资源描述:
2 0 2 0 年第1 0 期 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s ,1 .b g r i m m .c n 9 9 d o i 1 0 .3 9 6 9 ,j .i 蟠n .1 0 0 7 - 7 5 4 5 .2 0 2 0 .1 0 .0 1 8 废电路板母板粉碎料热解研究 刘承飞1 ’2 ,刘俊场1 ,施哲1 ,杨坤1 1 .昆明理工大学冶金与 2 .云南铜业股份有 能源工程学院,昆明6 5 0 0 9 3 限公司,昆明6 5 0 1 0 2 摘要针对三种废电路板母板粉碎料 边框料、锡板、覆铜板 进行了热分解研究,确定了其整个热解过程的 失重机制。结果表明,边框料、锡板、覆铜板的热解均分为三个阶段热解失重前段、热解失重阶段、热解失 重后段。锡板和覆铜板有机组分接近,在~3 0 0 ℃开始失重,在~4 0 0 ℃最快失重阶段完成,失重为热解失 重,活化能分别为2 3 .3 0 和1 2 .4 6k J /m o I ;边框料由两种或两种以上性质不同的树脂组成,在3 0 5 ℃才开始 失重,有两个最快失重阶段,3 0 5 ~3 2 5 ℃和3 2 5 ~3 8 5 ℃,热解失重活化能为2 5 .9 2k J /m o l 。经4 5 0 ℃热 解后,三种物料热解产物中C u 富集增加8 个百分点左右。得到了废电路板母板粉碎料在不同热解反应 阶段下的反应动力学方程。 关键词边框料;锡板;覆铜板;热解;动力学 中图分类号X 7 6文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 2 0 1 0 一0 0 9 9 一0 6 S t u d yo nP y r o l y s i so fC r u s h e dM a t e r i a lf r o mW a s t eC i r c u i tB o a r d L I UC h e n g f e i l “,L I UJu n c h a n 9 1 ,S H IZ h e l ,Y A N GK u n l 1 .F a c u l t yo fM e t a l l u r g i c a la n dE n e r g yE n g i n e e r i n g ,K u n m i n gU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ,K u n m i n g6 5 0 0 9 3 ,C h i n a ; 2 .Y u n n a nC o p p e rC o .,I 。t d .。K u n m i n g6 5 0 1 0 2 ,C h i n a A b s t r 躯t T h e r m a ld e c o m p o s i t i o no ft h r e ek i n d so fw a s t ec i r c u i tb o a r dc r u s h i n gm a t e r i a l s ,i .e ., f r a m e m a t e r i a l , t i np l a t e ,a n dc o p p e rc l a d1 a m i n a t e , w a sc a r r i e do u ta n dw e i g h t l e s s n e s sm e c h a n i s mo fe n t i r e p y r o l y s i sp r o c e s sw a sd e t e r m i n e d .T h er e s u l t ss h o wt h a tp y r o l y s i so ff r a m em a t e r i a l , t i np l a t e ,a n dc o p p e rc l a d l a m i n a t ei sd i v i d e di n t ot h r e es t a g e s , p y r o l y s i sw e i g h tl o s sp r e s t a g e ,p y r o l y s i sw e i g h t1 0 s ss t a g e , a n dp y r o l y s i s w e i g h t1 0 s sp o s t _ s t a g e .T h eo r g a n i cc o m p o n e n t so f t i np l a t ea n dc o p p e rc l a dl a m i n a t ea r ec l o s e ,w e i g h t1 0 s ss t a r t s a ta b o u t3 0 0 ℃,a n dc o m p l e t e sa tt h ef