源化產(chǎn)學(xué)研合作開(kāi)發(fā)中心，上海 201209；3.上海新金橋環(huán)保有限公司，上海 201201)

廢舊電路板(WPCB)表面焊接有大量電子元器件，從資源高效回收的角度出發(fā)，需要對(duì)WPCB進(jìn)行加熱拆解以便于電子元器件及電路板基板材料的后續(xù)處理。WPCB加熱拆解過(guò)程將釋放大量的煙霧污染物，易造成環(huán)境污染并危害工人健康。對(duì)WPCB加熱拆解過(guò)程釋放顆粒物的粒徑分布、顆粒物數(shù)濃度和顆粒物質(zhì)量濃度等特征進(jìn)行研究，核算不同粒徑段顆粒物的排放系數(shù)，并研究了加熱拆解過(guò)程中顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)的沉積特征。總體看來(lái)，WPCB加熱拆解過(guò)程所釋放的顆粒物中，數(shù)量上以細(xì)顆粒物為主，粒徑越小的顆粒物數(shù)濃度越高，質(zhì)量上以大顆粒為主，粒徑越大的顆粒物質(zhì)量濃度越高。WPCB加熱拆解過(guò)程中，顆粒物數(shù)濃度排放系數(shù)為3.30×105個(gè)/cm3，質(zhì)量濃度排放系數(shù)為9.55mg/m3。工人操作過(guò)程中吸入的顆粒物主要沉積在呼吸系統(tǒng)的鼻腔咽喉部位、氣管支氣管部位和肺泡部位，3個(gè)部位的沉積通量分別為3.32、1.26×10-1、1.99×10-1mg/h，合計(jì)每小時(shí)約有3.65mg顆粒物進(jìn)入工人的呼吸系統(tǒng)，需要對(duì)工人提供呼吸系統(tǒng)的保護(hù)措施。

廢舊電路板 顆粒物 排放系數(shù) 呼吸暴露

隨著科技的快速發(fā)展，越來(lái)越多的電器電子產(chǎn)品被淘汰遺棄，成為電子廢棄物(WEEE)。2014年，全球WEEE總量約為4 180萬(wàn)t，并以每年200萬(wàn)t的速度持續(xù)增長(zhǎng)。我國(guó)作為最大的發(fā)展中國(guó)家，年均WEEE產(chǎn)生量達(dá)600萬(wàn)t以上，是僅次于美國(guó)的第二大WEEE制造國(guó)。預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)電器電子產(chǎn)品年報(bào)廢數(shù)量將達(dá)到1.37億臺(tái)[1]。WEEE中含有許多可以回收利用的資源，是一座巨大的“城市礦山”，但對(duì)WEEE的處置方法不當(dāng)，將會(huì)使其中的重金屬、有機(jī)污染物釋放出來(lái)[2]，對(duì)環(huán)境和人體健康造成嚴(yán)重的危害[3-6]。

WEEE中經(jīng)濟(jì)價(jià)值較大的資源多集中在電路板上[7]。不同電器電子產(chǎn)品的電路板各不相同，但處理處置方法大同小異，即先進(jìn)行加熱拆解去除電路板上的電子元器件，再通過(guò)物理破碎或化學(xué)浸溶等方法分別回收電子元器件和電路板基板中的可重復(fù)利用資源。在拆解廢舊電路板(WPCB)的過(guò)程中，由于高溫加熱和敲打振蕩使許多污染物隨之釋放出來(lái)，造成大氣污染[8]。我國(guó)《廢棄電器電子產(chǎn)品規(guī)范拆解處理作業(yè)及生產(chǎn)管理指南(2015年)》中規(guī)定：“以加熱等方式拆解電路板上元器件、零部件等，使用負(fù)壓工作臺(tái)，設(shè)置能夠有效收集煙塵、有害氣體的廢氣收集處理系統(tǒng)。”但在實(shí)際研究中，負(fù)壓工作臺(tái)并不能完全去除拆解過(guò)程中產(chǎn)生的污染，仍有許多污染物未能被廢氣收集處理系統(tǒng)收集，這些污染物以氣態(tài)或附著在顆粒物上的形式釋放到環(huán)境中，通過(guò)呼吸暴露[9]或皮膚暴露[10]等形式對(duì)人體造成危害。此外，也會(huì)對(duì)廠區(qū)周邊環(huán)境造成污染[11-13]。

