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基于超声空化原理的废旧线缆回收方法 * 凡乃峰 1 罗震 1 李洋 1 汤桂兰 2 刘颖 3 1. 天津大学材料科学院工程学院， 天津 300072; 2. 静海子牙环保产业园， 天津 静海 301605; 3. 静海县科委， 天津 静海 301600 摘要 废旧线缆是一种可以回收利用的资源。目前普遍使用机械破碎方法回收废旧线缆， 具体工艺是采用机械磨削的 方法分离铜和绝缘皮， 然后用筛分法获得。由于此工艺中包含有磨削过程， 因此会损失很大一部分铜， 从而造成资源 浪费。为此， 研究使用超声波工艺回收电线， 并探讨一些因素对分离率的影响。研究结果表明 利用超声波的空化效 应分离电线中的金属和塑料， 能有效避免铜的大量损失。当水温为 60℃ ， 分离率达到最高值; 电线长度与分离率之间 基本成反比关系; 电线总量的大小对分离率也有一定的影响。 关键词 废旧线缆; 回收; 超声波; 空化效应; 分离率 THE APPROACH OF RECLAIMING WASTE WIRE BASED ON THE ULTRASONIC CAVITATION Fan Naifeng 1 Luo Zhen1Li Yang1Tang Guilan2Liu Ying3 1. College of Material Science and Engineering， Tianjin University，Tianjin 300072，China; 2. Environment Protecting Industrial Garden of Ziya，Jinghai 301605，China; 3. The Science Section of Jinghai Country，Jinghai 301600，China AbstractWaste cable is a kind of resources which can be recycled. Currently，the widespread to reclaim waste cable is mechanical crushing，which can be described as follow. Firstly，it is needed to separate the copper and insulating skin in the way of mechanical grinding，and then they can be obtained after screening. A large part of copper would be lost because of the grinding process，which is a waste of resources. In this paper，recycling wires using ultrasound technology is studied，and some factors that affect the separation rate are studied additionally. The results show that a significant loss of copper is avoided by the ultrasonic cavitation. When the water temperature is 60 ℃ ，the separation rate is the highest. There is an inverse relation between the wires’length and the separation rate. The quantity of wires has effecting on the separation rate to some extent. Keywordswaste cable;reclaim;ultrasound;cavitation effect;separation rate * 国 家 自 然 科 学 基 金 50975197 ; 天 津 应 用 基 础 研 究 计 划 基 金 09JCZDJC24000 ;国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 “863 ”计 划 2008AA04Z136 ; 广东省教育部产学研结合项目 2007A0903021050 ; 天津高校双五科技计划项目 2009E6 － 0020 ; 教育部新世纪人才项目 资助。 0引言 电线电缆多是由导电金属、 填充物和绝缘层构成 的 图 1 。其中， 导电金属主要是铜， 绝缘材料一般 是 PVC、 PE 或橡胶等。废旧线缆具有两重性。首先， 这些废旧线缆富含宝贵资源， 从中可以回收铜 主 要 、 铁、 铝、 锡、 锌、 橡胶、 塑料等有价资源。另一方 面， 废旧线缆又含有多种有毒有害物质， 对环境和人 类生活构成严重威胁。