废旧电路板加热拆解过程中颗粒物的排放及其在人体呼吸系统的沉积特征*

纪 昂 王建波 郭 杰,2# 许振明 杨义晨 李英顺

(1.上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240；2.上海电子废弃物资源化产学研合作开发中心，上海 201209；3.上海新金桥环保有限公司，上海 201201)

废旧电路板加热拆解过程中颗粒物的排放及其在人体呼吸系统的沉积特征*

纪 昂1王建波1郭 杰1,2#许振明1杨义晨3李英顺3

(1.上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240；2.上海电子废弃物资源化产学研合作开发中心，上海 201209；3.上海新金桥环保有限公司，上海 201201)

废旧电路板(WPCB)表面焊接有大量电子元器件，从资源高效回收的角度出发，需要对WPCB进行加热拆解以便于电子元器件及电路板基板材料的后续处理。WPCB加热拆解过程将释放大量的烟雾污染物，易造成环境污染并危害工人健康。对WPCB加热拆解过程释放颗粒物的粒径分布、颗粒物数浓度和颗粒物质量浓度等特征进行研究，核算不同粒径段颗粒物的排放系数，并研究了加热拆解过程中颗粒物在人体呼吸系统的沉积特征。总体看来，WPCB加热拆解过程所释放的颗粒物中，数量上以细颗粒物为主，粒径越小的颗粒物数浓度越高，质量上以大颗粒为主，粒径越大的颗粒物质量浓度越高。WPCB加热拆解过程中，颗粒物数浓度排放系数为3.30×105个/cm3，质量浓度排放系数为9.55mg/m3。工人操作过程中吸入的颗粒物主要沉积在呼吸系统的鼻腔咽喉部位、气管支气管部位和肺泡部位，3个部位的沉积通量分别为3.32、1.26×10-1、1.99×10-1mg/h，合计每小时约有3.65mg颗粒物进入工人的呼吸系统，需要对工人提供呼吸系统的保护措施。

废旧电路板 颗粒物 排放系数 呼吸暴露

随着科技的快速发展，越来越多的电器电子产品被淘汰遗弃，成为电子废弃物(WEEE)。2014年，全球WEEE总量约为4 180万t，并以每年200万t的速度持续增长。我国作为最大的发展中国家，年均WEEE产生量达600万t以上，是仅次于美国的第二大WEEE制造国。预计到2020年，我国电器电子产品年报废数量将达到1.37亿台[1]。WEEE中含有许多可以回收利用的资源，是一座巨大的“城市矿山”，但对WEEE的处置方法不当，将会使其中的重金属、有机污染物释放出来[2]，对环境和人体健康造成严重的危害[3-6]。

WEEE中经济价值较大的资源多集中在电路板上[7]。不同电器电子产品的电路板各不相同，但处理处置方法大同小异，即先进行加热拆解去除电路板上的电子元器件，再通过物理破碎或化学浸溶等方法分别回收电子元器件和电路板基板中的可重复利用资源。在拆解废旧电路板(WPCB)的过程中，由于高温加热和敲打振荡使许多污染物随之释放出来，造成大气污染[8]。我国《废弃电器电子产品规范拆解处理作业及生产管理指南(2015年)》中规定：“以加热等方式拆解电路板上元器件、零部件等，使用负压工作台，设置能够有效收集烟尘、有害气体的废气收集处理系统。”但在实际研究中，负压工作台并不能完全去除拆解过程中产生的污染，仍有许多污染物未能被废气收集处理系统收集，这些污染物以气态或附着在颗粒物上的形式释放到环境中，通过呼吸暴露[9]或皮肤暴露[10]等形式对人体造成危害。此外，也会对厂区周边环境造成污染[11-13]。

以往的文献着重对WPCB处理过程中产生的气态污染物(如挥发性有机化合物(VOCs))[14]及其对周边环境的影响[15-20]进行研究，缺乏对于WPCB加热拆解过程中的颗粒物排放特征及车间内工人颗粒物暴露情况的研究[21-22]。为此，本研究通过在上海某电子废弃物回收处理公司的WPCB加热拆解车间进行实地检测，分析了WPCB加热拆解过程中产生的颗粒物的粒径分布及排放特征，并研究颗粒物在操作工人呼吸系统的沉积特征，为操作工人的职业防护提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验介绍

