破碎-分選廢棄印刷電路板混合金屬顆粒中Pb,Zn,Cd等重金屬的真空分離與回收.pdf

1、廢棄印刷電路板(WPCBs)是電子垃圾的重要組成部分，其中蘊含的金屬的含量是天然礦藏品位的幾十倍甚至幾百倍，具有重要的回收價值。目前，WPCBs的資源化利用主要集中在回收銅和貴金屬，鉛、鎘等有毒重金屬則得不到有效處理和處置。在回收銅和貴金屬的同時，鉛、鎘等有毒重金屬釋放到空氣、土壤、水等環(huán)境中，造成重金屬污染，危害人類健康。本論文將廢棄印刷電路板經(jīng)破碎-分選后得到的混合金屬顆粒作為研究對象，自行研制真空分離設(shè)備一臺，根據(jù)混合金屬中各組分

2、在同一溫度下蒸氣壓不同，在真空中通過蒸發(fā)與冷凝，實現(xiàn)各組分的相互分離。研究各金屬顆粒蒸發(fā)-冷凝的熱力學(xué)和動力學(xué)條件，得出混合金屬顆粒中高蒸氣壓、低熔點金屬的蒸發(fā)分離機(jī)制，揭示多元混合金屬在真空分離過程中的相互影響作用，使廢棄印刷電路板中的多元混合金屬得到分離和回收，避免了在回收銅冶煉過程中有毒、有害金屬（鉛、鎘等）揮發(fā)到大氣中，并實現(xiàn)了鉛、鎘等金屬的分離與回收。
　　發(fā)現(xiàn)混合金屬顆粒中鋅、鎘由固態(tài)直接升華，蒸發(fā)過程受到表面氧化膜的

3、阻礙，粒徑越小，阻礙作用越大;鉛、鉍顆粒由固態(tài)熔化為液態(tài)進(jìn)而蒸發(fā)，粒徑越小，形成的液滴蒸氣壓越大，蒸發(fā)速率也越大，蒸發(fā)速率可以用Langmuir-Knudsen公式描述。結(jié)合各種金屬元素的蒸氣壓差異和純金屬顆粒的蒸發(fā)率差別，得出混合金屬顆粒中鋅、鎘、鉛、鉍真空冶金的分離判據(jù)，根據(jù)判據(jù)，將易揮發(fā)金屬顆粒進(jìn)行分離，混合物中目標(biāo)金屬的分離率達(dá)90％以上。
　　從動力學(xué)角度，混合金屬顆粒的真空分離過程分為金屬顆粒蒸發(fā)/升華、金屬蒸氣擴(kuò)散Ⅰ

4、（即顆粒間擴(kuò)散）、金屬蒸氣擴(kuò)散Ⅱ（即爐膛內(nèi)擴(kuò)散）以及冷凝四步。擴(kuò)散Ⅰ階段，銅顆粒料層厚度對混合物中金屬的蒸發(fā)分離起到阻礙作用，擴(kuò)散Ⅱ階段，高真空有利于高蒸氣壓金屬的分離。
　　對于多元混合金屬顆粒，由于銅顆粒的阻礙作用，各種易揮發(fā)金屬蒸發(fā)率之間的差異縮小，很難實現(xiàn)依次分離。當(dāng)金屬混合顆粒中同時含有鉍和鉛時，鉍與鉛形成負(fù)偏差合金——鉛鉍合金，蒸氣壓小于鉛或鉍，使鉛的蒸發(fā)分離更為困難，在1123 K下，需要較長的加熱時間(135-15

5、0 min)才能使分離率達(dá)90％以上，但鎘等高蒸氣壓金屬可以在低溫下優(yōu)先與銅分離，在1023 K下加熱60 min，鎘的分離率接近100％，然后再分離鉛和鉍;當(dāng)同時含有鋅和鉛時，鋅和鉛在1123 K下加熱90 min，利用鋅和鉛的冷凝位置和冷凝形貌不同，實現(xiàn)了銅富集體中鉛、鋅的共同蒸發(fā)分離與分別回收。根據(jù)各種金屬蒸發(fā)與冷凝特性的差異，將優(yōu)先分離與共同蒸發(fā)分離相結(jié)合，可以實現(xiàn)混合金屬顆粒中易揮發(fā)金屬的分離與回收。
　　焊錫-銅混合顆

6、粒的鉛分離率高于單純焊錫，大量銅顆粒的存在使得焊錫中的鉛更易于蒸發(fā)分離，存在多層蒸發(fā)效應(yīng)和銅-錫合金化效應(yīng)，當(dāng)真空度維持在0.1-1 Pa，在1123 K下加熱90 min，鉛分離率可達(dá)到95％以上。真空分離銅富集體中的焊錫，得到的青銅色聚集體富含金屬錫，使原本分散分布的錫得到富集，有利于進(jìn)一步資源化再利用。
　　在研究基礎(chǔ)上，利用Labview軟件建立了混合金屬顆粒分離工藝的人機(jī)交互界面，將含有各種高蒸氣壓金屬銅富集體的真空分離

7、工藝參數(shù)進(jìn)行可視化顯示，便于制定混合金屬顆粒的真空冶金分離流程，指導(dǎo)實際生產(chǎn)。
　　對真空分離車間內(nèi)的噪聲、總懸浮顆粒物(TSP)、可吸入顆粒物(PM10)及TSP中鉛和鎘的濃度進(jìn)行監(jiān)測評價，結(jié)果表明:真空分離車間內(nèi)的主要噪聲源為機(jī)械泵和水泵，噪聲聲級分別為71.2和69.5 dB(A)，符合國家標(biāo)準(zhǔn)，在該環(huán)境下工作，不會對工人的聽力造成損害;TSP和PM10濃度符合我國《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的空氣二級標(biāo)準(zhǔn);采用美國EPA人體暴

8、露風(fēng)險評價方法對TSP中所含的鉛和鎘進(jìn)行健康風(fēng)險評價顯示，鉛和鎘濃度均低于風(fēng)險閾值，不會對工人造成健康傷害。
　　本文采取的真空分離法對WPCBs經(jīng)破碎-分選后的銅富集體進(jìn)行分離回收，在整個真空分離過程中，銅顆粒沒有熔化，銅富集體中的鉛、鎘等重金屬在低于銅熔點的溫度下實現(xiàn)了固態(tài)分離。與傳統(tǒng)的金屬熔體真空冶金分離相比，具有分離溫度低，能耗低的特點。本研究為分離回收WPCBs中的重金屬提供了理論依據(jù)，為WPCBs的資源化回收和再利用提