因此， 对废旧线缆中有价值的 资源进行合理的再回收与再利用， 具有重要意义。 一直以来， 回收电线所采用的方法主要是烧去表 面塑料绝缘皮， 而只是回收其金属部分 铜或铝 。 由于这个方法会向大气中排放有害气体， 所以在很多 国家焚烧回收工艺 ［ 1］已经被禁止使用了。另外， 这 种方法也不能实现对电线表面绝缘材料的回收再利 用， 而这些材料也有再利用的经济价值。另一种方法 是低温冷冻法 ［ 2］， 但由于此工艺需要用价格昂贵的 液氮作为冷却剂， 所以也没有得到广泛应用。 目前回收废旧线缆用的最多的方法是机械破碎 工艺 ［ 3］。这一工艺主要包括有两个过程 磨削过程 和分离过程。在磨削过程中， 需要用一个筛子控制切 割后的线缆尺寸。从这点上看， 这种方法存在一个比 36 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 a圆单线; b绞线; c绞线; d复绞线 图 1一些线缆的截面 较严重的问题 由于电线的尺寸规格各不相同， 这就 需要进行多次切割， 直到电线可以分别顺利的通过筛 孔为止。在这个过程中， 大量铜导线变成了细小的铜 粉， 这样铜就很难从塑料中再分离出来。因此， 这会 造成铜的大量损失。除此之外， 用于电线切割的切削 工具也会大量磨损， 这一工艺还会消耗大量电能， 从 而浪费了大量资源。 本文提出了一种新的回收电线的方法， 即利用超 声空化效应来分离铜和绝缘材料， 从而实现对铜和塑 料的综合回收。这一工艺不需要多次切割， 所以可以 降低铜的损失和能源消耗。这一工艺过程可以简单 描述如下 先把电线切成一定长度的小段， 然后再放 入超声波发生器中， 当超声波所产生的能量通过容器 中的水时， 会产生空化现象 ［ 4］， 利用超声波的空化效 应能使浸在水中的电线来回摇摆震动， 从而实现铜导 线和塑料绝缘皮的分离。 1实验原理 超声空化效应是超声波在液体介质 如水 中传 播时所产生的。 超声波与声波一样是一种疏密的振动波， 当它在 介质中传播时， 介质某点处的压力作交替变化。这点 的压力如图 2 中曲线 A 所示。以一个大气压为中 心， 产生压力的增减， 随着超声波强度的增加， 压力振 幅也增加， 如图 2 中曲线 B， 并产生负的压力。 液体中存在许多空化核， 这些空化核即半径在 20 μm以下的微气泡。当液体中产生局部低压时， 微 气泡会爆发性成长， 而随着局部压力再次升高， 气泡 又突然闭合。气泡闭合时， 会在其周围产生瞬时高 压 ［ 4- 5］、 高温 在万度的量级［ 6］ 。 图 2液体中某点的压力情况 2实验方法与设备 2. 1实验材料 本文选用两种线缆作为实验材料 一种是只含有 一根粗铜导线的单线， 另一种是含有很多细铜丝的绞 线。这两种电线分别选取 4 种类型， 它们的参数如表 1、 表 2 所示。 表 1单线的尺寸数据 导体部分直 径 d/mm 电线直径 D /mm D 和 d 的 比值 0. 40. 92. 25 0. 71. 31. 86 0. 51. 63. 20 1. 42. 71. 93 表 2绞线的尺寸和成分 横截面积 不包含 绝缘层 / mm2 电线直径 包含 绝缘层/mm 铜质量 分数 / PVC 质量 分数 / 0. 150. 943. 356. 7 11. 470. 629. 4 0. 51. 937. 762. 3 1. 52. 450. 149. 9 2. 2实验设备 本实验选用 KQ － 50DB 型超声波清洗器， 超声波 容器的容量为1500 mL， 超声波频率20 kHz， 介质温度 变化范围为 0 ～ 80 ℃ 。 2. 3实验过程 把所有的电线都切成所要求的长度， 然后进行超 声波处理， 超声波处理时间为5 min。超声波处理后， 一部分 或全部 铜导线与绝缘材料分开， 再用一个 较密的滤网把水中的混合物过滤出来， 并进行烘干。 然后用一个合适的筛子把铜丝从混合物中分离出来。 最后， 把没有分离的电线从混合物中挑拣出来并称 重， 以此来计算电线的分离率。用最初电线总质量减 去未分离电线的质量再除以总质量来表示分离率。 本文研究了水温、 电线被切长度和液固比率 3 个 因素对 分 离 率的 影 响。分 别 取 水 温 为 20， 40， 60， 80 ℃ ， 电线小段长度分别取 1 ～ 2 mm、 3 ～ 4 mm、 5 ～ 6 46 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 mm、 7 ～ 8 mm， 电线的质量分别取 1. 5， 2. 5， 5， 10， 15， 20 g。 3结果与讨论 3. 1水温的影响 铜材 料 和 绝 缘 皮 的 膨 胀 系 数 采 用 Min-Shing Tsai［ 7］的 计 算 结 果， 即 铜 的 热 膨 胀 系 数 为 1. 7 10 － 5 /℃ ， 绝 缘皮的热膨 胀系数 为 5 10 － 5 ～ 20 10 － 5 /℃ ， 他们有很大的差异， 因此随着水温的升高铜 与绝缘皮之间的间隙会变大。用精密天平称5 g内 / 外径尺寸分别为 0. 4 mm/0. 9 mm， 0. 7 mm/1. 