废电路板资源化利用研究动态及展望
2024-11-06张鑫陈习堂李江平李超杨帆王长凯杨小霞潘学军
摘要:巨大的环境压力和循环经济发展需求推动了废电路板资源化利用产业的快速发展,但该产业目前面临废电路板有价组分回收缺乏系统性的瓶颈。详细介绍废电路板资源化利用技术,展望废电路板资源化回收的发展趋势,提出废电路板“全利用、零污染、高增值”的新发展思路,明确系统地回收利用废电路板全组分,实现回收过程零污染,助力可持续循环经济是废电路板发展的方向。
关键词:废电路板;资源化;金属;非金属
中图分类号:X705 文献标识码:A 文章编号:1008-9500(2024)10-0-10
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Research Tends and Prospects of Waste Circuit Board Resource Utilization
ZHANG Xin1, CHEN Xitang1, LI Jiangping1, LI Chao1, YANG Fan2, WANG Changkai2, YANG Xiaoxia2, PAN Xuejun2
(1. Chuxiong Dianzhong Nonferrous Metals Co., rvY6zNiOTP7ULmktJA5IMyQnZVXBpfUTeRaKSKYjwec=Ltd., Chuxiong 675000, China;
2. Faculty of Environmental Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)
Abstract: The huge environmental pressure and the demand of circular economy have driven the rapid development of the waste circuit board recycling industry. However, this industry is currently facing the bottleneck problem that recycling of valuable components of waste circuit boards lacks systematicity. This paper provides a detailed introduction to the technology of resource utilization of waste circuit boards, and looks forward to the development trend of resourceful recycling of waste circuit boards. The new development idea of ‘full utilisation, zero pollution and high value-added’ of waste circuit boards is proposed, and it is determined that the systematic recycling of all components of waste circuit boards, realising zero pollution during the recycling process, and contributing to the sustainable circular economy is a new direction for the development of waste circuit boards.
Keywords: waste circuit board; resource utilization; metal; nonmetal