本研究采样地点位于上海某电子废弃物回收处理公司的WPCB加热拆解车间，该车间面积约为40 m2，采样期间车间内有3名工人对WPCB进行加热拆解，每个操作台均设置负压集尘罩对操作过程产生的烟气进行负压收集及后续尾气处理。为合理评估工人的实际暴露量，将颗粒物采样点设置在集尘罩外部，位于操作工人的口鼻处附近，采样过程共持续10 min，采样流速为10.0 L/min，气体未稀释。

1.2 采样仪器

本研究采用电子低压撞击器(ELPI，芬兰Dekati公司)对车间空气中不同粒径段颗粒物的数浓度进行实时测量和记录。ELPI通过电晕放电对气溶胶粒子荷电，气流逐级通过撞击器将颗粒物粒径分级，各级切割粒径分别为9.920、6.680、4.000、2.390、1.600、0.948、0.613、0.382、0.263、0.157、0.095、0.054、0.028 μm，将空气中的颗粒物分为12个粒径段，各粒径段的空气动力学平均直径分别为8.080、5.120、3.060、1.940、1.220、0.760、0.480、0.310、0.200、0.120、0.070、0.040 μm(例如，空气动力学平均直径0.040 μm对应0.028～0.054 μm粒径段)，剩余气流由ELPI末端排出[23-25]。各级撞击器分别配有电流放大器和静电计，通过各级静电计显示的电流计算各级颗粒物数浓度和质量浓度，采样时ELPI通过数据线与计算机连接，将所得数据实时传输并保存在计算机中。

2 结果和讨论

2.1 颗粒物排放特征

对采样期间不同粒径段颗粒物的数浓度随时间的变化规律进行分析，发现颗粒物排放总体呈周期性的变化规律，这是由于在WPCB加热拆解车间中，工人在操作台对每一块WPCB的处理流程、操作时间基本一致。本研究将每块WPCB的加热拆解流程视为一个完整操作，据统计，每个完整操作用时约50 s，期间包含两个阶段：(1)加热熔锡阶段，在此阶段，工人夹取待拆解WPCB，将含锡的一面放入操作台高温锡水中加热，使焊锡熔化，该阶段用时约30 s；(2)去除元器件阶段，在此阶段，操作工人利用钳子等工具，通过敲打、刮除等方式去除加热后WPCB的元器件，该阶段用时约20 s。在WPCB加热熔锡阶段，基板和焊锡受热后会连续释放大量气体污染物，由于集尘罩的负压作用，大部分颗粒物被吸入通风管道及尾气处理系统。在去除元器件阶段，操作工人用钳子夹住WPCB敲打、振动时会对集尘罩内部气流造成扰乱，使部分颗粒物逸出集尘罩。

图1为一个完整的WPCB加热拆解过程中(188～237 s)，不同粒径段的颗粒物数浓度随时间的变化规律。由图1可见，前30 s左右的加热熔锡阶段产生的颗粒物数浓度相对较少，峰型不明显；后20 s左右的去除元器件阶段，颗粒物数浓度有明显的上升，形成一个污染峰，这是由于工人敲打、振动WPCB对集尘罩内部气流造成扰动所致。生成的颗粒物主要为空气动力学平均直径在0.200 μm以下粒径段的颗粒物，且颗粒物粒径越小，其数浓度越高。

图1 一个完整过程中不同粒径段的颗粒物数浓度Fig.1 Number concentration of particles with different sizes in a whole process

2.2 颗粒物粒径分布

图2为加热熔锡阶段和去除元器件阶段颗粒物数浓度粒径分布情况。由图2可见，WPCB加热拆解过程中产生的颗粒物大多为细颗粒物，总体看来颗粒物粒径越小，数浓度越高。加热熔锡阶段和去除元器件阶段颗粒物数浓度的粒径分布基本一致，均是以空气动力学平均直径为0.040、0.070 μm粒径段的颗粒物数浓度最高，即粒径在0.028～0.095 μm的颗粒物数浓度最高，随粒径增加，颗粒物数浓度逐渐降低。且任何一个粒径段均是去除元器件阶段所产生的颗粒物更多，空气动力学平均直径大于1.940 μm粒径段的颗粒物更是主要来自去除元器件阶段。

