主动脉动气流分选回收金属的基础研究.pdf

主动脉动气流分选回收金属的基础研究 ＊ 宋树磊 何亚群 赵跃民 王海锋 段晨龙 中国矿业大学化工学院, 江苏 徐州 221008 摘要 对主动脉动气流的分选机理及金属回收进行研究。 利用高速动态分析系统对等沉颗粒的运动规律的研究表明 在主动脉动气流中低密度颗粒可以获得比高密度颗粒更显著的加速度效应, 使颗粒由于加速度的差异实现按密度为 主导的分选; 0. 5～ 2. 0mm 粒级的废弃电路板破碎物料的分选实验表明, 主动脉动气流比稳定气流具有更高的分选效 率, 脉动频率为2. 0 Hz时的分选效率比稳定气流高 5～ 15。 关键词 主动脉动气流 等沉颗粒 加速度效应 金属回收 ＊国家自然科学基金面上项目 50574094 ; 教育部重点实验室开放 项目基金 CPEUKF06-11 ; 徐州市科技创新基金 200600242 。 0 引言 电子废弃物资源化回收利用的方法主要包括湿 法浸出 、 火法冶炼及机械分选 3 种 。湿法浸出、火法 冶炼在回收金属的同时不可避免地要产生大量的废 水、 废气,若处理不当, 将会造成更为严重的二次污 染。机械回收过程中环境污染小, 且可对金属及非金 属成分综合回收 。因此, 机械回收方法在电子废弃物 资源化研究中逐渐占据主导地位。气流分选就是机 械回收方法中效果较好的一种 。 美国的 J. Jeffery Peirce 等人在 1980 年就提出应 用气流分选回收电子废弃物中的有价成分 [ 1] 。近年 来,日本的研究人员通过阻尼式脉动气流分选机在实 验室进行分选不同组分金属和塑料的实验 [ 2] 。国内 的研究人员进行了多项研究, 如采用直管式气流分选 实现了废旧线路板有价金属的窄粒级分离,使用空气 摇床进行电子废弃物资源化研究 [ 3] ,对阻尼式脉动气 流分选机的分选机理进行了基础研究等 [ 4-6] 。 上述研究表明, 在稳定上升气流中颗粒的分离依 赖于以空气动力学特性为主导的自由沉降末速,而沉 降末速又依赖于颗粒的粒度、形状和密度等因素。由 于实际分选物料在粒度和形状上有很大差异 ,有价矿 物和尾矿的沉降末速往往相互重叠 ,造成传统直管气 流分选装置的分选效果较差, 无法实现以密度为主导 的分离 [ 7] 。在阻尼式脉动气流分选装置中 ,由于分选 区域截面积的扩张和收缩 ,使气流上升过程中产生局 部的压缩。当气流通过阻尼区域时, 产生气流的加 速 减速现象。当这种气流携带颗粒运动时, 颗粒就 会产生加速效应 ,这样的颗粒加速效应能改变难选颗 粒下降或上升时的次序, 有利于颗粒按密度为主导的 分选, 但实际的分选效果并不理想 [ 8] 。如果采用连续 的脉动气流 , 使颗粒在分选区域内持续得到加速 减 速效应 ,在颗粒达到沉降末速之前就使轻重颗粒分 离,那么按颗粒密度为主导的分离而不是以空气动力 学特性为主导的分离是可以实现的 [ 9] 。 本研究利用颗粒高速动态分析系统对模拟颗粒 在主动脉动气流中的分选机理进行研究 ,并在实验室 内对 0. 5～ 2. 0 mm 粒级的废弃电路板物料进行分选 实验 ,以研究主动脉动气流的分选效果以及实现宽粒 级分选的可能性 。 1 实验室研究系统 1. 1 实验物料 理论研究所用的模拟物料为在空气中自由沉降 末速相同的玻璃球与塑料球, 这样的等沉颗粒在稳定 上升气流中属于难选颗粒 。塑料球 颗粒A 的密度 为1. 40 g cm 3 ,直径为6. 0 mm ,玻璃球 颗粒 B 的密度 为2. 40 g cm 3 , 直 径为 3. 5 mm 。 自由 沉 降 末速 为 14. 46 m s。 实际分选所用物料为0. 5～ 2. 0 mm粒级的废弃电 路板破碎物料。电路板上的元器件和插脚与基板的 结合度较低 ,在 2 mm粒级已完全解离 ; 而基板里的 铜箔层 与 基板 结合 紧 密, 不 容 易实 现 分离 , 但 在 2 mm粒级也已基本解离 [ 10] 。各粒级金属品位基 本上随着粒度的减小而降低 ,72. 77 的金属主要分 布在0. 5～ 2. 0 mm粒级 [ 11] 。此粒度范围的物料最大 粒度与最小粒度之比为 4,可以认为是较宽的粒级。 因此, 分选实验选择0. 5～ 2. 0 mm粒级的废弃电路板 破碎物料, 一是研究脉动气流分选回收金属成分的效 果,二是可以为脉动气流实现电子废弃物的宽粒级分 17 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 选奠定基础。 1. 2 分选系统 实验室气流分选系统如图 1 所示。理论研究所 用分选装置为高度1 000 mm , 横截面20 mm 50 mm 的扁长方形柱体。采用扁长方形柱体可以使颗粒作 准二维运动,避免产生在圆形分选柱中的三维运动。 在使用颗粒高速动态分析系统拍摄和分析数据时结 果更为准确可靠 。 实际物料分选所用为圆柱形分选装置 , 内径为 50 mm , 总高度 为 1 750 mm, 多节 组成 , 每节 长为 200 mm ,用法兰连接。 1鼓风机; 2流量控制阀; 3转子流量计; 4脉动蝶阀; 5气流分选装置; 6变频器; 7旋风除尘器; 8重组分; 9轻组分; 10空气。 图 1 气流分选试验系统 主动脉动气流发生器产生的气流流量的计算公 式 假定气体入口处的压强不变 V V0 1 - | cosα | 1 式中 V 气流流量; V0 阀门全开时的气流流量; α 阀门转角。 1. 3 颗粒高速动态分析系统 日本NAC 公司生产的Memrecam Ci3 颗粒高速动 态分析系统主要包括数码存储晶体式高速摄影设备 及专用 Movias二维空间分析软件。