以往的文獻(xiàn)著重對(duì)WPCB處理過(guò)程中產(chǎn)生的氣態(tài)污染物(如揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs))[14]及其對(duì)周邊環(huán)境的影響[15-20]進(jìn)行研究，缺乏對(duì)于WPCB加熱拆解過(guò)程中的顆粒物排放特征及車間內(nèi)工人顆粒物暴露情況的研究[21-22]。為此，本研究通過(guò)在上海某電子廢棄物回收處理公司的WPCB加熱拆解車間進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)，分析了WPCB加熱拆解過(guò)程中產(chǎn)生的顆粒物的粒徑分布及排放特征，并研究顆粒物在操作工人呼吸系統(tǒng)的沉積特征，為操作工人的職業(yè)防護(hù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)介紹

本研究采樣地點(diǎn)位于上海某電子廢棄物回收處理公司的WPCB加熱拆解車間，該車間面積約為40 m2，采樣期間車間內(nèi)有3名工人對(duì)WPCB進(jìn)行加熱拆解，每個(gè)操作臺(tái)均設(shè)置負(fù)壓集塵罩對(duì)操作過(guò)程產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行負(fù)壓收集及后續(xù)尾氣處理。為合理評(píng)估工人的實(shí)際暴露量，將顆粒物采樣點(diǎn)設(shè)置在集塵罩外部，位于操作工人的口鼻處附近，采樣過(guò)程共持續(xù)10 min，采樣流速為10.0 L/min，氣體未稀釋。

1.2 采樣儀器

本研究采用電子低壓撞擊器(ELPI，芬蘭Dekati公司)對(duì)車間空氣中不同粒徑段顆粒物的數(shù)濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄。ELPI通過(guò)電暈放電對(duì)氣溶膠粒子荷電，氣流逐級(jí)通過(guò)撞擊器將顆粒物粒徑分級(jí)，各級(jí)切割粒徑分別為9.920、6.680、4.000、2.390、1.600、0.948、0.613、0.382、0.263、0.157、0.095、0.054、0.028 μm，將空氣中的顆粒物分為12個(gè)粒徑段，各粒徑段的空氣動(dòng)力學(xué)平均直徑分別為8.080、5.120、3.060、1.940、1.220、0.760、0.480、0.310、0.200、0.120、0.070、0.040 μm(例如，空氣動(dòng)力學(xué)平均直徑0.040 μm對(duì)應(yīng)0.028～0.054 μm粒徑段)，剩余氣流由ELPI末端排出[23-25]。各級(jí)撞擊器分別配有電流放大器和靜電計(jì)，通過(guò)各級(jí)靜電計(jì)顯示的電流計(jì)算各級(jí)顆粒物數(shù)濃度和質(zhì)量濃度，采樣時(shí)ELPI通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接，將所得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸并保存在計(jì)算機(jī)中。

2 結(jié)果和討論

2.1 顆粒物排放特征

對(duì)采樣期間不同粒徑段顆粒物的數(shù)濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)顆粒物排放總體呈周期性的變化規(guī)律，這是由于在WPCB加熱拆解車間中，工人在操作臺(tái)對(duì)每一塊WPCB的處理流程、操作時(shí)間基本一致。本研究將每塊WPCB的加熱拆解流程視為一個(gè)完整操作，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每個(gè)完整操作用時(shí)約50 s，期間包含兩個(gè)階段：(1)加熱熔錫階段，在此階段，工人夾取待拆解WPCB，將含錫的一面放入操作臺(tái)高溫錫水中加熱，使焊錫熔化，該階段用時(shí)約30 s；(2)去除元器件階段，在此階段，操作工人利用鉗子等工具，通過(guò)敲打、刮除等方式去除加熱后WPCB的元器件，該階段用時(shí)約20 s。在WPCB加熱熔錫階段，基板和焊錫受熱后會(huì)連續(xù)釋放大量氣體污染物，由于集塵罩的負(fù)壓作用，大部分顆粒物被吸入通風(fēng)管道及尾氣處理系統(tǒng)。在去除元器件階段，操作工人用鉗子夾住WPCB敲打、振動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)集塵罩內(nèi)部氣流造成擾亂，使部分顆粒物逸出集塵罩。

