废旧CCFL背光源组件资源环境特性及安全回收工艺

邓 毅，黄 庆，郁丰善，白 静，顾卫华

（1.生态环境部固体废物与化学品管理技术中心，北京 100029；2.上海第二工业大学资源循环科学与工程中心，上海 201209；3.江西省汉氏贵金属有限公司，江西 上饶 335500；4.上海太和水环境科技发展股份有限公司，上海 200433）

随着液晶显示器（LCD）逐渐被发光二极管（LED）或有机发光二极管（OLED）所取代，冷阴极荧光灯管（CCFL）背光源必定会迎来报废的高峰期。目前，废弃LCD 各个部件（金属框架、LCD 面板、线路板、塑料等）的资源化回收有相对完善的技术方案[1]，而其CCFL 背光源含有一定量的汞，必须妥善管理和处理[2]。在欧盟废弃电子电器设备指令中[3]，CCFL 被归类为危险废物，必须通过专门的汞回收设施或危险废物处置资质企业进行处理。我国《废弃家用电器与电子产品污染防治技术政策》（环发〔2006〕115 号）规定[4]，从背光模组中拆下的冷阴极荧光灯管可送往专业的汞回收厂回收汞，或者连同其他含汞荧光灯管一起按照危险废物处置。当前，国内外对于含汞荧光灯管的收集管理和回收处理体系趋于完善[5-7]，但相比荧光灯和节能灯，CCFL 背光源内径更细，若采用当前成熟的荧光灯管处理工艺，无法满足CCFL 背光源的有效处理要求。因此，为妥善管理和控制CCFL背光源回收处理的风险，必须掌握其基本组成结构和资源环境属性，从而提出科学可靠的资源化和无害化的综合回收方案。

1 LCD 产业发展现状

1.1 LCD 销售量和淘汰量

19 世纪80年代末，奥地利植物学家莱尼茨尔首次发现液晶。20 世纪60年代，液晶才开始朝屏幕显示的方向发展。20 世纪70年代，日本首次将其用于电子计算机的数字显示。随着LCD 的轻巧、省电、低辐射和高成像画质等优点逐渐显现，其逐渐取代阴极射线显像管（CRT）[8]。到21 世纪，LCD 几乎完全取代CRT，被广泛应用于各类显示设备中，其市场占有率逐年增加。2004—2011年，在我国，其销售量的年均增长率超过45%，如图1 所示[9]。一般来说，台式电脑、笔记本电脑和液晶电视机的使用年限分别为5年、4年和8年。按照该标准估算，2014—2020年，我国主要LCD 产品（台式电脑、笔记本电脑和液晶电视机等）的淘汰量超过10 亿台，如图2 所示[9]。2018年，欧洲仅LCD 报废量就达到56.9 万t[10]。

图1 我国2004—2011年LCD 设备销售量

图2 我国2014—2020年LCD 设备理论淘汰量

发光部件是LCD 最重要的组件，LCD 本身不会发光，需要背光模组来提供成像所需要的光[11]。根据不同的背光源技术，背光模组可分为LED、CCFL 和电致发光片（EL）三种[12]。CCFL 在使用寿命、显示亮度、光电性能和可靠性等方面均劣于LED，将被后者逐步取代[13]。

1.2 CCFL 背光源的保有量与报废量

CCFL 具有亮度高、能效高、质量轻、体积小、成本低等优点，不仅广泛应用于台式电脑、笔记本电脑和液晶电视机中[14]，也应用于汽车仪表和导航系统等[15]。CCFL 背光源具有高发热和高耗电的特点，随着成像质量要求越来越高，其已经不适应时代发展趋势。2008年，无汞LED 逐步开始替代CCFL，2009年之后，我国CCFL 背光源的保有量逐年降低。2003—2015年，LCD 设备中CCFL 背光源的保有量接近3.4亿只，其中含有大量汞。目前，大量CCFL 背光源进入淘汰阶段，未来十年仍然有近10 亿只CCFL 背光源进入报废阶段，其含汞量可达5 t，如图3 所示[16]。

图3 我国CCFL 背光源报废量及其含汞量预测

2 CCFL 结构组成与资源环境属性

2.1 发光原理与结构组分

CCFL 一般为直管形，也有U 形、L 形、环形等，不论形状如何，其基本结构和发光原理大致相同，如图4（a）所示。CCFL 基本由一个真空玻璃管制成，管内封入惰性气体Ne 和Ar、微量汞蒸气，玻璃管内部涂覆荧光粉。CCFL 的发光原理如图4（b）所示。外加电场使电极产生电子，让灯管内气态汞激发的紫外线碰撞管壁上的荧光粉，由于释能发光效应而产生紫外光，而内壁的荧光体原子因紫外线激发而提升能阶，当原子返回原低能阶时放射出可见光[17]。荧光粉组成材料不同，其能发出不同颜色的光。

下面对废LCD 中的CCFL 背光源进行拆解试验，将灯管的金属导线去除，金属电极、玻璃和塑料分离，分别测定各自质量，每组有10 个样品，平行测定3 组。试验结果显示，CCFL 背光源中，玻璃和荧光粉约占80%，金属（磁性物质）约占9%，塑料和导线约占11%，如图4（c）所示。

图4 CCFL 背光源的基本形状、发光原理及各组分占比

2.2 资源性与环境性分析

2.2.1 玻璃

根据CCFL 背光源需求和LCD 品质的不同，选用的材料有所差异。CCFL 背光源管径较小，一般选用红丹料或轻红丹料玻璃。下面采用能谱仪（EDS）进行能谱分析。烘干后CCFL 玻璃样品的能谱点扫分析结果显示，其主要成分为含卤素氧化硅，另含少许的碱性金属杂质，如图5所示。