可对高速运动物 体进行摄像和图像分析, 研究高速运动物体的运动规 律、 运动轨迹及瞬间的速度、 加速度 、 角度、 位移、 能量 等物理量。主要技术指标 拍摄速度为 100、250、500、 1 000、2 000 f s; 拍摄时间为 3. 0～ 66. 2 s、 感应器分辨 率为 580 434 pixels彩色; 回放速度为2. 5 f s至拍摄 原速可调 。本研究主要对颗粒在脉动气流分选装置 中的位移 、 速度 、 加速度等物理量进行研究。 2 主动脉动气流分选机理 2. 1 模拟颗粒在脉动气流中的分选 为了研究颗粒在脉动气流场中的分离机理,本实 验在扁长方形柱体气流分选机中同时注入 10 对塑料 球和玻璃球的颗粒, 利用颗粒高速动态分析系统拍摄 这些颗粒在脉动气流中的运动状态 ,并对其中的单个 塑料球和单个玻璃球进行分析。实验中选择气流速 度为8. 9 m s,脉动频率选择1. 0 Hz。高速动态分析系 统的拍摄速度为100 f s, 即每一幅的时间间隔为 0. 01 s。 图2 为颗粒高速动态分析系统拍摄的模拟颗粒 的分选 共 10 幅图, 每幅图的时间间隔为0. 05 s 。 时 间共0. 5 s, 包括了脉动气流的一个上升期的后半程 1～ 5幅 和一个下降期的前半程 6～ 10 幅 。从塑 料颗粒群和玻璃颗粒群的分离情况可以看出 ,在上升 期塑料颗粒群就已经和玻璃颗粒群分开 ,且塑料颗粒 比玻璃颗粒上升得快, 始终位于玻璃颗粒的上方, 这 样两种颗粒在上升期就实现了很好地分离 。在下降 期,塑料颗粒仍然处于玻璃颗粒的上方 , 且比玻璃颗 粒下降慢, 因此两种颗粒仍然能够分离。实验中特别 选择了一个塑料颗粒和一个玻璃颗粒进行分析。 图 2 模拟颗粒群的分选 标记的塑料颗粒和玻璃颗粒的位移、速度、加速 度的数值曲线如图 3 a 、 b 、 c 所示。由于标记的 塑料颗粒和玻璃颗粒只有在前0. 5 s内同时出现在摄 像机的视野内, 0. 5 s后玻璃颗粒就离开摄像机的视 野并下降到分选机底部, 而塑料颗粒仍然在分选机中 作周期性的往复运动 ,最终作为轻产物从分选机顶部 排出,因此, 只分析玻璃颗粒在0. 5 s内的运动状态, 而分析塑料颗粒在1. 2 s内的运动状态。 2. 2 分析与讨论 根据标记颗粒的数据和图 3 中的曲线可以看出 , 在上升阶段塑料颗粒的位移、 速度 、 加速度的绝对值均 比玻璃颗粒的大,说明在上升阶段塑料颗粒受到脉动 气流的曳力比玻璃颗粒大 ,使塑料颗粒上升快, 玻璃颗 粒上升慢,从而两个颗粒得到一定程度的分离。在下 降阶段塑料颗粒的位移和速度的绝对值均比玻璃颗粒 小,而加速度的绝对值大,说明在下降阶段塑料颗粒受 到脉动气流的阻力比玻璃颗粒大, 使塑料颗粒比玻璃 18 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 a 位移-时间; b 速度-时间; c 加速度-时间 图 3 模拟颗粒在脉动气流中的曲线 颗粒下降得慢,从而进一步分离了两个颗粒。 模拟颗粒的分选结果表明 ,在脉动气流中由于密 度不同,塑料颗粒受到的作用力 上升时为曳力,下降 时为阻力 比玻璃颗粒受到的作用力大 , 产生的加速 度也大 。从而导致这两种颗粒的速度 、 位移的不同。 因此 ,模拟颗粒的分选实验证明脉动气流可以利用加 速度特点的不同获得按密度为主导的分选。 3 物料分选实验 在实验室中实际物料分选的影响因素有脉动频 率、 气流速度、 分选柱高度和直径、给料量等。本实验 只对气流速度和脉动频率两个主要因素进行研究 ,固 定分选柱的高度为1 500 mm ,直径为50 mm ,给料采用 批量给料, 100 g 次。脉动频率依次调节为 0、1. 0、 1. 5、2. 0 Hz; 气流 速度依 次调节 为 4. 0、5. 1、6. 2、 7. 4 m s。 脉动气流分选的分选效率 E 可由式 2 表示 [ 12] E x1 x0 y2 y0 1 2 2 式中 x1 轻产物的质量; x0 轻组分的总质量; y2 重产物的质量 ; y0 重组分的总质量。 表1 为 0. 5～ 2. 0 mm 粒级废弃电路板物料的分 选结果。图 4 为分选效率与气流速度及脉动频率之 间的关系曲线。 图 4 分选效率与气流速度和脉动频率的关系 表 1 0. 5～ 2 mm粒级废弃电路板物料的分选结果 试验 编号 影响因素 脉动频 率 Hz 气流速度 ms- 1 分选 效率 试验 编号 影响因素 脉动频 率 Hz 气流速度 m s- 1 分选 效率 104. 079. 01131. 54 . 079. 73 205. 183. 96141. 55 . 191. 59 306. 285. 85151. 56 . 291. 4 407. 475. 12161. 57 . 484. 24 51 . 04. 086. 98171. 754 . 083. 64 61 . 05. 189. 49181. 755 . 191. 76 71 . 06. 287. 95191. 756 . 291. 77 81 . 07. 480. 89201. 757 . 485. 52 91. 254. 082. 57212. 04 . 083. 7 101. 255. 190. 01222. 05 . 192. 41 111. 256. 289. 45232. 06 . 291. 77 121. 257. 484. 47242. 07 . 481. 94 从表 1 和图 4 中可以看到,气流速度对分选效率 的影响比较明显 ,当脉动频率一定时, 随着气流速度 的增加 , 分选效率先增大然后降低 , 通常在 5. 