废弃线路板的回收及再利用方法 【技术领域】
本发明属于回收再利用技术领域,涉及一种废弃线路板的回收及再利用方法。
背景技术
随着我国可持续发展战略的实施,对环境保护提出了更高的要求。电子垃圾的回收与利用成为多数国家面临的棘手问题。目前我国已成为家用电器的生产和消费大国,仅以年报废更新2%计算,每年淘汰的四大类家用电器就达2000万台,加上在全社会普及使用的更新周期只有2-4年的电脑、手机等高科技电子产品,以及不断涌现的质优价廉的新型家电产品,使得我国家用电器的实际年报废更新已高达2500万台以上。印刷电路板(PCB)作为废弃家电中的关键部件,其回收和资源化问题成为急需解决的热点问题。我国内地有印刷线路板生产企业1000家左右,2006年中国PCB产量为12964万平方米,年产值128亿美元,已经成为PCB第一大生产国,生产过程中的大量边角料、废板的回收也面临重大难题。
废弃印刷线路板是玻璃纤维强化树脂和多种金属的混合物,属典型的电子废弃物。与日俱增的废弃线路板加上生产线路板产生的大量边角废料,如果不妥善处理和处置,不但会造成有用资源的大量流失,而且会对环境产生严重的危害。传统堆放或填埋的方法,不仅占用大量空间,所含的重金属如汞、铬、镉等及高分子有机物在自然条件下很难降解,有害成分通过水、大气、土壤进入环境,会给人类健康和生态环境造成潜在的、长期的和不可恢复的危害,其中所含的铅是城市废物中铅的第二大来源。
“废弃线路板”并不是“废物”,而是有待开发的“第二资源”,具有很高的回收利用价值。线路板中的金属品位相当于普通矿物中金属品位的几十倍至上百倍,金属的含量高达40%,最多的是铜,此外还有金、铝、镍、铅等金属,其中不乏稀有金属;而自然界中的富矿金属含量不过3%~5%。有统计数据表明,每吨废线路板中可提炼出300g左右的金。印刷线路板上的焊锡以及塑料等物质,也是可以被回收利用的重要资源。另外,废弃线路板上的大部分元器件功能完好,使用寿命远远没有终结,可以二次利用。
现有回收方法主要包括能量回收(焚烧法)、酸浸法、化学回收法(热解)和物理回收法(粉碎法)等。当前,对废弃线路板的回收处理主要集中在线路板中贵重金属的提纯、“高价值”电子元器件的拆解回用上,丢弃、焚烧和填埋了大量“无价值”的非金属材料,造成了严重的土壤和水资源污染。由于废弃线路板中非金属塑料的燃烧热值较低,在燃烧过程中还易产生二恶英等致癌物质,焚烧法逐渐受到各国的限制;酸浸法中形成的化学物质对土壤和水产生二次污染,经酸浸后的非金属材料多采取了填埋方式,其废弃量及对环境的污染巨大,也遭到了环保方面的极力反对。化学回收法(热解)尚处于实验室阶段,其在金属富集体的二次分离、能耗、工业化等方面的问题还有待深入的探索;物理回收(粉碎法)采用物理粉碎和分离的方式,其实用性较强并且对环境影响较小,成为日前较为流行的和认可的处理方式。
而目前物理回收(粉碎法)技术体系并不完备,受法律法规不完善、经济利益驱动和技术条件限制的影响,其回收主要集中在对其中核心部件或元器件的拆解后的直接再利用上,且拆解多集中在小作坊式的工厂进行,废弃线路板的回收处理还停留在简单的拆解作坊式“土法”分离电子垃圾中的贵重金属,其他物质就随意丢弃的状态。现有技术中的拆解方式对环境的污染是极大的,对拆解作业工人及周边人类地健康也构成很大的威胁。为了降低废弃线路板回收处理对环境的影响,充分分类回收废弃线路板的各种材料并分别合理再利用,开发出一种环境友好、高效的废弃线路板绿色回收及再利用系统是非常有必要的。
【发明内容】
