废旧太阳能电池板中Si与PET的静电分选优化研究

张子生,崔 招,杨 杰,岳子微,魏玉省



废旧太阳能电池板中Si与PET的静电分选优化研究

张子生*,崔 招,杨 杰,岳子微,魏玉省

(河北大学物理科学与技术学院,静电研究所,河北保定 071002)

为了将废旧太阳能电池板进行资源化处理.以Si和PET混合颗粒为原料,在前期单因素实验基础上,通过正交实验设计研究不同电压()､转速()､极间距()和电晕电极角度()对静电分选Si和PET混合颗粒效率的影响.结果表明,分选过程中Si颗粒的最优参数设置:=25kV､=80r/min､=65mm和=50°,影响因素主次顺序为:>>>;分选过程中中间产物的最优参数设置:=25kV､=80r/min､=65mm和=50°,影响因素主次顺序为:>>>;分选过程中PET颗粒的最优参数设置:=27.5kV､=80r/min､=65mm和=40°,影响因素主次顺序为:>>>.该研究对静电分选技术资源化处理废旧太阳能电池板具有一定的参考价值.

废旧太阳能电池板；Si与PET；静电分选；正交实验设计

太阳能电池的使用寿命一般在25~30年,快速扩张的国内太阳能市场,未来将会出现回收废旧太阳能电池板的需要,如何有效地对其进行资源化处理,已成为国内外急需解决的难题[1].从国内外现有的太阳能电池板资源化技术方法和经验资源化技术方法和经验来看,组件修复法使用范围较窄;热处理法产生的废气未进行处理,且能耗较高;有机溶剂溶解和无机酸溶解法产生的废液也较难处理[2].

废旧太阳能电池板的组成非常复杂,根据其导电性能,可以分为导体､半导体和绝缘体[3].目前,静电分选技术已经被证明能高效地回收利用导体､半导体和绝缘体[4].与其他方法相比,静电分选技术具有工艺简便,设备易于操作,维修方便;设备运行时高压静电场能耗低;由于是干式作业,因此不存在废水污染及处理问题,有利于环境保护等优点,已在破碎电缆[5]､选矿[6]､废旧印刷电路板资源化领域[7]得到了工业上的规模应用,且取得了显著的经济效益和环境效益.因此,用静电分选技术对已破碎废旧太阳能电池板进行分选更为合理.

将废旧太阳能电池板进行拆解、破碎、筛分分级,对其颗粒样品进行X射线荧光分析:废旧太阳能电池板中含有大量的半导体Si,大约占整体的87%,具有很高的回收价值;同时含有一定量的绝缘体PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯Polyethylene terephthalate,简称PET),约占整体的10%.对废旧太阳能电池板进行资源化处理,需要将两种混合物分选出来.采用静电分选技术回收处理含有Si和PET颗粒的混合物是对废旧太阳能电池板资源化处理新的探索.

首先对在静电分选过程中的荷电颗粒进行了受力分析[8];其次,通过单因素实验来研究影响静电分选的四个主要因素(电压､转速､极间距和电晕线角度)的变化对分选Si和PET的影响规律[9-12];最后,采用正交实验设计的方法找出最佳分选效率的参数设置[13].该研究为静电分选回收处理废旧太阳能电池板提供了借鉴意义.

1 荷电颗粒受力分析

我们将颗粒近似成球形颗粒来处理,作用在颗粒上的力包括重力()､库仑力(1)､非均匀电场力(2)､镜面力(3)和离心力(4),如图1所示.

式中:为颗粒的质量;为重力加速度.

式中:为颗粒所带的剩余电荷;为颗粒所处电场的强度.

式中:为颗粒的半径;为颗粒的介电常量;为电场梯度.

式中:为参数;(R)为颗粒界面电阻函数.

式中:为转辊的运动线速度;为转辊的半径.