a s t e s tw e i g h tl o s ss t a g ea ta b o u t4 0 0 ℃.T h e i rw e i g h tl o s sa r ep y r o l y s i s w i t ha c t i v a t i o ne n e r g yo f2 3 .3 0k J /m o la n d1 2 .4 6k J /m o lr e s p e c t i v e l y .F r a m em a t e r i a lc o n s i s t so ft w ot y p e s o rm o r er e s i n sw i t hd i f f e r e n tp r o p e r t i e s ,w h i c hs t a r tt o1 0 s ew e i g h ta t3 0 5 ℃,a n dt h e r ea r et w of a s t e s t w e i g h tl o s ss t a g e so f3 0 5 3 2 5 ℃a n d3 2 5 3 8 5 ℃w i t ha c t i v a t i o ne n e r g yo f2 5 .9 2k J /m 0 1 .A f t e rp y r o l y s i s a t4 5 0 ℃,C uc o n t e n ti np y r o l y s i sp r o d u c t so ft h r e em a t e r i a l sr i s e sb y8p e r c e n tp o i n t s .K i n e t i ce q u a t i o n s o fc r u s h e dm a t e r i a lo fw a s t ec i r c u i tb o a r du n d e rd i f f e r e n tp y r 0 1 y s i ss t a g e sa r eo b t a i n e d . K e yw o r d s f r a m em a t e r i a l ;t i np l a t e ; c o p p e rc l a dl a m i n a t e ;p y r o l y s i s ; k i n e t i c s 收稿日期2 0 2 0 0 8 3 1 基金项目国家重点研发计划项目 2 0 1 9 Y F C l 9 0 4 2 0 4 作者简介刘承飞 1 9 8 8 一 ,男,江西赣州人,工程师;通信作者杨坤 1 9 8 5 一 ,女,河北保定人,博士,讲师 万方数据 1 0 0 2 0 2 0 年第1 0 期 作为再生铜的主要原料,废杂铜的来源主要有 四个方面【l2 。1 铜冶炼废品和废料;2 机械加T 产 生废品和废料;3 废旧电线电缆、仪器仪表、T 具和 机器设备;4 废旧家电、电子产品、汽车等。其中,从 废旧电路板回收铜及其他有价金属是利润率和技术 要求最高的一类,因此开展废旧电路板综合回收技 术研究意义重大[ { ‘。 目前,废印刷电路板的回收技术最常用的有火 法冶金技术扣6 | 、湿法冶金技术_ 81 、机械处理技 术。川’j 、生物技术[ 1 11 2 j 、热解法u3 I 。火法冶金技术 通过焚烧、熔炼、烧结或熔融等火法处理手段去除电 子废弃物中塑料及其他有机成分,使金属得到富集 并进一步回收利用,原料不稳定导致配料复杂且产 生二嗯英污染;机械处理技术是利用废弃印刷电路 板中的金属材料具有较大的韧性,而非金属材料具 有脆性,且二者的电、磁、密度等性质差异较大来实 现分离,能耗高且无法回收有机物和玻璃纤维;湿法 冶金技术是采用高酸将有价金属溶出而得到回收, 酸耗大且产生大量需要处理的废液;生物法是利用 j 价铁离子的氧化性将贵金属合金中的其它金属氧 化溶解,使贵金属裸露出来便于回收,还原的二价铁 离子被细菌再氧化用于浸取,但生物法技术不稳定, 无法应用于丁业;热解法是将废弃印刷电路板在缺 氧环境下加热,使其中的有机物分解,其他组分在热 解后也成为解离状态,利用粉碎、磁选、电选等方法 回收。几种方法中热解法技术较为稳定,是T 业处 理废旧电路板最优技术,而已有的热解研究报道还 难以满足工程实际的要求。 本文针对三种典型废电路板边角料一边框料、 锡板、覆铜板的热解过程进行理论分析,深入研究有 机成分的热解动力学过程和热解机理。 1 试验原料 试验用废电路板来自云南某环保公司,废电路 板母板经一级破碎和二级粉碎,得到边料框、锡板和 覆铜板等粉碎料,其实物图及无机化学成分分别如 图1 和表1 所示。从图l 可以看出边框料由多个部 件组成,相对比较复杂,锡板和覆铜板都为一种部件。 