随着电子信息产业的飞速发展,电子产品的人均消费量不断增加,使得电子产品产量快速增长,加之电子产品的平均使用寿命缩短,导致电子产品在生产、使用和报废环节产生的电子废弃物急剧增长[1]。目前,电子废弃物已成为城市垃圾中增长速度最快的一类固体废弃物[2-4]。联合国发布的《全球电子废弃物检测报告》显示,2022年全球产生6 200万t电子废弃物,比2010年增长82%,预测2030年的电子废弃物将达到8 200万t。成分复杂的废电路板是电子废弃物的重要组成部分,占电子废弃物总量的3%~6%[5-6]。废电路板中的贵金属和铜、铝等含量较高,远超天然矿石中的金属含量,被誉为“城市矿山”[7]。但是,废电路板在处理或回收过程中会产生重金属、二次颗粒物、二噁英等有毒有害物质,危害环境和人体健康[8]。因此,如何实现废电路板的回收利用已成为严峻的
挑战[9]。
废电路板的处理方式主要分为直接处理(填埋和焚烧)和回收利用[10]。填埋废电路板是一种最简单的直接处理方式,但填埋区域中会形成含溴代化合物和重金属渗滤液,并通过地表径流造成污染扩散[11-13]。直接焚烧废电路板虽然可以去除非金属组分,显著减小废电路板体积,但是重金属、飞灰、二噁英等有毒有害物质会随烟气释放到大气中。同时,建设焚烧厂也无形中增大了废电路板的处理成本。填埋方式和焚烧方式不仅会污染环境,还会造成资源浪费,因此不是处置废电路板的最优选择。
回收利用废电路板不仅可以避免随意处置废电路板造成的危害,还可以减少碳排放和对自然资源的过度依赖,促进可持续发展[14]。目前,废电路板的资源化利用主要围绕有价金属的利用,但对废电路板的非金属组分利用和整体综合利用较少。基于此,综述废电路板回收金属组分和非金属组分的资源化利用现状及技术,分析各技术的优势及不足。重点结合各组分利用的变化趋势,讨论废电路板资源化利用的发展前景及挑战,提出废电路板的资源化利用重点应围绕着“全利用、零污染、高增值”的新思路。
1 废电路板概述
废电路板的来源广泛且成分复杂,大至电视、电冰箱、空调等家电产品,小至手机、移动硬盘等数码产品,给废电路板的回收行业带来了巨大的挑战,因此,了解废电路板的组成对其回收利用过程十分重要。
1.1 废电路板的组成
电路板由绝缘底板、金属导线和装配焊接电子元件的焊盘组成,主要包含金属、陶瓷、塑料和阻燃剂等材料,如图1所示[15]。根据废电路板类型和来源的不同,其元素组成也不尽相同[16]。平均而言,废电路板由30%~35%的金属和65%~70%的非金属组成[17]。废电路板的金属组分主要为铜、铅、镍、锡、锌及许多贵金属。铜应用于接线中,铜镍合金应用于触点上;贵金属和铂族金属常用于导电性高的部件,如中央处理器(Central Processing Unit,CPU)、随机存取存储器(Random Access Memory,RAM)和一些触点;铅、锌和锡应用于制造焊料;银应用于某些电气连接和敏感薄膜开关;铝和铁应用于电容器。非金属组分主要为环氧树脂(苯酚基化合物)和玻璃纤维(SiO2、CaO和Al2O3)[18]。其中,低浓度卤素元素的塑料,如多溴联苯醚、多溴联苯和四溴双酚A等,有阻燃的作用,被称为溴化阻燃剂。基于电路板所需的耐火性,溴化阻燃剂常被用作树脂黏合剂的添加剂,黏合在玻璃纤维表面,使电路板在高温条件下依然具备良好的稳定性和绝缘性[19]。
1.2 废电路板的危害
废电路板中含有的大量有毒重金属,如铅、镉、汞、砷和铬等,在废电路板拆解、破碎等环节中极易释放。长期接触重金属会导致人体器官功能障碍、阿尔兹海默症、荷尔蒙失调和癌症,威胁人体健康[20-21]。而溴化阻燃剂是非金属组分的主要有害物质,具有难降解性,一旦进入水体、土壤、大气会造成长期的环境污染[22]。其中,四溴双酚A可通过生物链进行累积,危害人体肝、肾、神经、心脏和生殖系统[23]。另外,溴化阻燃剂在燃烧过程中极易形成二噁英[24]。二噁英可通过皮肤接触、食物吸收等多种渠道进入人体,具有致癌、致突变、致畸等危害,可导致失聪、糖尿病、内分泌失调等多种疾病,且具有生殖毒性,被国际癌症中心列为一级致癌物[25-26]。从表1可以看出,废电路板存在巨大的潜在危害。因此,废电路板必须妥善处置,严格控制其对环境和人体健康造成的潜在危害[27]。