从式(2)、(3)、(4)可以看出:库仑力1和镜面力3的大小主要取决于颗粒的剩余电荷,而剩余电荷又取决于颗粒的界面电阻.对于PET颗粒,它的界面电阻接近于1,放电速度慢,剩余电荷多,作用在它上面的库仑力1和镜面力3非常大.对于Si颗粒,其界面电阻远小于PET颗粒,其剩余电荷量也远小于PET颗粒,作用在Si颗粒上的库仑力1和镜面力3远小于PET颗粒.作用在颗粒上的非均匀电场力2远远小于库仑力1,实际上可忽略不计.

静电分选过程中,Si颗粒受到的库仑力1和镜面力3很小(可以忽略不计),随着颗粒下落角的减小,重力在径向方向的分力也在减小,致使颗粒的受力满足式(6),导致Si从B-C段下落;PET颗粒受到的库仑力1和镜面力3非常大,致使颗粒的受力满足式(7),导致PET在C点以后由刷子将其刷下.从而Si与PET被分离开.

2 实验部分

2.1 实验材料

对经破碎､烘干的废旧太阳能电池板颗粒进行筛分实验,得到物料颗粒粒度集中在A~E五种粒径级别,粒径级别分别为:A级(0.104~ 0.124mm),B级(0.124~0.150mm),C级(0.150~ 0.178mm),D级(0.178~0.250mm),E级(0.250~ 0.420mm).又当物料粒径较小时,颗粒的比表面能较大,不利于物料的运动和分离;当物料粒径较大时,重力会对颗粒的运动产生比较显著的影响,致使Si颗粒的抛射距离减小,影响分离率,所以实验所选取的物料粒径既不能过大也不能过小,所选取的物料粒径为C级,约占整体的63%.

称取定量知名太阳能电池板生产企业—中国英利集团提供的太阳能电池板破碎物料交由河北省保定地质工程勘察院进行X射线荧光分析:半导体Si颗粒约占整体的87%,绝缘体PET约占整体的10%.为了简化实验过程采用模拟物料进行物料分选实验[14].在分选实验中,按质量配比半导体Si:绝缘体PET=87:10进行模拟配料,待分选的半导体-绝缘体物料为Si和PET的混合颗粒,其中Si颗粒质量为87g,PET颗粒质量为10g.在不同实验条件下进行分选试验.

2.2 实验装置

本实验采用针辊式静电分选机,它由加料装置,针型电晕电极(负极)和接地辊电极(正极),收集槽和毛刷组成,图2为其示意图.加料装置使待分选颗粒能够均匀､单层匀速地进入接地辊电极的表面,电晕电极接直流负高压,辊电极与大地相接为正极,收集槽用于收集分选出来的颗粒,毛刷用来刷去吸附在辊电极表面的颗粒[15].

1.加料槽;2.传送板;3针型电晕电极;4.毛刷;5.转辊;6.待分选颗粒; 7.辊轴

2.3 实验方案

首先通过单因素实验分别研究影响分选效率的主要因素,如图3所示(电压(kV)､转速(r/min)、极间距(mm)、电晕电极角度(°))的变化对分选Si和PET的影响规律,单因素实验的参数的设定如表1所示.然后采用正交实验设计的方法找出最佳分选效率的参数设置[16-18].实验均在温度10~15℃之间,相对湿度45%~55%之间进行.

表1 单因素实验参数设置

3 结果与讨论

3.1 电压对静电分选Si与PET的影响

不同电压下Si与PET的分选结果如图4所示.当其他条件一定时,中间产物的质量随着电压的升高先减少后增大;Si与PET的质量都是随着电压的升高先增大后减小.

这是由于当电压较低时,空间电场强度较弱,PET颗粒不能充分荷电,受到的库仑力和镜面力较小,一部分PET颗粒提前脱落,中间产物质量增加.当电压较高时,Si､PET颗粒虽都能充分荷电,但Si颗粒的放电速度较慢,其离开电场时表面还剩余比较多的电荷,受到的电场力比较大,一部分Si颗粒不能落入其收集槽,导致Si与PET的分选效率都降低[19].实验过程中当其他条件一定,施加电压过高时,容易发生火花放电,所以施加电压选定在25-30kV.