图2 两个阶段的颗粒物数浓度粒径分布 Fig.2 Particle size distribution of number concentration in two stages

图3为加热熔锡阶段和去除元器件阶段颗粒物质量浓度粒径分布情况。由图3可见，在WPCB加热拆解过程中产生的细颗粒物虽然数浓度很大，但质量浓度很小，说明空气中的颗粒物质量主要由粒径较大的颗粒物贡献。在WPCB加热拆解的两个阶段中，颗粒物质量浓度的粒径分布基本一致，颗粒物质量浓度随粒径增加逐渐升高，去除元器件阶段所产生的颗粒物质量浓度更大。

图3 两个阶段的颗粒物质量浓度粒径分布Fig.3 Particle size distribution of mass concentration in two stages

2.3 颗粒物排放系数

由上述分析可知，在WPCB加热拆解过程中将释放出不同粒径的颗粒物，各粒径段颗粒物具有不同的数浓度和质量浓度。在此，假设加热拆解车间运行过程中产生的颗粒物污染可视为若干个单次加热拆解过程之和，且车间内单位时间颗粒物排放浓度与一个完整的WPCB加热拆解过程中颗粒物平均排放浓度相同，则颗粒物的数浓度排放系数和质量浓度排放系数计算方法如下：

(1)

(2)

式中：nEFi为第i个粒径段颗粒物的数浓度排放系数，个/cm3；Ni，t为第i个粒径段颗粒物在t时刻(t=1～50 s)产生的颗粒物数浓度，个/cm3；T为一个完整的WPCB加热拆解周期，T=50 s；cEFi为第i个粒径段颗粒物的质量浓度排放系数，mg/m3；Ci，t为第i个粒径段颗粒物在t时刻产生的颗粒物质量浓度，mg/m3。

根据采样数据计算不同粒径段颗粒物的数浓度排放系数及质量浓度排放系数，结果见表1。由表1可见，不同粒径段颗粒物中，小颗粒物的数浓度排放系数更高，而大颗粒物的质量浓度排放系数更高。将所有粒径段颗粒物排放系数相加后，得到WPCB加热拆解过程中颗粒物的数浓度排放系数为3.30×105个/cm3，质量浓度排放系数为9.55 mg/m3。

表1 WPCB加热拆解过程中颗粒物的排放系数

与印刷电路板生产企业相比，电路板生产车间的空气中PM10质量浓度为27.1～289.8 μg/m3，PM2.5质量浓度为22.1～212.3 μg/m3[26]。而WPCB加热拆解过程中排放的PM10质量浓度约为9.55 mg/m3，PM2.5质量浓度约为1.20 mg/m3，污染程度远高于电路板生产企业，同时也显著高于阴极射线显像管(CRT)显示器回收过程中的PM10质量浓度(316.9 μg/m3)[27]。

2.4 颗粒物在人体呼吸系统的沉积特征

本研究采用国际防辐射委员会(ICRP)提供的简化模型，利用操作工人口鼻位置ELPI采集的颗粒物检测数据，对加热拆解车间操作工人吸入颗粒物在呼吸系统中的沉积特征进行研究。假设颗粒物主要沉积在人体呼吸系统的鼻腔咽喉部位、气管支气管部位和肺泡部位，3个部位颗粒物沉积量均与颗粒物的粒径有关。则根据式(3)可以计算得到不同粒径段颗粒物在人体呼吸系统不同部分的沉积通量：

Di,j=DFi,j×cEFi×Vj=1,2,3

(3)

式中：Di,j为第i个粒径段颗粒物在第j个部位的沉积通量(j=1为鼻腔咽喉部位，j=2为气管支气管部位，j=3为肺泡部位)，mg/h；DFi,j为第i个粒径段颗粒物在第j个部位的沉积系数，DFi,j计算相对复杂，具体参见文献[28]；V为正常成人的呼吸速率，取0.45 m3/h[29]。