图1废电路板母板粉碎料实物图 F i g .1 P h y s i c a lp i c t u r e so fc r u s h e dm a t e r i a lo fw a s t ec i r c u i tb o a r d 表l废电路板母板粉碎料无机化学组分 T a b I el I n o r g a n i cc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fc r u s h e dm a t e r i a lo fw a s t ec i r c u i tb o a r d/% 原料 边框料 锡板 覆铜板 从表1 可以看出,边框料、锡板、覆铜板无机化 学组分主要由C u 、C a 、S i 、A l 。组成,金属含量 小于瑞典R o n n s k a r 冶炼厂的报道u4 。J ,达不到5 0 %, C u 的含量都在2 2 %以上,具有重要回收价值。废 电路板母板粉碎料有机组分主要为酚醛树脂和环氧 树脂等合成树脂口引,含量约为4 0 %。通过热解可有 效分解利用有机组分、提高金属分离效率,同时可杜 绝二嗯英的产生。 2 试验与设备 热值分析采用4 4 9 F 3 型同步热分析仪。测试 条件氮气氛围、升温速率2 0 ℃/m i n 进行过程热力 学分析时为1 0 ℃/m i n 、温度范围o ~12 0 0 ℃。并 依据最概然机理函数,分析边框料、锡板和覆铜板的 一一一一一 万方数据 2 0 2 0 年第1 0 期 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 1 0 1 热解反应机理。D T G 曲线的峰顶为d m /d f 0 ,对 应于热重曲线 T G 的拐点,即失重速率最大值;微 商热重曲线 D T G 上峰数对应于T G 曲线的台阶 数,即失重次数,D T G 曲线的峰值面积正比于失重 量,可用于计算失重量的大小;与T G 相比,D ,r G 可 更精确地界定相邻热失重过程。失重速率可表述为 m , m 。o m i 。 /m o i 1 ,2 ,3 ,⋯,以 1 1 0 0 堡 28 0 2 0 0 4 0 0 6 0 08 0 0l 1 0 0l2 0 0 温度,℃ 式中,m 。为样品初始质量;m i 。为i 失重阶段初 始质量;m 。。为i 失重阶段结束质量。 3 结果与分析 3 .1热分析曲线 边框料、锡板、覆铜板在氮气气氛下的T G 、 D T G 、热分析曲线 D T A 如图2 所示。 蕈 蓍 o .5 O - 0 .5 一1 .0 一I .5 - 2 .o ∞ 边框料 , 1 1衢℃ 3 2 9 .3 8 ℃ 锡板~ /覆铜板 3 2 4 .8 ℃ 02 0 04 0 06 0 08 0 0l0 0 0l2 0 0 温度,℃ 图2 废电路板母板粉碎料热解曲线 F i g .2P y m l y s i sc u r V 姻o fc n s h e dm a t e r i a I so fw a s t ec i r c u i tb 蚰r d 从废电路板母板粉碎料T G 曲线 图2 a 可以看 出,锡板和覆铜板在~3 0 0 ℃开始失重,在~4 0 0 ℃最 快失重阶段基本完成,失重为2 6 %~2 7 %;而边框 料在3 0 5 ℃才开始失重,有两个最快失重阶段,3 0 5 ~ 3 2 5 ℃和3 2 5 ~3 8 5 ℃,失重达到7 .8 %。随后边框料 失重变缓,而锡板和覆铜板也开始以很小的速度失 重。可知,锡框和覆铜板的有机质组成应该基本相 似。当温度达到12 0 0 ℃时,边框料、锡板和覆铜板 的失重分别为1 2 .4 %、3 4 .7 %、3 3 .3 %。 从三种废电路板母板粉碎料D T G 曲线 图2 b 可以看出,锡板和覆铜板的热解失重主要发生在 3 2 5 ℃,失重仅为一个阶段,直接热解为小分子气 体,而边框料组成树脂的热分解应该分为两个阶段, 出现两个失重峰,3 2 9 ℃和3 5 5 ℃,对应T G 曲线线 上有两个最快失重阶段。 从三种废电路板母板粉碎料热解D T A 曲线 图2 c 可以看出,在~3 2 5 ℃,锡板和覆铜板出现一 个明显放热峰,边框料要到3 5 1 ℃才出现,这与T G 和D T G 分析结果一致,即吸热峰在最快失重阶段 出现,接近于D T G 的失重峰,此时的放热是由有机 组分的热解造成的。在11 0 0 ℃附近,边框料、锡 板、覆铜板都出现吸热现象,即出现在第三失重阶 段,且D T G 曲线未出现失重峰,此时是三种废电路 板母板粉碎料中的C u 熔化,因而重量变化不大。 万方数据 1 0 2 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 2 0 2 0 年第1 0 期 根据三种废电路板母板粉碎料的热解曲线,可 以判断锡板和覆铜板的有机组分接近,应该由性质 相同的树脂组成,而边框料则由两种或两种以上性 质不同的树脂组成。 