(a)质量分布

(b)分选效率

图4 不同电压下分选结果

Fig.4 separation results under different high voltage level

3.2 转速对静电分选Si与PET的影响

不同转速下Si与PET的分选结果如图5所示.当其他条件一定时,转速为40~70r/min时,Si的分选效率仅变化了2.44%,而当转速大于70r/min时,Si的分选效率却从98.3%降低到了86.03%;PET则在转速为40~85r/min时,其分选效率随着转速的增加而增加,从77%增加到了99.1%,大于85r/min后分选效率略有下降.

这是由于当其他因素一定时,随着转速的减小Si所受到的离心力越来越小.当转速低于60r/min时,有一小部分Si颗粒落入PET的收集槽中,使PET分选效率急剧减小.而随着转速的增加,PET颗粒所受到离心力越来越大.当转速高于70r/min时,有一小部分PET颗粒落入Si的收集槽中,使Si分选效率急剧减小,中间产物的质量急剧上升[20].所以转速选定在60~80r/min.

(a)质量分布

(b)分选效率

图5 不同转速下分选结果

Fig.5 separation results under different roll speed

3.3 极间距对静电分选Si与PET的影响

不同极间距下Si与PET的分选结果如图6所示.Si在极间距为55mm时分选效率最高98.53%,PET在65mm时分选效率达到最大99%;Si与PET的分选效率都是随着极间距的增加先增大后减小.

(a)质量分布

(b)分选效率

图6 不同极间距下分选结果

Fig.6 separation results under different radial position of corona electrode

这是由于在电压一定时,极间距过大后(大于70mm),一方面空间电场强度减弱,使得PET受到的吸向转辊的电场力减弱,另一方面,电晕电场区域较宽,致使Si颗粒在离开电晕电场后未有充足的时间放电,因此Si与PET的分选效率降低.而极间距小于60mm时,电晕电场区域较窄且空间电荷的分布不均匀,影响PET颗粒的荷电.因此部分PET颗粒由于所受库仑力与镜面力的减弱提前脱离转辊落入了中间产物收集槽,致使其分选效率急剧下降[21].所以极间距选为60~70mm.

3.4 电晕电极角度对静电分选Si与PET的影响

不同电晕电极角度下Si与PET的分选结果如图7所示.其他因素一定,Si与PET的分选效率随着电晕电极角度的增加而增大,中间产物分选效率则降低.

(a)质量分布

(b)分选效率

图7 不同电晕电极下分选结果

Fig.7 separation results under different angular position of corona electrode

这是由于当电晕电极角度变化时,整个电晕电场与其偏转相同的角度.随着电晕电极角度的减小,分选颗粒的荷电区域向下移动,这就使Si颗粒在离开电晕电场后放电时间越来越短,使其不能有充足时间放电.因此有一部分Si颗粒由于受到较大的镜面力使其跟随转辊运动落入PET收集槽,二者分选效率降低.当电晕电极角度大于30°时,Si与PET的分选效率虽仍在上升但上升幅度不大.并且电晕电极角度过大时,其形成的离子风会使待分选颗粒进料时向相反的方向运动,破坏静电分选的过程[22],因此未再提高电晕电极角度进行实验.所以电晕电极角度选在30~50°.

3.5 正交实验

上述实验确定了四个主要影响因素的取值范围,下面采用正交实验设计的方法找出最佳分选效率的参数设置.将每个影响因素定为3个水平,如表2所示.