根据ELPI检测数据，通过式(3)计算得到不同粒径段颗粒物在人体呼吸系统不同部位的沉积通量，结果见表2。

由表2计算可得，人体呼吸系统的鼻腔咽喉部位、气管支气管部位和肺泡部位的颗粒物总沉积通量分别为3.32、1.26×10-1、1.99×10-1mg/h，即每小时约有3.65 mg颗粒物进入工人的呼吸系统。虽然大部分颗粒物沉积在鼻腔咽喉部位，但也有部分颗粒物进入到气管支气管甚至肺泡部位，对工人的呼吸系统造成潜在危害。若按工人每日工作时间为8 h计算，则每天约有29.20 mg颗粒物进入工人的呼吸系统中，说明仅仅通过工作台上方的负压排气装置并不能保证工人的呼吸健康，为降低工作中的健康风险，建议工人佩戴能够有效过滤细颗粒物的口罩进行操作。

表2 颗粒物在人体呼吸系统的沉积通量

3 结 论

(1) 总体看来，WPCB加热拆解过程所释放的颗粒物中，数量上以细颗粒物为主，粒径越小的颗粒物数浓度越高；质量上以大颗粒物为主，粒径越大的颗粒物质量浓度越高。WPCB的加热拆解流程包含加热熔锡、去除元器件两个阶段，其中去除元器件阶段颗粒物排放更大。

(2) WPCB加热拆解过程颗粒物的数浓度排放系数为3.30×105个/cm3，质量浓度排放系数为9.55 mg/m3。操作工人吸入的PM10约为9.55 mg/m3，PM2.5约为1.20 mg/m3，颗粒物污染严重。

(3) 操作工人吸入的颗粒物在呼吸系统的鼻腔咽喉部位、气管支气管部位和肺泡部位的沉积通量分别为3.32、1.26×10-1、1.99×10-1mg/h，每小时约有3.65 mg颗粒物进入工人的呼吸系统，需要加强对操作工人呼吸系统的职业防护措施。

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Particulatematteremissionanddepositioncharacteristicsinhumanrespiratorysystemduringwasteprintedcircuitboardsheatinganddisassemblingprocess

JIAng1，WANGJianbo1，GUOJie1,2，XUZhenming1,YANGYichen3,LIYingshun3.

(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240;2.ShanghaiCooperativeCentreforWEEERecycling,Shanghai201209;3.ShanghaiXinJinqiaoEnvironmentalProtectionCo.,Ltd.,Shanghai201201)

There was a large number of electronic components on the surface of waste printed circuit boards(WPCB). From the perspective of efficient recycling of WPCB,it was very important to remove the electronic components on WPCB. The most common way was heating and melting the solder between electronic components and printed circuit board. While large amount of pollutants would released during the heating and disassembling process,and it would cause environmental pollution and harm to the health of workers. In this research,the characteristics of particle size distribution,number concentration and mass concentration were determined experimentally in the process of heating and disassembling WPCB. The deposition characteristics of the particulate matter in human respiratory system were also studied. The results showed that the majority of the particulate in number were fine particulate matter,and the particle number concentration was higher when particle size smaller. Large particles contributed more of particle mass,with the greater the particle size,the higher the particulate mass concentration. During the treatment process,the emission coefficient of the particle number concentration was 3.30×105cm-3,and the emission coefficient of mass concentration was 9.55 mg/m3. The deposition fluxes of particulate matter inhaled in the respiratory system of the nose and throat,trachea and bronchus，alveolar area was 3.32,1.26×10-1,1.99×10-1mg/h,respectively. About 3.65 mg particulate matters was inhaled into the worker’s respiratory system every hour. It’s necessary to provide protection measures for workers’ respiratory system.

waste printed circuit boards； particulate matter； emission coefficient； inhalation exposure

纪 昂，男，1992年生，硕士研究生，主要从事电子废弃物资源化及污染特征研究。#

。

*国家自然科学基金资助项目(No.21307030)；上海电子废弃物资源化产学研合作开发中心开放基金资助项目。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.06.001

2016-12-10)