圖1為一個(gè)完整的WPCB加熱拆解過(guò)程中(188～237 s)，不同粒徑段的顆粒物數(shù)濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖1可見(jiàn)，前30 s左右的加熱熔錫階段產(chǎn)生的顆粒物數(shù)濃度相對(duì)較少，峰型不明顯；后20 s左右的去除元器件階段，顆粒物數(shù)濃度有明顯的上升，形成一個(gè)污染峰，這是由于工人敲打、振動(dòng)WPCB對(duì)集塵罩內(nèi)部氣流造成擾動(dòng)所致。生成的顆粒物主要為空氣動(dòng)力學(xué)平均直徑在0.200 μm以下粒徑段的顆粒物，且顆粒物粒徑越小，其數(shù)濃度越高。

圖1 一個(gè)完整過(guò)程中不同粒徑段的顆粒物數(shù)濃度Fig.1 Number concentration of particles with different sizes in a whole process

2.2 顆粒物粒徑分布

圖2為加熱熔錫階段和去除元器件階段顆粒物數(shù)濃度粒徑分布情況。由圖2可見(jiàn)，WPCB加熱拆解過(guò)程中產(chǎn)生的顆粒物大多為細(xì)顆粒物，總體看來(lái)顆粒物粒徑越小，數(shù)濃度越高。加熱熔錫階段和去除元器件階段顆粒物數(shù)濃度的粒徑分布基本一致，均是以空氣動(dòng)力學(xué)平均直徑為0.040、0.070 μm粒徑段的顆粒物數(shù)濃度最高，即粒徑在0.028～0.095 μm的顆粒物數(shù)濃度最高，隨粒徑增加，顆粒物數(shù)濃度逐漸降低。且任何一個(gè)粒徑段均是去除元器件階段所產(chǎn)生的顆粒物更多，空氣動(dòng)力學(xué)平均直徑大于1.940 μm粒徑段的顆粒物更是主要來(lái)自去除元器件階段。

圖2 兩個(gè)階段的顆粒物數(shù)濃度粒徑分布 Fig.2 Particle size distribution of number concentration in two stages

圖3為加熱熔錫階段和去除元器件階段顆粒物質(zhì)量濃度粒徑分布情況。由圖3可見(jiàn)，在WPCB加熱拆解過(guò)程中產(chǎn)生的細(xì)顆粒物雖然數(shù)濃度很大，但質(zhì)量濃度很小，說(shuō)明空氣中的顆粒物質(zhì)量主要由粒徑較大的顆粒物貢獻(xiàn)。在WPCB加熱拆解的兩個(gè)階段中，顆粒物質(zhì)量濃度的粒徑分布基本一致，顆粒物質(zhì)量濃度隨粒徑增加逐漸升高，去除元器件階段所產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)量濃度更大。

圖3 兩個(gè)階段的顆粒物質(zhì)量濃度粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of mass concentration in two stages

2.3 顆粒物排放系數(shù)

由上述分析可知，在WPCB加熱拆解過(guò)程中將釋放出不同粒徑的顆粒物，各粒徑段顆粒物具有不同的數(shù)濃度和質(zhì)量濃度。在此，假設(shè)加熱拆解車間運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的顆粒物污染可視為若干個(gè)單次加熱拆解過(guò)程之和，且車間內(nèi)單位時(shí)間顆粒物排放濃度與一個(gè)完整的WPCB加熱拆解過(guò)程中顆粒物平均排放濃度相同，則顆粒物的數(shù)濃度排放系數(shù)和質(zhì)量濃度排放系數(shù)計(jì)算方法如下：