3 .2 热解/燃烧过程动力学研究 动力学分析是研究化学反应过程最简单、最直 接的方法,研究物料性质随时间而变化的非平衡的 动态体系,主要研究化学反应过程的速率和反应机 理。通过动力学研究,即可求出某一反应过程的“动 力学三因子”,即反应活化能 E ,指前因子 A 和反 应机理函数厂 n 。本文根据试验所得热解、燃烧曲 线,建立边框料、锡板和覆铜板三种典型电子垃圾边 角料热解/燃烧的反应动力学模型,探讨热解反应 机理。 电子垃圾热解反应可表示为 A 固体 一B 固体 C 挥发分 2 根据质量作用定律 j ,, 竺 志厂 a 3 d £ n 一暨1 4 ms 一7 行0 式中,“为£时刻失重率 % ;f 为反应时间 m i n ;是为反应速率常数 m i n - 1 ;m 。为反应起始样 品质量 m g ;m ,为f 时刻样品质量 m g ;m 。为反应结 束样品质量 m g ;厂 。 为反应机理函数的微分形式。 根据A r r h e n i u s 公式, 是一Ae l 异 5 表2 T a b I e2 式中,A 为指前因子 m i n l ;E 为反应活化能 k J /m 0 1 ;R 为气体常数,8 .3 1 4k J / m 0 1 .K ;丁为 反应温度 K 。 热分析试验中,升温速率口一d T /d £是恒定的, 将卢和式 4 代入式 1 得。 粤会厂 挑一番 d T口。⋯。 6 经积分变形可得F r i e d m a n R e i c h L e v i 积分式 1 n [ 胖] _ 1 n A m - 志 7 以l n l 髀l 对{ 作图,用最小二乘法拟合数 Lu 』J 』 据,由斜率求E ,由截距求A 。依据边框料、锡板、 覆铜板热解数据,分析得出不同试样活化能[ 16 l 、指 前因子A 及其对应的反应控制方程[ 1 7 ] 见表2 。 从表2 可以看出,边框料热解失重阶段活化能 为2 5 .9 2k J /m o l ,锡板热解失重阶段活化能为 2 3 .3 0k J /m o l ,覆铜板热解失重阶段活化能为 1 2 .4 6k J /m 0 1 ,三种物料热解活化能都不高,容易热 解,其中边框料热稳定性最强,锡板次之。从表2 还 可以看出,在热解失重阶段,废电路板母板粉碎料指 前因子大幅度提高,即此阶段反应物分子碰撞机率 大幅度提高。热解失重后段的指前因子也大于失重 前段,即失重要快于失重前段。 根据表2 活化能和指前因子,建立废电路板母 板粉碎料在不同热解反应阶段下的反应动力学方 程,结果如表3 所示。 废电路板母板粉碎料不同热解反应阶段下的表观活化能E 和指前因子A A p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g i e sEa n dP r e f i n g e r p r i n tf a c t o r sAO fp u l V e r i z e d w a s t ec i r c u i tb o a r du n d e rd i f f e r e n tp y r o l y s i ss t a g e s 表3废电路板母板粉碎料在不同热解反应阶段下的动力学方程 T a b l e3R e a c t i o nk i n e t i ce q u a t i o n so fc r u s h e dm a t e r i a lo fw a s t ec i r c u i tb O a r du n d e rd i f f e r e n tp y r o l y s i ss t a g e s 万方数据 2 0 2 0 年第1 0 期有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 1 0 3 3 .3 物料热解结果 在4 5 0 ℃,1 5 0m i n 情况下进行了三种物料的 热解试验,热解残料实物形貌如图3 所示。此时,边 框料、锡板、覆铜板经4 5 0 ℃热解后失重率分别为 1 0 .9 5 %、3 2 .9 4 %和3 2 .4 %,与热分析结果基本一 致。热解产物成分如表4 所示。 图3 废电路板母板粉碎料的热解残料图 F i g .3P h y s i c a lp i c t u r e so fp y r o l y s i sr e s i d u e so fw a s t ec i r c u i tb o a r dc r u s h e dm a t e r i a l 表4 热解产物成分 T a b l e4 C o m p o s i t i o n so fp y r o l y s i sp r o d u c t s/% 产物 C uC a 0 S i 0 2A 1 2 0 3N a z F eP bC dS nB iS bN iZ n 3 0 .2 1 2 .1 52 9 .3 61 2 .0 50 .2 4 O .5 O .0 