随着科技的进步,废电路板中的非金属组分占比不断增大,且短时间内难以找到具有同样良好阻燃性的替代品[28]。考虑到溴化阻燃剂的危害性,后续非金属组分增值产品的危害应得到广泛的关注。
2 废电路板金属组分资源化利用现状
2.1 有价金属的资源化利用
众所周知,天然矿石中的金属资源十分有限,且伴随着金属开采往往会带来严重的环境污染。废电路板中含有大量具有高回收价值的金属(Cu、Pb、Ni、Sn、Zn)、特殊金属(Se、Te、Bi、Sb、In)、稀土元素(Y、Eu、Ce、La、Nd、Dy)和贵金属(Ag、Au、Pd、Rh、Ir)[29]。对废电路板中的金属资源进行科学、高效且环保的回收,有利于提高资源再利用率,缓解矿产资源压力,避免随意丢弃废电路板和开采矿产资源造成的环境污染[30-31]。
废电路板铜含量为160~201 kg/t,是天然铜矿的30~40倍[32]。相较于原生铜的能耗,利用废电路板生产1 t再生铜可节约1 054 kgce,减少固废排放量380 t,减少CO2排放量0.137 t,节约用水量395 m3。
与天然金矿中的金含量相比,废电路板中的金含量为10~1 000 g/t,若回收废电路板中的金,预计可满足全球10%的需求。同时,当生产相同质量的金、银、铜和铝时,从废电路板中回收金属的成本约是直接采矿成本的1/7[33]。综上所述,废电路板中的金属组分是一种宝贵的可循环资源。
由于前期缺乏相关的技术及相应的法规,国内小作坊多采用简单酸洗和露天焚烧等粗加工方式从废电路板中提取金属,产生的废水、废气和废渣随意排放,对周边环境造成极其严重的危害。目前,国内多采用更科学环保且成熟的技术对金属组分进行回收,如物理法、火法冶金、湿法冶金及生物冶金等。这些技术相较于粗加工的方式,污染大大减少,但仍不能完全回收废电路板中的金属,未充分发挥废电路板的价值。
2.2 金属组分回收技术
废电路板的回收技术日益成熟,主要包括预处理、回收和提纯(湿法冶金、火法冶金和生物湿法冶金)[34]。因废电路板的结构复杂,需要研究合适的技术组合,才能有效回收废电路板中的有价成分。
2.2.1 物理法
物理法可初步分离废电路板的金属和非金属组分,常作为废电路板预处理的主要技术,其主要流程包括拆解、破碎和分选,如图2所示[35-37]。废电路板上通过焊料连接的电线、电容器和电池等电子元件在拆解过程中被移除并单独处理。为提高金属和非金属的回收率,可适当减小废电路尺寸并进行分选[38]。切碎、破碎、研磨及粉碎是最常见的尺寸减小技术,筛分、密度分选、电磁场分选及静电场分选是最常见的分选方法。
废电路板中的塑料、陶瓷、黑色金属及有色金属成分可以根据其物理特性的差异进行分选,如几何形状、磁性、电学特性及比重等[39]。破碎后的废电路板中,尺寸较粗的颗粒富含金属,尺寸较细的颗粒含有大部分非金属材料。除了尺寸分离外,还可以根据其形状进行分选,大致呈球形的主要是金属成分,纤维状粉末主要是玻璃纤维,呈角形的主要是树脂。磁选可用于将磁性材料与非磁性成分分离,静电场分选可用于将导电部分与非导电部分分离。重力分离用于将较重材料与较轻材料分离,可以单独应用或与其他分选技术结合使用。浮选可分选出具有天然疏水性的非金属组分,常作为废电路板预处理的最后一个步骤。
仅通过物理法很难完全分离废电路板的金属和非金属组分,其产物也难以直接进行资源化利用。一方面,非金属组分中残留的金属可能导致复合材料的性能不足,其中的各种树脂粉末、玻璃纤维、金属衍生物,甚至一些有毒添加剂,都会影响非金属的后续利用;另一方面,金属组分上残留的多溴联苯在后续冶金过程中易产生二噁英和呋喃,影响冶炼金属的环境效益。因此,物理法常作为废电路板处理的第一步,与其他资源化方法共同使用。