3 mm， 0. 5 mm/1. 6 mm 和 1. 4 mm/2. 7 mm 的单芯线缆， 将 它们切割成 3 ～ 4 mm长的小段， 然后分别在 20，40， 60，80 ℃ 的水温环境下进行超声波处理。超声波的 频率为20 kHz， 处理时间为5 min， 然后把铜、 塑料和 未分离的电线过滤出来。 实验结果见图 3， 由图 3 可见 当水温选为 60 ℃ 时， 分离率可达最大值; 当水温高于 60 ℃ 时， 随着水 温的升高， 分离率明显减小; 80 ℃ 时的分离率甚至小 于 40 ℃ 时的分离率。 图 3温度对分离率的影响 研究所用模型如图 4 所示， 绝缘层和铜导线的热 膨胀率用式 1～ 式 3 计算 R′1 R1 1 αpΔT 1 R′2 R2 1 αpΔT 2 R″1 R1 1 αcΔT 3 其中αp是塑料的热膨胀系数;αc是铜的热膨胀系 数;ΔT 是相对于室温 20℃ 的温差。因此， 膨胀后 的电线和铜导线的直径差可由式 4 计算 ds R′1－ R″1 R1 α p － α c ΔT 4 利用式 4 ， 可以分别计算出 4 种电线的膨胀直 径差值， 计算结果如表 3 所示。 图 4塑料和铜的膨胀 表 3铜和塑料膨胀后的直径差值 10 － 3mm 温度 /℃0. 4 /0. 9 0. 5 /1. 60. 7 /1. 31. 4 /2. 7 200000 400. 650. 811. 132. 27 601. 511. 892. 655. 29 802. 382. 974. 168. 32 显而易见 随着温度的升高， 差值不断增大。但 是， 当水温达到最高值时， 分离率并不是最大的。出 现这一现象可能是因为 当水温较低时， 随着水温的 升高， 超声波空化效应的强度变大; 当水温较高时， 随 着水温的升高， 超声波的空化效应反而越发减弱 ［ 8］。 所以， 最佳的温度由直径差和空化效应共同决定。 此外， 铜导线直径的增加也会导致差值的增大。 但是， 在实验中拥有最大直径铜导线的电线分离率却 不是最大的。研究发现 分离率的大小和电线直径与 铜导线直径的比值有关。它们之间的关系如图 5 所 示， 从中可以发现 这一比值越大， 分离率越小。对这 一现象是由于电线的绝缘层比较薄 即塑料含量相 对较低 ， 对铜导线产生的约束力较小的缘故。 图 5线缆直径与铜丝直径的比值对分离率的影响 3. 2电线长度对分离率的影响 根据以上的实验分析， 设定实验水温为60 ℃ ， 其 他参数保持不变。分别各称取 4 组5 g内 /外径分别 为 0. 4mm/0. 9mm，0. 7 mm/1. 3mm，0. 5mm/ 56 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 1. 6 mm和 1. 4 mm/2. 7 mm 的电线。把它们分别剪 成 1 ～ 2 mm、 3 ～ 4 mm、 5 ～ 6 mm、 7 ～ 8 mm 的小段， 然 后分别进行超声波实验， 实验结果如图 6 所示。对多 芯电线也做相同的实验， 实验结果如图 7 所示。 图 6单芯线缆切割长度对分离率的影响 图 7多芯线缆切割长度对分离率的影响 所有实验结果表明 电线的长度越短， 分离率越 高。在研究多芯电线的被切长度对分离率的影响中 发现了一个特殊的现象 对于多芯电线， 当铜导线的 含量超过 50 时， 电线小段长度对分离率的影响将 会明显减弱。产生这种现象的原因和上述原因相同， 即铜含量越大， 绝缘层加在铜导线上的拘束力越小， 从而促进了铜和绝缘层的分离。 3. 3液固比率对分离率的影响 用表格 1 中内 /外径为 0. 7 mm/1. 3 mm 的单芯 电线和表格 2 中直径为 1. 9， 2. 4 mm 的多芯电线进 行超声波实验。实验所用电线都被切成 3 ～ 4 mm 的 长度， 实验水温设为 60 ℃ ， 超声波处理时间为 5 min。 实验结果如图 8、 图 9 所示， 图 8、 图 9 显示分离率和 电线总量呈反比关系， 有些点会出现小的波动。原因 是超声波实验中电线小段在超声波空化作用下会出 现聚集现象， 电线量越大则聚集现象越严重， 那么超 声波作用在每根电线上的平均能量就会降低， 分离率 图 8固液比对单芯线缆分离率的影响 图 9固液比对多芯线缆分离率的影响 也随着下降; 局部出现波动是因为聚集现象和超声波 能量分布具有一定的随机性。 4结论 1 经研究可知， 利用超声空化效应可以有效回 收线缆中的可再利用资源， 并有效避免了铜的损失。 2 在热胀冷缩和超声波空化作用双重作用下， 当水温为60 ℃ 时， 分离率最大。 3 对于单芯线缆和多芯线缆， 线缆长度越短， 越 有利于分离。 4 线缆中铜的相对质量分数较高时 50 ， 绝缘层加在铜导线上的拘束力越小， 越能促进铜和绝 缘层的分离， 从而有利于分离率的提高。 5 从整体上看， 分离率会随着固液比的增加而 减小， 而局部上会出现小的波动。 参考文献 ［1 ］ Sijstermans L F. 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