电子废弃物气流分选教学实验装置研制

黄菊文， 贺文智， 李光明， 盛 力， 施鼎方， 徐竟成

(同济大学环境科学与工程学院，环境科学与工程国家实验教学示范中心，上海 200092)

0 引言

电子废弃物是一种新型的固体废弃物，近年来，为世界上增长速度最快的固体废弃物，其增长速度是普通固体废弃物的3倍［1］。它具有环境危害性，同时又具有资源再生利用价值，因此，电子废弃物处理与资源化利用已成为当前研究的热点与重点。目前，国内高校在本科生中仅开设以生活垃圾为主的固体废弃物实验［2-3］，电子废弃物处理与资源化实验教学尚处于探索阶段［4］。同济大学环境科学与工程国家实验教学示范中心在分析和调研了国内外环境类实验教学发展水平与实验教学创新动态的基础上，根据实验教学特点和要求，结合学科发展水平和动态，以电子废弃物处理与资源化研究成果为抓手，自行设计适合于本科生实验的教学装置。这一教学实验装置的成功研发，不仅体现着学科前沿发展与解决实际环境问题的特色，注重实验项目创新以及实际应用，而且进一步完善了本科生固体废弃物实验教学内容，成为实验教学层次水平提升与创新的重要内容［5］。

1 电子废弃物组成及固体流态化气流分选基本原理

1.1 电子废弃物组成

电子废弃物各组成材料的循环再生是保证其最大限度资源化的重要环节，而印刷线路板(Printed Circuit Board，PCB)是各类电子电器产品中不可缺少的重要部件，具有数量多、成分复杂、环境危害大、潜在回收价值高等特点［6］。由于PCB中含有铜、铝、金、银、钯等贵重金属及环氧树脂、塑料、玻璃纤维等有用的资源和铅、铬、汞、镉等重金属及卤素阻燃剂等有害物质，而且PCB材料组成和结合方式复杂，单体解离粒度小，不容易实现分离。非金属成分主要是含特殊添加剂的热固性塑料，处理起来也比较困难。因此，如何实现低成本、高效率且二次污染小的金属与非金属的有效分离与回收是PCB资源化过程的关键所在［7-8］。

1.2 固体流态化气流分选基本原理

固体流态化是20世纪中期兴起的一项技术，它是使一定速度的流体使自下而上通过一颗粒床层，固体颗粒被流体夹带形成两相悬浮体而呈现出类似流体运动状态的方法。作为研究颗粒与流体相互作用规律的学科，流态化技术的应用研究取得了许多重大进展，已经成为颗粒与粉体制备、加工、改性和输送以及改善催化反应等的有效手段，并渗透到国民经济的许多领域，在化工、石油、冶金、能源、材料、环保等部门得到了广泛应用。流态化技术具有投资小，处理能力大、操作方便，且易于控制等优点，近20年人们开始将固体流态化技术应用于固体物料的分离，其原理是:使待分离的颗粒物料在一定流速气体或液体的作用下形成流化床，借助不同密度及不同尺寸颗粒物料在流体中的沉降速度不同而使其相互分离［9］。

2 实验装置研制

2.1 实验原理

将气流分选技术应用于废弃印刷电路板的分选富集是基于电路板中金属和非金属间的密度差而进行的。利用不同物质间的密度差进行分离操作是选矿工业普遍采用的方法［10］，其可行性可用下式进行评判。

其中:Dh为重组分材料密度;Dl为轻组分材料密度;Df为介质密度。

表1列出了与基于密度差异分选难易程度的关系［11］。

表1 物质按密度差异分离的难易度

由表1可知:当|C|＞2.5时，以密度差异为基础的分离操作易于将轻重组分分离;|C|减小，分离效果随之降低，当|C|＜1.25时，这种分离方法便失去其实用价值。鉴于金属与非金属间有较大的密度差异，气流分选方法广泛用于金属与非金属的分离。铜是PCB的主要金属成分，其密度为8.9×103kg/m3，而 PCB中非金属混合物的密度测定值为1.8×103kg/m3。若以空气为流体介质(密度为1.2 kg/m3)，则|C|=4.94，远高于可进行分离的|C|下限1.25。因此，采用基于密度差异的方法对PCB中的金属与非金属进行分离可取得良好的效果，为研究设计适合于学生实验的PCB金属与非金属流态化气流分选装置提供了条件［12-13］。原理图如图1所示。