本发明目的是为了解决现有的废弃线路板回收利用率低、造成二次污染的问题,提出了一种废弃线路板的回收及再利用综合方法,所述的方法首先通过无损拆解技术将线路板基板、焊料和元器件进行分离回收,然后对元器件进行分类检测,对于基板和功能丧失元器件分别进行破碎和分离,并回收再利用,达到了对线路板进行全面回收的目的,并实现了全资源化回收利用线路板,分类处理后无废物产生,无二次污染。
所述的废弃线路板的回收及再利用方法主要包括以下几个实施步骤:
步骤一、废弃线路板的无损拆解。
拆解后分别回收得到基板、焊料和元器件三部分,所得到的焊料可直接回收。
步骤二、元器件分类与快速检测;
首先将步骤一中拆解下来的元器件进行功能分类和材料级分类,所述的功能分类是指将元器件分为电阻、电容、晶体管、电感、接插件等类别,对于每一个类别的元器件分别在由检测仪构成的元器件快速检测流水线检测台进行功能性检测,对于功能尚未丧失的元器件直接回收以再利用;对于功能已经丧失的元器件,进行材料级分类,并进行破碎和分离的后续回收处理;所述的材料级分类是以具体元器件的主要组分作为判别进行元器件的分类。
步骤三、破碎和分离;
将线路板基板和功能丧失的材料级分类后的元器件分别进行破碎、静电分选或高强度离心分选、旋风分选和磁分选等,具体步骤如下:
(1)一级破碎:选用以剪切破碎为主的粉碎机将线路板基板破碎至小于20mm物料。破碎过程中采用液氮冷却增加基板的脆性,有利于基板的破碎。
(2)二级破碎:将一级破碎后的基板碎块、已丧失功能的各类元器件,采用剪切和冲击的方式分别进行破碎,破碎后可得到粒径为0.1~2mm左右的细小物料。
(3)物料分选:通过筛分,可得到各类物料,对于大于2mm的物料返回步骤(2)的进行再次破碎;对于元器件破碎得到的铜铁引脚料,进入步骤(4)处理;其余物料进入步骤
(5)处理;
(4)将铜、铁引脚进行球磨处理:将引脚表面镀锡层和内部金属分离,分离后进行磁选,分离出铁、镍金属富集体,剩下铜和锡铅富集体通过筛分的方式,根据粒径的大小不同,分离出铜富集体和锡铅富集体。
(5)分选出金属富集体和非金属富集体:对于上述步骤(3)分选中得到的其余物料,通过筛分划分成M个粒级,采用高强度离心分选方法和静电分选的方式,分选出非金属富集体和金属富集体。对金属富集体进行再次粒级划分,并采用静电分选方式进行提纯。
(6)根据实际需要,可对非金属富集体进行风力分选:选出非金属富集体中的塑料富集体和陶瓷富集体。
(7)对金属富集体进行磁选:磁选后可以将金属富集体中的铁、镍金属富集体分离出来,剩下的其他金属富集体单独回收。
步骤四、回收非金属富集体的再利用。
对于上述步骤中分离出来的金属富集体,可送冶炼厂进行回收利用;而对于非金属富集体,本发明提供了一种综合利用的方式,即以非金属富集体粉料做为增强体或填料,制备复合材料。
所述的复合材料中的基体为塑料,可以是聚丙烯、不饱和树脂等,以热压工艺制备废弃物复合材料。
本发明的优点在于:
(1)通过高效的元器件无损拆解工艺,对元器件的批量拆解,实现基板、元器件和焊锡的分离回收,简化了后续的破碎和分离流程;并为功能完好元器件的直接回收奠定了基础。
(2)通过元器件的功能分类和材料级分类,实现了对可直接再利用元器件的分拣和回收再利用,并为元器件的物理法回收提供了保障,对不可直接回用的元器件形成了相关的破碎分离工艺。
(3)利用非金属富集体粉料制备了废弃物复合材料,提升废弃线路板的附加值,为实现全资源化回收提供了可能。
(4)本发明提供的回收及再利用方法实现了对废弃线路板全资源化的分类回收,回收后材料实现再利用,无二次污染。
【附图说明】
图1是本发明提供的废弃线路板回收及再利用方法流程图;
图2为单一线路板无损拆解方法流程图;
图3为破碎和分离方法流程图;
图4为基板的破碎分离方法流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明提供的废弃线路板回收及再利用方法进行详细说明。