表2 因素水平表

选用L9(34)正交表[23],选用极差分析法对上面的实验结果进行分析与讨论,正交实验结果见表3.首先计算,和,其中为因素水平所对应的实验结果之和;为的平均值.根据的大小可以判定实验结果下因素的优水平,从而得到该实验结果下各个因果下各个因素的优化组合.为因素的极差,其值为因素下最优水平与最低水平之差,其大小用来反映因素水平发生变化时,其实验结果的变化幅度.的值越大,表明因素对实验结果的影响越大.因此通过值可以获得各个因素对实验结果的影响权重,得到各个因素的主次顺序.

表3 正交设计实验结果与分析

续表3

由表3可得:在以Si的分选效率为实验指标时R>R>R>R,则各因素对Si分选效率影响的主次顺序为,极间距>转速>电晕电极角度>电压;由1>2>3可判定1为电压因素的优水平,同理可以确定3､2､3分别为转速､极间距､电晕电极角度的优水平,则最优水平组合为1323.在以中间产物的分选效率为实验指标时,各因素对中间产物的分选效率影响的主次顺序和最优水平组合与Si一样.各因素对PET的分选效率影响的主次顺序为:电压>电晕电极角度>转速>极间距,最优水平组合为2322.

3.6 验证实验

对确立的分选各种物质的最优水平组合进行实验验证.在Si与中间产物的分选效率最优水平组合下,得到Si颗粒86.755g,颗粒混合物0.392g,Si颗粒的分选效率为99.72%,中间产物的分选效率为0.40%;在PET的分选效率最优水平组合下,得到PET颗粒9.98g,其分选效率为99.8%.实验结果表明在各自最优的水平组合下,各物质都取得了良好的分选效果.

4 结论

4.1 本实验通过单因素和正交实验设计得到了静电分选Si与PET颗粒混合物的最优参数设置,其中Si与PET颗粒的分选效率越高越好,中间产物的分选效率越低越好.

分选过程中Si颗粒的最优参数设置:电压=25kV,转速=80r/min,极间距=65mm和电晕电极角度=50°;影响因素主次顺序为:>>>.

4.2 分选过程中中间产物的最优参数设置:电压=25kV,转速=80r/min,极间距=65mm和电晕电极角度=50°;影响因素主次顺序为:>>>.

4.3 分选过程中PET颗粒的最优参数设置:电压=27.5kV,转速=80r/min,极间距=65mm和电晕电极角度=40°;影响因素主次顺序为:>>>.

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Optimization of electrostatic separation of Si and PET in waste solar panels.

ZHANG Zi-sheng*, CUI Zhao, YANG Jie, YUE Zi-wei, WEI Yu-sheng

(Institute of Static Electricity, School of Physical Science and Technology, Hebei University, Baoding 071002, China)., 2017,37(8)：3048~3055

In order to effectively deal with waste solar panels, Si and PET mixed particles were used as raw materials, separation efficiency of Si and PET mixed particles were studied through orthogonal experiment with different voltage (), speed (), electrode spacing () and corona electrode angle () conditions, on the basis of the preliminary optimization of single factor test. The results showed that the optimal parameter settings of Si particles in the sorting process were as follows:=25kV,=80r/min,=65mm and=50°, and the influencing factors were ordered as followed:>>>; the optimal parameter settings of middling in the sorting process were as follows:=25kV,=80r/min,=65mm, and=50°, and the influencing factors were ordered as followed:>>>; the optimal parameter settings of PET particles in the sorting process were as follows: U=27.5kV, N=80r/min, S=65mm and θ =40°, and the influencing factors were ordered as followed:>>>. This study contributes to the efficient recycling of valuable resources from waste solar panels by the electrostatic separation.

waste solar panels；Si and PET；electrostatic separation；orthogonal experimental design

X705

A

1000-6923(2017)08-3048-08

张子生(1965-),男,河北定兴人,研究员,硕士,主要研究方向高电压技术的应用与大气污染控制技术的开发与应用.发表论文30余篇.

2017-01-13

国家自然科学基金(11205046);河北省自然科学基金(A2013201266,A2016201025)

* 责任作者, 研究员, zzsxiansheng@163.com