(1)

(2)

式中：nEFi為第i個(gè)粒徑段顆粒物的數(shù)濃度排放系數(shù)，個(gè)/cm3；Ni，t為第i個(gè)粒徑段顆粒物在t時(shí)刻(t=1～50 s)產(chǎn)生的顆粒物數(shù)濃度，個(gè)/cm3；T為一個(gè)完整的WPCB加熱拆解周期，T=50 s；cEFi為第i個(gè)粒徑段顆粒物的質(zhì)量濃度排放系數(shù)，mg/m3；Ci，t為第i個(gè)粒徑段顆粒物在t時(shí)刻產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)量濃度，mg/m3。

根據(jù)采樣數(shù)據(jù)計(jì)算不同粒徑段顆粒物的數(shù)濃度排放系數(shù)及質(zhì)量濃度排放系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，不同粒徑段顆粒物中，小顆粒物的數(shù)濃度排放系數(shù)更高，而大顆粒物的質(zhì)量濃度排放系數(shù)更高。將所有粒徑段顆粒物排放系數(shù)相加后，得到WPCB加熱拆解過(guò)程中顆粒物的數(shù)濃度排放系數(shù)為3.30×105個(gè)/cm3，質(zhì)量濃度排放系數(shù)為9.55 mg/m3。

表1 WPCB加熱拆解過(guò)程中顆粒物的排放系數(shù)

與印刷電路板生產(chǎn)企業(yè)相比，電路板生產(chǎn)車間的空氣中PM10質(zhì)量濃度為27.1～289.8 μg/m3，PM2.5質(zhì)量濃度為22.1～212.3 μg/m3[26]。而WPCB加熱拆解過(guò)程中排放的PM10質(zhì)量濃度約為9.55 mg/m3，PM2.5質(zhì)量濃度約為1.20 mg/m3，污染程度遠(yuǎn)高于電路板生產(chǎn)企業(yè)，同時(shí)也顯著高于陰極射線顯像管(CRT)顯示器回收過(guò)程中的PM10質(zhì)量濃度(316.9 μg/m3)[27]。

2.4 顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)的沉積特征

本研究采用國(guó)際防輻射委員會(huì)(ICRP)提供的簡(jiǎn)化模型，利用操作工人口鼻位置ELPI采集的顆粒物檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)加熱拆解車間操作工人吸入顆粒物在呼吸系統(tǒng)中的沉積特征進(jìn)行研究。假設(shè)顆粒物主要沉積在人體呼吸系統(tǒng)的鼻腔咽喉部位、氣管支氣管部位和肺泡部位，3個(gè)部位顆粒物沉積量均與顆粒物的粒徑有關(guān)。則根據(jù)式(3)可以計(jì)算得到不同粒徑段顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)不同部分的沉積通量：

Di,j=DFi,j×cEFi×Vj=1,2,3

(3)

式中：Di,j為第i個(gè)粒徑段顆粒物在第j個(gè)部位的沉積通量(j=1為鼻腔咽喉部位，j=2為氣管支氣管部位，j=3為肺泡部位)，mg/h；DFi,j為第i個(gè)粒徑段顆粒物在第j個(gè)部位的沉積系數(shù)，DFi,j計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，具體參見(jiàn)文獻(xiàn)[28]；V為正常成人的呼吸速率，取0.45 m3/h[29]。

根據(jù)ELPI檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)式(3)計(jì)算得到不同粒徑段顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)不同部位的沉積通量，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2計(jì)算可得，人體呼吸系統(tǒng)的鼻腔咽喉部位、氣管支氣管部位和肺泡部位的顆粒物總沉積通量分別為3.32、1.26×10-1、1.99×10-1mg/h，即每小時(shí)約有3.65 mg顆粒物進(jìn)入工人的呼吸系統(tǒng)。雖然大部分顆粒物沉積在鼻腔咽喉部位，但也有部分顆粒物進(jìn)入到氣管支氣管甚至肺泡部位，對(duì)工人的呼吸系統(tǒng)造成潛在危害。若按工人每日工作時(shí)間為8 h計(jì)算，則每天約有29.20 mg顆粒物進(jìn)入工人的呼吸系統(tǒng)中，說(shuō)明僅僅通過(guò)工作臺(tái)上方的負(fù)壓排氣裝置并不能保證工人的呼吸健康，為降低工作中的健康風(fēng)險(xiǎn)，建議工人佩戴能夠有效過(guò)濾細(xì)顆粒物的口罩進(jìn)行操作。