所述的废弃线路板的回收及再利用方法,流程图如图1所示,主要包括以下几个实施步骤:
步骤一、废弃线路板的无损拆解;
所述的线路板无损拆解是在无损拆解设备上实现的。所述的无损拆解设备包括装卡单元、预加热单元、加热震动单元、卸除单元、输送单元和回收单元,线路板通过输送单元上的传动链条依次被输送到装卡单元、预加热单元、加热震动单元和卸除单元,实现线路板的拆解,最后通过回收单元对拆解下来的焊料颗粒、元器件与基板进行分别收集,实现流水线拆解作业;其中单一线路板拆解流程图如图2所示,包括如下步骤:
步骤1:在装卡工位,打开夹具体钳口,将线路板安装在夹具体上。
步骤2:传动电机得电运行,输送单元将该夹具体上的线路板输送到预加热区,即预加热工位,进行预热保温;
步骤3:保温3~30s后,输送单元将线路板输送到加热震动区,即加热震动工位,此时传动电机断电,震动电机得电运行,带动夹具体及其上的线路板震动;
步骤4:线路板上的元器件和焊锡颗粒经震动3~30s后落入回收单元的隔离栅进行分离,分离后,元器件进入元器件收集筐,焊锡颗粒落入焊锡收集筐;
步骤5:震动电机停止,传动电机启动,该线路板随传动链条输送至卸除工位,打开夹具体钳口,线路板基板在重力作用下自行脱落,由基板收集筐进行收集。
经上述设备和方法可以实现对于线路板元器件、基板以及焊料的有效分离和收集。
步骤二、元器件分类与快速检测;
该步骤用于对步骤一中拆解下的电子元器件进行快速分类和检测,并分别回收。
在分类上采用了功能分类和材料级分类两种分类方式,首先将步骤一中拆解下来的元器件进行功能分类,所述的功能分类是指将元器件分为电阻、电容、晶体管、变压器等功能性部件,而变压器可进一步划分为进给变压器、信号变压器、开关电源变压器等,每组类别单独收集。根据每一个功能类别,采用相应的电阻检测仪、电容检测仪、晶体管检测仪等进行检测,对于功能尚未丧失的元器件直接回收以再利用;对于功能已经丧失的元器件,进行材料级分类,进而进行破碎和分离的后续回收处理。所述的材料级分类是以元器件的主要组分作为判别进行元器件的分类,如电容器可分为铝电解电容器、钽电解电容、瓷介/云母电容器、薄膜/纸介电容器等,每组类别单独收集。
为了快速评估元器件的功能是否丧失,采用元器件快速检测装置,包括晶体管检测仪、电容器检测仪、变压器检测仪等,各个检测仪构成元器件快速检测流水线检测台,所述的流水线检测台由各种元器件检测仪构成若干个实施工位,根据需要或者规模,可同时实现对多种元器件的分类性能检测。例如在流水线上设置12个工位,同时检测4种元器件,检测的速度可以达到0.5~2s/个。经检测台检测后,功能尚未丧失的元器件输送至回用系统,准备二次利用;功能已经丧失的元器件进入分类筐积累至一定量后进入破碎和分离处理过程。
步骤三、破碎和分离。
本发明充分考虑了废弃线路板基板、各类元器件破碎和分离的复杂性,通过集成现有破碎、磁选、静电分选、风选等多种技术,建立了废弃线路板的破碎和分离综合处理线,结合步骤二所形成废弃线路板材料级分类的特点,针对待破碎和分离物质的特性,采用区别的工艺,动态调用处理设备和技术参数,实现物料的精确分离,大大提高了分离效率,解决了废弃线路板物质种类复杂、物理分离难的问题。
如图3所示,对于基板和功能丧失的各类元器件的破碎和分离的综合处理步骤如下:
(1)一级破碎:选用以剪切破碎为主的粉碎机将线路板基板破碎至20mm左右物料。破碎过程中采用液氮冷却增加基板的脆性,有利于基板的破碎。
(2)二级破碎:将基板和已丧失功能的元器件,采用剪切或冲击的方法分别进行破碎,破碎后分别可得到粒径为0.1~2mm左右的细小物料。