1 ～ 6. 2 m s时取得最大值。因此在实际的分选过程中必 须选择合适的气流速度 。施加脉动频率后的分选效 率都比稳定气流的分选效率高, 脉动频率为2. 0 Hz时 的分选效率比稳定气流高 5～ 15。当分选机的 气流速度一定时 ,随着脉动频率的增加 , 分选机的分 19 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 选效率也随之增加 。在气流速度为5. 1 m s, 脉动频 率为2. 0 Hz时 ,主动脉动气流分选效率达到最大值为 92. 41。实验结果说明脉动气流分选比传统的稳定 气流具有更高的分选效率 。 用于气流分选的废弃电路板破碎物料中包括 Ⅰ 类密度大的金属颗粒 如铜等 , Ⅱ 类密度较小 的非金属颗粒 如某些轻塑料 , Ⅲ 类密度较小的轻 金属颗粒 如铝 、 密度较大的非金属颗粒 如聚酯 以 及未完全解离的物料。 Ⅰ 类和 Ⅱ 类颗粒较容易 分离 ,Ⅲ 类物料由于密度差别小 , 粒度范围较宽 0. 5～ 2. 0 mm ,有可能成为等沉颗粒,在稳定气流中不 能有效的分选。施加脉动频率后第 Ⅲ 类物料在交 替变化的脉动气流中按颗粒加速度的不同就可以实 现按密度为主导的分离。 4 结论 1 模拟颗粒的分选实验表明, 脉动气流作用在 低密度颗粒上的力 上升时为曳力 ,下降时为阻力 比 作用在高密度颗粒上的力显著 ,产生的加速度绝对值 大。当气流带动这两类颗粒同时上升时 ,加速度绝对 值大的低密度颗粒上升得快, 加速度绝对值小的高密 度颗粒上升得慢 ; 下降时加速度绝对值大的低密度颗 粒下降得慢, 加速度绝对值小的高密度颗粒下降得 快,从而使两种不同密度的颗粒得以分离。 2 实际物料的分选实验表明, 由于主动脉动气 流可实现自由沉降末速重叠的物料的有效分选,因此 主动脉动气流比稳定气流有更高的分选效率。在脉 动频率为2. 0 Hz时的分选效率比稳定气流高 5～ 15。 3 0. 5～ 2. 0 mm 粒级废弃电路板物料的分选结 果表明,主动脉动气流可以实现电子废弃物的宽粒级 分选 。 参考文献 [ 1] Taub, B and Peirce , J J. , Instabilities of air classification of fuels, Journal of energy rng . , 1983, 109 2 74 -87 [ 2] 伊滕信一. 风力分选机选别塑料评价. 日本国家资源环境研究 所 NIER 学报, 1998 [ 3] 周翠红, 路迈西. 空气摇床分选废旧电路板. 辽宁工程技术大学 学报, 2006 3 [ 4] 段晨龙. 阻尼式脉动气流分选装置分选机理的基础研究. 中国 矿业大学学报, 2003 6 [ 5] He Y, Wang H, Duan C, et al . 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Journal of energy engineering ,1986, 112 1 1 -13 作者通信处 宋树磊 221008 江苏徐州市 中国矿业大学化工学 院博 06 文昌校区选矿楼 电话 0516 83995505 E -mail shulei-song163. com 2007- 11-15 收稿 环保热点词汇 限批2007 年年初 ,为维护中央宏观调控的权威、遏制高耗能高污染行业的盲目扩张 ,环保总局根据国 务院关于落实科学发展观加强环境保护的决定第十三条和第二十一条,动用了“区域限批”这一有针对性和创 新性的环境监管措施 ,以惩戒严重违规的行政区域 、 行业和大型企业 。随后, 环保总局又把“区域限批”这项被 称作“连坐”的处罚制度用在了长江 、 黄河、 淮河、 海河四大流域水污染严重 、 环境违法问题突出的 6市 、两县和 5 个工业园区。 “限批”取得了立竿见影的效果 ,既解决了一些长期存在的环境违法问题,也使一些地方政府逐渐甩掉对高 耗能高污染产业发展的依赖, 加速跨入发展新型产业的行列。但是, 这种行政手段也带有与生俱来的不足 ,环 保总局表示,要将运动式的“风暴”转变成常规化制度, 同时 ,也将不断努力, 希望通过经济、法律等综合手段解 决环境问题。 摘自“ 中国环境报” 20 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 STUDY ONCEMENTING MATERIAL PREPARED BY SMELT FLY ASH FROM OIL SHALE Wu Yingliang Ni Wen Wang Haixia et al7 Abstract The cementitous system prepared by smelt fly-ash of oil shale, clinker and gypsumwas studied in this paper. Based on the cho - sen activator kinds of cementitious system, the combination and concentration of activatorwere optimized. It is proven that under the standard curi- ng conditions, the 28 d compressive strength of the cementing materialis upto 45 MPa, when smeltfly -ashof oil shale, clinker, gypsum, activa - tor 1, activator 2 and activator 3 are 64, 21. 