2.2 实验装置

(1)组成。研制的PCB金属与非金属流态化气流分选装置如图2所示，由引风机、流态化气流分选装置(流化床)、转子流量计、U型测压装置、旋风分离器和袋滤器等组成。流态化分选装置由外径40 mm，长度400 mm的有机玻璃管组成。

图1 电子废弃物气流分选原理图

图2 电子废弃物气流分选实验装置

(2)工艺流程。将一定粒度的印刷线路板粉碎料送入流态化气流分选流化床内，开启风机，用阀门缓慢调节风机流量至适宜大小;进入流化床内的PCB粉碎料在经由风机与流化床底部分布板均匀分布的气流的作用下充分流化;在流化床内，PCB粉碎料中不同材质的颗粒，因密度差沿流化床自下而上形成金属富集层及非金属富集层;流化床内分层的金属沉降在流化床底部，位于设备上部的非金属轻组分富集层在气流的作用下以稀相输送方式流经旋风分离器进行分离回收，夹带少量微细粉尘的空气经袋滤器过滤后排空。

(3)特点。PCB金属与非金属流态化气流分选装置的特点有:①设备小型化。该装置体积小、功能全，能全面完成金属与非金属的气流分选及流态化曲线测试等实验工作。②功能模块化。各部件安装维护方便，既相互联系又彼此独立，发挥协同作用。③操作简便化。本工艺为以空气为介质的干法物理过程，分离所得产品无需干燥处理，设备简单，操作方便。④环境影响最小化。PCB组成物料间的分离富集过程在密闭的流态化分离装置内完成，分离富集后的金属与非金属分别在流态化分离装置、旋风分离器内与空气分离，空气中夹带的难以分离的微量细小飞扬粉尘经袋滤器进行捕集，因此整个操作过程基本无粉尘产生，环境影响小。

3 实验装置应用

该教学实验装置主要应用于气流分选富集回收金属与非金属、流态化曲线测试两部分。

(1)气流分选富集回收金属与非金属。考察气流速度、颗粒粒度以及物料量对气流分选效果影响。称取一定质量筛分物料加入分选装置中，由风机产生的气流经分布板流经床层使物料松动，调节气体流速，使得沉降速度小于操作气速的非金属颗粒被上升气流带出装置，由旋风分离器和袋滤器收集成为轻组分;大部分金属颗粒落入装置底部，成为重组分产品回收。

(2)流态化曲线测试。称取一定质量的筛分物料加入分选装置中，由风机产生的气流经分布板流经床层，调节气体流量控制阀，逐渐加大流量，根据水U形压差计读数记录每个流速下的床层压降。将此床层压降减去相同气速下的空床压降，可以得到该气速下的物料床层压降。根据物料床层压降Δp和表观气速u绘制物料流态化曲线，从而确定颗粒床层的最小流态化速度与各种流态化状态。实验中考察了不同粒度范围的废弃印刷电路板粉碎料测定的流态化曲线。

4 结语

鉴于流态化技术的特点与印刷线路板组成材料的特性，研究设计并制造了适合于学生实验的PCB中金属与非金属流态化气流分选装置，实现了PCB中金属及非金属富集体的有效分离。该装置的成功开发不仅完善了固体废弃物处理与资源化实验教学内容体系和项目的系统设置，拓展了学生的思维能力，增强了学生创新意识和创新能力，而且在培养环境科技创新人才上起到了关键性作用，满足了培养具有时代特征的高素质环境科技人才的需要。

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