(3)物料分选:对破碎后的物料进行筛选,可以是摇床筛选或者振动筛筛分,或者旋风分离,对于大于2mm的物料返回步骤(2)进行再次破碎;从粒径为0.1~2mm的细小物料中选出铜、铁引脚料,并跳转到步骤(4)处理;对于其余物料跳转到步骤(5)处理。
(4)将铜、铁引脚进行球磨处理,将表面镀锡层和内部金属分离,分离后进行磁选,分离出铁、镍金属富集体,剩下铜和锡铅富集体通过筛分的方式,根据粒径的大小不同,分离出铜富集体和锡铅富集体。
(5)分选出金属富集体和非金属富集体:对于上述步骤(3)分选中得到的其余物料,如果粒径小于等于0.074mm,则采用高强度离心分选方法分选出金属富集体和非金属富集体;对于粒径大于0.074mm的物料,采用静电分选的方式,分选出非金属富集体和金属富集体。在静电分选过程中,可以将金属富集体按照不同粒径大小进一步细分为几个粒级,采用多次静电分选的方式,尽量精细的提纯金属富集体。
(6)对非金属富集体进行风力分选:对于非金属富集体,如果其中包含有密度差别较大的材料组分,根据实际需要,可以采用风力分选的方式选出非金属富集体中的各种材料组分,如塑料富集体和陶瓷富集体。
(7)对金属富集体进行磁选:磁选后可以将金属富集体中的铁、镍金属富集体分离出来,剩下的其他金属富集体单独回收。
由于上述的破碎和分离过程是在材料级分类的基础上进行的,而每种元器件的金属材料组分通常只有除铁、镍之外的一种或者两种,因此在金属富集体中,磁选方式选出铁、镍富集体之后,最后剩下的金属富集体中的金属类别只有一种或两种,不影响金属的直接回收利用。
下面以基板和元器件的破碎和分离技术来详细说明该破碎和分离综合处理线的工作过程,其中基板的破碎分离技术流程图如图4所示,具体步骤如下:
(a)收集废弃线路板基板,存放一定量线路板基板的收集箱送至输送机,输送机将线路板基板输送至机械粉碎机的进料口;
(b)一级破碎:由于线路板基板韧性较强,采用以剪切破碎为主的鄂式粉碎机较为适宜,通过一级破碎,可将线路板基板破碎至20mm左右物料,以便进行再次破碎;为了防止机械破碎过程中局部过热而爆炸,同时也预防有毒气体的产生,在粉碎机周围用液氮装置进行冷却;液氮罐放置粉碎机附近,通过管道引向粉碎机。另外,采用液氮冷却也可以增加线路板的脆性,利于线路板基板破碎。
(c)二级破碎:主要以剪切和冲击的破碎方式,力求以高效率达到粒度要求。选用锤式粉碎机,二级破碎后得到粒径为0.1~2mm左右的细小物料。
(d)物料分选:将步骤(c)中得到的细小物料,通过旋风分离设备实现物料的粗分,得到金属富集体和非金属富集体,将>2mm的颗粒重新送入二级破碎设备进一步破碎。
(e)静电分离:对旋风分离富集的金属富集体筛分为两个粒级:-0.074mm和+0.074mm,对粒级-0.074mm的金属富集体,采用高强度离心分选方法提纯;对于粒级+0.074mm的金属富集体,采用静电分选的方式提纯。所述的金属金属富集体主要为铜。
电子元器件的破碎和分离步骤如下:
(a)采用二级破碎工艺对电子元器件进行破碎处理,根据电子元器件的脆性和韧性情况,脆性电子元器件采用锤式粉碎机冲击破碎,韧性电子元器件采用剪切粉碎机进行剪切破碎,破碎后得到的物料粒径为0.1~2mm。
(b)物料分选:选用振动筛或者摇床的方式对破碎后的物料进行分选,对于大于2mm的物料重新返回步骤(a)进行破碎,对于破碎粒径符合要求的物料进行进一步的筛分,得到不同粒径级别的物料和铜铁引脚。