5, 6, 2, 0. 5 and 6 respectively. Keywords smelt fly -ash of oil shale activator strength cementing material pozzolanic activity RESEARCH ON FOR TREATING WASTED OIL -BASED SLURRY Wang Jialin Yan Guangxu Guo Shaohui et al 10 Abstract A economical and effectual has beenadopted on the basis of the characteristicsof thewastedoil-based mud by adding de - mulsifier and ultrasonic treatment to recover oil, and then flocculant is used to destroy the stability of colloid and separate the solid from liquid. The optimum operating parameter of the sample slurry is determined by further test. The result indicated that the oilin the slurry can be recovered effectively by the combination of adding demulsifier and ultrasonic treatment, and the recovery can reach 80. The solid can be separated from liquid effectively by flocculant. COD of the effluent can be lowered to under 100 mg L, light transmission ratio is up to 90, which can be uti- lized circularly. Keywords wasted slurry ultrasonic oil removal rate flocculation SOLIDIFICATION OF MUNICIPAL SOLID WASTE INCINERATION FLY ASH BY SLAG CEMEN - TITIOUS MATERIALZhang Dajie Liu Wenshi Tian Xiaofeng et al 14 Abstract After adding slag cementitious material to MSWI fly ash at dosage of 25, 30, 35 and 45, whose compressive strength and heavy metal leaching concentration at7 d, 28 d and60 d curing timeswere measured andmicrograph andhydratedproductswere analysedby SEM and XRD. Results show that all the solidified samples can reach the landfill standards after 60 d curing . When slag cementitious material 35is added to fly ash, the solidified effect is the best one and the solidified samples reach the landfill standards by only 28 d curing, which shows thatMSWI fly ash and slag at a proper proportion can produce a synergistic effect. Keywords MSWI fly ash heavy metals leaching slag solidification BASIC STUDY ON RECYCLING OF METAL SCRAPS WITH ACTIVE -PULSED AIRFLOW Song Shulei He Yaqun Zhao Yuemin et al 17 Abstract The separation mechanism and metal recycling of active -pulsed airflow were studied.Researches on movement laws of equal set - tling particles by high-speed dynamic analysis system show that low-density particles can get higher acceleration thanhigh-density particles. So the density -dominant separation of particles canbe achieved due to the difference of acceleration. The separationwith experimentson the crushed mat - terswith a particle size of 0. 