2.2.2 火法冶金
火法冶金是发展时间最久、技术最成熟的一种技术,具有处理量大、便于大规模生产、工艺相对简单及原料普适性高等优势[40]。目前,超过70%的电子废弃物使用火法冶金技术进行处理。火法冶金是利用冶炼装置去除废电路板中的塑料和其他有机成分,进而达到富集金属的目的。常见的冶炼装备主要包括回转窑、流化床炉、富氧顶吹(艾萨炉、奥斯麦特顶吹炉)、富氧侧吹熔池(侧吹浸没燃烧熔池)和卡尔多炉等。铜是火法冶金的主要目标产物。目前,废电路板和废杂铜/铜精矿进行合炼的方式在慢慢取代废电路板单独熔炼方式[41]。这种方法不仅可以实现废电路板的资源化利用,还可以减少重复建设带来的资源浪费。
废电路板预处理后,可得到含重金属混合物。将其送入冶炼炉中进行冶炼,在高温下物料发生氧化还原,使其中的金属与杂质相互分离。贵金属与金属铜形成合金,合金再经进一步精炼后,贵金属与贱金属进一步分离。火法回收金属的综合回收率可达95%以上,但难以得到较为纯净的金属,因此常与结合湿法冶金相结合进行提纯。火法冶金处理会产生含重金属烟气(尤其是低熔点金属,如Hg、Pb和Cd)。金属混合物中含有的多溴联苯醚等阻燃材料在燃烧时易形成二噁英和呋喃[42]。此外,与常规冶炼烟气相比,废电路板冶炼烟尘具有粒度细、黏性大、腐蚀性强等特点,使得烟气处理难度加大。因此,在火法冶金过程中应遵守“3T+E”控制方式,以减少二噁英的产生。其中,3T指温度(Temperature)、时间(Time)、湍流程度(Turbulence),E指过量空气率(Excess air)。目前,国内大规模废电路板熔炼采用的“富氧熔炼+分段补充氧气二段燃烧技术+急冷脱酸塔+活性炭喷射系统+布袋除尘器+洗涤塔”工艺,可将二噁英排放浓度控制在排放限值以下。
2.2.3 湿法冶金
湿法冶金技术是将金属溶解在无机酸、有机酸或碱性试剂中,实现金属从废电路板中脱除,然后采取置换、电解、浮选、沉淀、溶剂萃取、离子交换、蒸馏结晶等工艺回收提纯金属[43]。在工业上,硝酸是从废电路板中浸出铜的首选试剂,因为硝酸价格低,易再生,提取率高[44]。氨对铜的选择性更强,易与铜形成络合物[Cu(NH3)]2+和[Cu(NH3)4]2+,提取率大于98%。使用氰化物可回收废电路板中的金,但对于废电路板内部包裹的金难以有效浸出,还会造成较大的环境危害[45]。SYED[46]报道了一种更环保的工艺,使用沸腾的20%K2S2O8溶液可溶解废电路板中的贱金属和银,将金保留在固体残渣中,再利用硼砂和KNO3可提纯99.5%的金,且试剂产物均无毒。
与火法冶金相比,湿法冶金能够更精确地提取金属,容易控制,但浸出液和浸出渣的毒性较大,需要消耗大量化学品,产生的废水多。因此,净化步骤多采用离子交换、电渗析、离子交换和蒸馏结晶等工艺,以实现废电路板的环保回收。湿法冶金处理废电路板的工艺在国内还处于不断完善阶段,因其工艺流程太长,处理规模受限,浸出液和浸出渣的毒性较大,制约了湿法冶金工艺的发展。
2.2.4 生物冶金
生物冶金技术利用化能自养菌、氰化菌和产酸真菌等从废电路板中浸出金属,与火法和湿法冶金相比,具有成本低、环境友好等优点[47]。生物冶金的作用机理主要包括酸浸、氧化还原浸出以及络合浸出[48]。酸浸是利用微生物产酸将废电路板中的金属转化为可溶形式,如黑曲菌MXPE6和黑曲菌MX7组合对废手机电路板和废电脑电路板上金的回收率分别为87%和28%[49]。氧化还原是微生物借助细胞外聚合物和生物膜的形成附着在废电路板表面,将废电路板中的电子转移到微生物中,将金属带入溶液中。例如,利用嗜酸氧化亚铁硫化菌在pH值为1.7、温度为35 ℃的条件下对废电路板浸出5 d,铜的回收率是83%[50];利用紫罗兰色杆菌在pH值为10、温度为30 ℃的条件下对废电路板浸出8 d,铜和金的回收率分别为24.6%和11.31%[51];利用嗜铁钩端螺旋菌在pH值为1.3、温度为40 ℃的条件下对废电路板浸出2 d,铜、锌和镍的回收率分别为96%、85%和73%[52]。络合是利用微生物产生的次生代谢产物与金属离子发生螯合反应,形成可溶性金属-有机复合物。综上所述,生物冶金不仅零污染而且对重金属的提取率高,但微生物易受到环境(pH值、温度、曝气和营养物质)影响,结果不可控,使得生物冶金难以在工业上实现大规模生产[53]。