5 O .o o O2 2 O .1O .0 0 28O .0 0 2O .0 0 220 .0 1 2 3 3 .81 1 .8 2 2 9 .0 58 .8 5O .1 6 O .5 O .3 1O .0 0 03 21 .1 8O .0 0 25O .0 0 1O .0 0 990 .0 3 3 3 9 .61 1 .5 02 5 .5 28 .1 00 .3 0 O .5 O .0 5O .o o O2 6 O .1O .0 0 540 .0 1 9O .0 0 19O .0 2 4 边框料 锡板 覆铜板 从表4 可以看出,边框料、锡板、覆铜板热解后, 有价金属C u 含量分别增至3 0 .2 %、3 3 .8 %、 3 9 .6 %,即经热解后,有价金属C u 富集提高8 个百 分点左右,有利于后续铜的回收。 4结论 1 边框料、锡板、覆铜板的热解都分为三个阶 段。锡板和覆铜板的有机组分接近,都在~3 0 0 ℃ 开始失重,在~4 0 0 ℃最快失重阶段完成,失重率为 2 6 %~2 7 %;边框料则由两种或两种以上性质不同 的树脂组成,在3 0 5 ℃才开始失重,有两个最快失重 阶段,3 0 5 ~3 2 5 ℃和3 2 5 ~3 8 5 ℃,失重达到7 .8 %; 热解失重后段三种废电路板母板粉碎料都以很小的 速度失重。 2 边框料、锡板、覆铜板热解失重阶段活化能分 别为2 5 .9 2 、2 3 .3 0 、1 2 .4 6k J /m 0 1 。在热解失重阶 段,废电路板母板粉碎料指前因子大幅度提高,即此 阶段反应物分子碰撞机率大幅度提高。 3 边框料、锡板、覆铜板热解后,有价金属C u 含量分别增加至3 0 .2 %、3 3 .8 %、3 9 .6 %,即经热解 有价金属C u 富集提高8 个百分点左右。 4 得到了废电路板母板粉碎料在不同热解反应 阶段下的反应动力学方程。 参考文献 r 1 ]Y A M A N EI 。H ,D EM O R A E SVT ,E S P I N O S ADC , e ta 1 .R e c y c l i n go fW E E E C h a r a c t e r i z a t i o no fs p e n tp r i n t e d c i r c u i tb o a r d sf r o mr n o b i l ep h o n e sa n dc o m p u t e r s [ J ] .w a s t e M a n a g e m e n t ,2 0 1 1 ,3 1 1 2 2 5 5 3 2 5 5 8 . 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J o u r n a Io fH a z a r d o u sM a t e r i a l s ,2 0 1 1 ,1 8 7 1 /2 /3 3 9 3 4 0 0 . [ 8 ]K 1 MEY 。K I MMs ,L E EJC .e ta 1 .S e l e c t i v er e c o v e r y o f9 0 l df m l nw a s t en 1 0 b i l ep h o n eP C b yh y d 唧n e t a l l u 哂c a l p r o c e s s [ J ] .J o u r n a lo fH a z a r d o u sM a t e r i a I s ,2 0 11 。1 9 8 2 0 6 2 1 5 . [ 9 ]G U C ,W A N GH ,I .1 A N GW ,e ta 1 .I ,i b e r a l i o n c h a r a c t e r i s t i ca n dp h y s i c a ls e p a r a t i o no fp r i n t e dc i r c u i t b o a r d P c B [ J ] .w a s t eM a n a g e m e n t 。2 0 1 l ,3 1 9 /1 0 2 1 6 卜2 1 6 6 . [ 1 0 ] E S w A R A I A HC ,K A V l T H AT ,V I D Y A S A G A RS 。 e ta 1 .C l a s s i f i c a t i o no fm e t a l sa n dp I a s t i c sf r o mp r i n t e d c i r c u i I b o a r d s P C B u s i n ga i rc l a s s i f i e r [ J ] .C h e m i c a l E n g i n e e r i n ga n dP r o c e S s i n g .2 0 0 8 ,4 7 4 5 6 5 5 7 6 . [ 1 1 ] C I .M E RAR 。