5～ 2. 0 mm from the wasted printed circuit boards show that active -pulsed airflow can achieve higher separation effi- ciency than conventional steady airflow. When the pulsed frequency is 2. 0 Hz, the separation efficiency of active -pulsed airflow is 5～ 15 higher than that of steady airflow. Keywords active -pulsed airflow equal settling particles acceleration metal recycling STUDIES ON THE INITIAL PROCESS OF PREPARING Mn -Zn FERRITE BY WASTE Mn -Zn BATTERIES RECYCLINGZhang Lingsong ZhangJunxi Li Xue et al 21 Abstract This paper describesthe initial processof recycling wasteMn -Zn batteriesfor synthesizing Zn-Mn ferrite magneticmaterials by us - ing mixed acid as leachants and reductant as additive. The effect of the ulation of leaching solution including the proportion of acids and re - ductanton the extraction of the waste Mn -Znbatterieswasinvestigated to develop an acid leaching procedure and to determine appropriate leach - ing conditions to maximize Zn, Mn andFe extract. Conditionswere investigated including concentration of mixed acids, temperature and leaching time. Results show that at 40 ℃ the batteries were extracted in the solution composed of hydrochloric acid and nitric acid 3∶ 1and oxalic acid as additive, reaction time longer than 12h and the liquid-solid ratio is 4. 6 can get excellent extraction effectiveness, the mercury in the waste bat - terieswas converted into Hg2, thus excellent concentration of mercury was achieved. Keywords waste Mn -Zn batteries hydrometallurgy acid leaching mercury recycling DEVELOPMENT AND APPLICATION OF COVER MATERIALS FOR REFUSE LANDFILL SITES QianJueshi Duan Ce Wei Yingchun et al 24 Abstract The cover material for a landfill site is the one used to cover the municipal solidwaste and prevent its pollution to the surround - ings of a sanitary landfill. The function andindex requirements of cover material for municipal solidwaste sanitary landfill MSWSL were present - ed in this paper. The state -of-the -art and shortcomings of the clay cover material widely used in MSWSL were reviewed. The future directions of advanced cover material were suggested. Keywords cover material refuse sanitary landfill site clay solid waste 2 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 4,August, 2008