(c)对于步骤(b)中不同粒径级别的物料,分别选用高强度离心分选和静电分选的方式进行进一步的物料分选,得到金属富集体和非金属富集体。所述的高强度离心分选是针对粒径尺寸小于等于0.074mm的物料,静电分选是针对粒径大于0.074mm的物料;对粒径大于0.074mm的物料,还可以进一步细分成多个粒径等级,通过设定不同的静电分选参数实现金属富集体和非金属富集体分离。例如,对于粒级为-0.5+0.074mm、-2+0.5mm的物料采用静电分选分离,静电分选参数为对于-2+0.5mm粒级:电压20kV、辊筒转速80r/min,对于-0.5+0.074粒级:电压24kV,辊筒转速55r/min;将静电分选得到的金属富集体继续进行静电分选,直到得到的金属富集体的纯度达到用户要求。
(d)对于非金属富集体进行风力分选,得到塑料富集体和陶瓷富集体。对于金属富集体进行磁选,将铁、镍富集体与其他金属分离。对于铝电解电容,所述的其他金属就是铝,对于钽电解电容,所述的其他金属就是钽。
(e)对步骤(b)中的铜铁引脚进行球磨处理,然后磁选分离出铁、镍金属富集体,剩下的物料中主要为锡铅富集体和铜富集体,因为铜与锡铅金属的密度不同,因此可以通过筛分的方式将锡铅富集体与铜富集体分离。
电子元器件破碎和分离较为复杂,本发明根据各类元器件的特点,设计了不同的回收工艺以供处理厂选择,例如涤纶电容器的回收工艺步骤如下:
(a)由于镀锡铜包钢线与酚醛粉末和涤纶薄膜的结合极弱,故用机械将其拔出,即可分离。由于镀锡铜包钢线与锡铅合金的结合疏松,可用机械球磨分开。
(b)由于酚醛粉末与涤纶薄膜的结合力弱,故剪切破碎即可分离。可选用剪切破碎机,采用二次破碎的装机功率为60~100kw,破碎能力为2~8吨/时,出料粒度≤20mm,将镀锡铜包钢线、锡铅合金、涤纶薄膜破碎成粒度小于0.5mm的物料。
(c)根据金属与非金属的密度不同,进行摇床分选。可选用摇床,产量为200~4500kg/h,主机功率为1.1kw。摇床分选后得到非金属涤纶粉末和金属铜、锡铅粉末,进一步摇床筛分,分离出金属铜。
步骤四、回收非金属富集体的再利用。
对于金属富集体来说,金属富集体可以直接进行冶炼和铸造等回收处理,回收技术已经很成熟,因此该步骤主要实现PCB基板非金属富集体的综合利用。对于破碎分离后的PCB基板在提取以铜为主的金属富集体后,产生大约70%重量的非金属富集体,本发明根据PCB粉末具备的短切、多组分混杂的特点,通过以破碎后的非金属富集体粉料作为增强体或填料,选择与非金属富集体相容性较好的塑料作为基体制备了废弃物复合材料。对于元器件破碎后得到的塑料和陶瓷等非金属富集体,也同样是作为增强体或填料,用于制备复合材料,进而得到回收再利用。所述的基体材料塑料可以是不饱和聚酯、环氧树脂、聚丙烯、聚甲醛、聚酰胺。醋酸纤维素和赛璐珞等,这些都是与非金属富集体具有很好的相容性的塑料材料。制备过程中加入偶联剂或者短切玻璃纤维可以使得复合材料的性能更好。
所制备的不饱和聚脂基废弃物复合材料实现了废弃物添加量达到75%,其弯曲强度可达150Mpa以上,冲击强度可达18kJ/m2,远远优于市场上销售的抗弯强度为12MPa木塑建筑板。
对于上述的涤纶电容器得到的非金属富集体,按4~15%的重量比例(其中的玻纤含量达50%左右),加入到酚醛原料中,可得到较为理想的酚醛再生模压材料。
经上述方法制备得到的复合材料,不仅可以取代木材,还可以广泛应用于替代建筑材料、装饰材料等方面。比如铺板(包括平台、路板、站台、垫板),护墙板、天花板、装饰板、踏脚板、壁板、建筑模板、防潮板等。此外,还用于装饰边框、栅栏和庭院扶手,以及家具(包括室外露天桌椅)、船舶座舱隔板、办公室隔板、贮存箱、花箱、活动架等。可有效缓解木塑复合材料的应用量不断增长的现状。粉体/玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料的市场前景非常广阔。