H I N K I ,EME .T h e m l eo f “c r o o r g a n i s m s i na c i dm i n ed r a i n a g e Ap r e l i m i n a r yr e p o r t [ J ] .S c i e n c e . 1 9 4 7 .1 0 6 2 7 5 1 2 5 3 2 5 6 . [ 1 2 ] 李利德,贺文智,李光明,等.微生物浸出印刷线路板中 金属的研究进展[ J ] .环境污染与防治,2 0 1 1 .3 3 7 8 3 8 6 . I 。l I ,D ,H EWZ ,I ,IGM ,e ta 1 .R e s e a r c hp r o g r e s so n t h eb i o l e a c h i n go fm e l a Ii np r i n t e dc i r c u i tb o a r d s [ J ] . E n v i r o n m e n t a lP o l l u t i o na n dC o n t r o l 。2 0 1 1 ,3 3 7 8 3 8 6 . [ 1 3 ] 尚海利,王平,栾晓彦.等.废弃印刷线路板资源化处理 的研究进展[ J ] .化工环保,2 0 0 8 ,2 8 2 1 3 2 1 3 6 . S H A N GHI ,,W A N GP ,I 。U A NXY ,e ta 1 .R e s e a r c h p r o g r e s s e so fr e u s i n gw a s t ep r i n t e dc i r c u i tb o a r d s [ J ] . E n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o no fC h e m i c a ll n d u s t r y ,2 0 0 8 , 2 8 2 1 3 2 一1 3 6 . [ 1 4 ] 洪大剑,张德华,邓杰.废印刷电路板的回收处理技术[ J ] . 云南化1 ,2 0 0 6 ,3 3 1 3 卜3 4 . H N GDJ ,Z H A N GDH 。D E N Gj .R e c l a m a t i o no f P C Bs c r a p [ J ] .Y u n n a nC h e m i c a lT e c h n o l o g y ,2 0 0 6 , 3 3 1 3 1 3 4 . [ 15 ] 王旭.新兴污染物质溴代阻燃剂的环境问题[ J ] .中国 科技信息,2 0 1 1 1 2 3 8 . W A N GX .E n v i r o n m e n t a lp r o b l e m so fe m e r g i n g p 0 1 l u t a n t sb r o m i n a t e df l a m er e t a r d a n t s [ J ] . C h i n a S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yl n f o r m a t i o n ,2 01l 12 3 8 . [ 1 6 ] I ,IJH 。D U A NHB ,Y UKI 。,e ta 1 .C h a r a c t e r i s t i co f l o w t e m p e r a t u r ep y r o l y s i s o f p r i n t e dc i r c u i tb o a r d s s ub j e c t e dt ov a r i o u s a t m o s p h e r e [ J ] .I 乇e s o u r c e s , C o n s e r v a t i o na n dR e c y c l i n g ,2 0 1 0 ,5 4 1 1 8 l O 一8 1 5 . [ 1 7 ] C H I A N GHI 。,I 。I NKH .L A lMH ,e ta 1 .P y r o l y s i s c h a r a c l e r i s t i c so fi n t e g r a t e dc i r c u i tb o a r d sa tv a r i o u s p a r t i c l es i z e s a n dt e m I e r a t u r e s[ J ] . J o u r n a l o f H a z a r d o u sM a t e “a l s 。2 0 0 7 。1 4 9 1 1 5 卜1 5 9 . 万方数据
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