图5 CCFL 玻璃的EDS 能谱点扫分析

2.2.2 荧光粉

荧光粉主要位于CCFL 背光源的玻璃内表面，使用Al2O3固化，同时可以反射紫外线，阻挡汞扩散至玻璃外表面，以提高背光源的使用寿命。烘干后CCFL 荧光粉样品的能谱面扫分析结果显示，荧光粉含有具有很高回收价值的稀土元素，如钇（Y）和镧（La），如图6 所示[18]。此外，荧光粉颗粒粒径为 0.5 ～4.0 μm，属于可吸入颗粒物。

图6 CCFL 荧光粉的EDS 能谱面扫分析

2.2.3 汞

CCFL 背光源是环境中汞的主要来源之一[19-20]。在CCFL 背光源中，汞的主要作用是与电极产生的电子对撞产生紫外线，一般让汞和其他金属组成合金，以降低汞的危害性。但CCFL 背光源被破坏时，某些含有甲基钴胺素的微生物可将甲基转移给无机汞而形成剧毒物质甲基汞，最终随着食物链富集而对人体造成严重的危害[2]。因此，随着LCD 的逐步淘汰，CCFL 背光源需要重点关注汞污染的危害。

2.2.4 金属

CCFL 背光源的金属材料主要分成两部分，即导线和电极。其中，电极大部分由钨、镍、钽和锆等稀有金属组成，具有一定的回收价值。导线的主要成分是铜，其属于非磁性金属。

总体来看，CCFL 背光源的主要材料为玻璃、塑料（包括塑料灯头和导线外壳）、金属（包括铜制导线和稀有金属制成的电极）、荧光粉和汞等。CCFL 荧光粉含有稀土元素，其具有较大的资源回收价值，其次是金属电极。与此同时，汞是CCFL 背光源的主要污染物，其对环境和人体健康有很大的危害，若玻璃和塑胶导线等得不到安全处置，则可能造成环境危害。

3 废旧CCFL 背光源的资源化和无害化综合回收工艺

3.1 原理分析

CCFL 背光源含有塑料、金属电极、玻璃和荧光粉等具有回收价值的材料，但也含有汞和其他重金属，因而不能采用一般固体废物的处理方式。要最大限度地对其进行资源化回收利用，同时考虑汞等造成的环境污染问题。废旧CCFL 背光源的资源化回收应当考虑组分性质和材料连接方式，首先通过粗破碎、细碎等机械手段将不同材料组分解离，然后采用分选技术将磁性金属、非磁性金属、塑料和玻璃等分类回收。

在CCFL 背光源中，玻璃具有脆性，容易破碎；金属和塑料的韧性与延展性较好，破碎程度较低，甚至不能破碎。玻璃和金属破碎后产物在粒径上容易区分。可利用材料磁性差异，采用磁选机完成金属与非金属材料分离；可利用材料导电性不同，将导电金属与非导电或导电性弱的非金属分离出来。荧光粉以硅胶等为粘合物质均匀涂抹在玻璃内表面，摩擦作用可以将荧光粉从玻璃表面分离。

3.2 资源化和无害化综合回收工艺

废弃CCFL 背光源综合回收工艺如图7 所示。首先，将CCFL 背光源输送至对辊式破碎机进行初级破碎。随后，将初级破碎产物输送至卸料器，将玻璃、塑料和金属筛分。筛上物包括塑料灯头和金属，筛下物为玻璃、荧光粉与其他杂质的混合物。将筛上物输送到剪切式破碎机，将塑料灯头和金属剪切成颗粒较小的产物，将金属电极从塑料灯头中剥离，然后采用磁选机回收具有磁性的金属电极，剩余的产物为塑料和非磁性的金属铜等。通过圆盘破碎机将其破碎成微小颗粒，剥离导线的塑料外壳，然后利用涡电流分选机将塑料和非磁性金属分离。此时，筛下物（碎玻璃和荧光粉）输送至干式螺旋滚筒机内进行摩擦清洗，经重力比选可将玻璃和荧光粉分离，随后经静电分选机去除金属杂质后，得到洁净的荧光粉。将含汞荧光粉安全保存，当收集到一定数量时，通过汞蒸馏装置将含汞荧光粉中的汞蒸馏回收。整套系统处于密封负压状态，可确保操作环境安全，实现无害化处理。

图7 废弃CCFL 背光源综合回收工艺

4 结论

废弃CCFL 背光源主要由玻璃、塑料灯头、塑胶导线、铜制导线、电极、荧光粉和汞等组成，其中汞是最主要的污染物，若不安全处置玻璃和塑胶导线等，则可能造成环境危害。为此，本文提出了多级破碎分选和汞蒸馏的组合工艺，通过粗破碎、细碎等机械手段将不同材料组分解离，然后利用分选技术将磁性金属、非磁性金属、塑料和玻璃等分类回收，通过集尘系统收集荧光粉，并通过汞蒸馏技术回收再生汞资源。整套系统处于密封负压状态，可确保操作环境安全，实现无害化处理，避免汞泄漏而污染环境或造成人体健康损害。内径仅2 ～5 mm 的CCFL 在收集和运输过程中存在较大的环境风险。本文开发的技术方案专门针对这种背光源，技术适用性很强。但CCFL 背光源属于HW49 类危险废物，这就对处置企业提出资质要求。当前，我国废弃家用电器与电子产品回收处理体系初见成效，CCFL 背光源的回收处理开始步入正轨。