表2 顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)的沉積通量

3 結(jié) 論

(1) 總體看來(lái)，WPCB加熱拆解過(guò)程所釋放的顆粒物中，數(shù)量上以細(xì)顆粒物為主，粒徑越小的顆粒物數(shù)濃度越高；質(zhì)量上以大顆粒物為主，粒徑越大的顆粒物質(zhì)量濃度越高。WPCB的加熱拆解流程包含加熱熔錫、去除元器件兩個(gè)階段，其中去除元器件階段顆粒物排放更大。

(2) WPCB加熱拆解過(guò)程顆粒物的數(shù)濃度排放系數(shù)為3.30×105個(gè)/cm3，質(zhì)量濃度排放系數(shù)為9.55 mg/m3。操作工人吸入的PM10約為9.55 mg/m3，PM2.5約為1.20 mg/m3，顆粒物污染嚴(yán)重。

(3) 操作工人吸入的顆粒物在呼吸系統(tǒng)的鼻腔咽喉部位、氣管支氣管部位和肺泡部位的沉積通量分別為3.32、1.26×10-1、1.99×10-1mg/h，每小時(shí)約有3.65 mg顆粒物進(jìn)入工人的呼吸系統(tǒng)，需要加強(qiáng)對(duì)操作工人呼吸系統(tǒng)的職業(yè)防護(hù)措施。

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Particulatematteremissionanddepositioncharacteristicsinhumanrespiratorysystemduringwasteprintedcircuitboardsheatinganddisassemblingprocess

JIAng1，WANGJianbo1，GUOJie1,2，XUZhenming1,YANGYichen3,LIYingshun3.

(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240;2.ShanghaiCooperativeCentreforWEEERecycling,Shanghai201209;3.ShanghaiXinJinqiaoEnvironmentalProtectionCo.,Ltd.,Shanghai201201)

There was a large number of electronic components on the surface of waste printed circuit boards(WPCB). From the perspective of efficient recycling of WPCB,it was very important to remove the electronic components on WPCB. The most common way was heating and melting the solder between electronic components and printed circuit board. While large amount of pollutants would released during the heating and disassembling process,and it would cause environmental pollution and harm to the health of workers. In this research,the characteristics of particle size distribution,number concentration and mass concentration were determined experimentally in the process of heating and disassembling WPCB. The deposition characteristics of the particulate matter in human respiratory system were also studied. The results showed that the majority of the particulate in number were fine particulate matter,and the particle number concentration was higher when particle size smaller. Large particles contributed more of particle mass,with the greater the particle size,the higher the particulate mass concentration. During the treatment process,the emission coefficient of the particle number concentration was 3.30×105cm-3,and the emission coefficient of mass concentration was 9.55 mg/m3. The deposition fluxes of particulate matter inhaled in the respiratory system of the nose and throat,trachea and bronchus，alveolar area was 3.32,1.26×10-1,1.99×10-1mg/h,respectively. About 3.65 mg particulate matters was inhaled into the worker’s respiratory system every hour. It’s necessary to provide protection measures for workers’ respiratory system.

waste printed circuit boards； particulate matter； emission coefficient； inhalation exposure

紀(jì) 昂，男，1992年生，碩士研究生，主要從事電子廢棄物資源化及污染特征研究。#

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*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.21307030)；上海電子廢棄物資源化產(chǎn)學(xué)研合作開(kāi)發(fā)中心開(kāi)放基金資助項(xiàng)目。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.06.001

2016-12-10)