金属组分回收技术对比如表2所示。在废电路板的综合利用过程中,不可能使用单一的方式,一般采用多种方式[54]。针对不同品位的电路板,需要采用不同的处置流程,以求资源回收最大化。未来,废电路板资源化程度将不断提高,相应的环境风险也会降低。
3 废电路板非金属组分资源化利用现状
3.1 非金属组分资源化利用
废电路板中的金属组分存在回收价值,非金属组分(有机物和玻璃纤维)也有很高的回收价值。非金属组分约占废电路板总质量的3/4,利用非金属材料的独特性能,如碳含量、机械性能和热性能,可将非金属材料作为复合材料制造中的增强剂、增容剂,或者作为冶金过程中的粉煤替代品[55]。此外,非金属材料可用于制造吸音材料、活性炭、碳纤维及建筑材料[56]。
3.1.1 再生复合材料
复合材料生产中利用废电路板中的非金属材料作为添加剂,可提高复合材料的性能、强度及耐久性。利用废电路板中的废金属材料和焦炭可制备SiC纳米复合材料[57]。同样地,使用非金属材料还可以制备吸收层厚度为2.5 nm的复合材料;以废电路板为原料可制备纳米纤维膜(90~110 nm);废电路板中的非金属材料可用于制备印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)复合材料。以废电路板热解油合成的油基树脂为原料,可制备碳纳米管和活性炭[58]。再生复合材料实现了废电路板的增值化。
3.1.2 催化剂材料
将废电路板转化为高附加值催化剂,可用于净化废水。废电路板中含有Cu、Zn、Sn等能够参与催化反应的元素,可用于降解染料,如甲基橙、甲基紫、亚甲基蓝或Orange II等。研究表明,废电路板-H2O2体系可有效降解染料废水中的Orange II分子[59]。废电路板经化学处理掺杂Ag、Cu2+、Sn2+,并使用可见光催化,可降解亚甲基蓝和甲基紫。该催化剂的稳定性好且可重复使用[60]。
3.1.3 建筑材料
废电路板中的非金属材料经过粉碎后,可作为水泥、沥青或混凝土的添加剂,能够提高建筑材料的机械性能[61]。在水泥固化过程中添加非金属材料,可提高水泥固化体的冲击强度和抗压强度[62]。在沥青生产中添加废电路板热解油作为改性剂,可提高沥青的抗温性和耐水性[63]。在制备玻璃制品时添加废电路板非金属材料,有助于提高玻璃制品的机械综合性能。废电路板在建筑材料中的使用具有显著的经济效益和环境效益。
废电路板的资源化产物如图3所示。由废电路板的资源化产物可知,废电路板是一种可持续资源。随着科技的进步,电路板中的金属含量呈下降趋势,综合利用废电路板中的金属和非金属组分,实现电子元件的回收和最终产品的增值是未来发展的趋势。但溴化阻燃剂的毒性及产物材料的特殊要求使得非金属组分的再利用仍受到限制[64]。因此,目前对非金属组分更多的是稳定化处理,增值利用和可持续发展部分仍处于研究阶段。
3.2 非金属组分回收利用技术
电路板中的树脂材料和玻璃纤维黏结紧密,难以通过简单的物理法分离树脂材料和玻璃纤维。目前,热解法和超临界流体法可针对预处理后的非金属粉末进行回收利用。
3.2.1 热解法
热解法是一种基于火法冶金的技术,广泛应用于非金属组分的回收[65]。热解是在无氧或缺氧条件下裂解有机物,将其转化为燃料或化学原料,实现金属富集和有机组分转化为增值产品[66]。原料的组成、反应器类型和操作条件都使热解过程中的反应更复杂[67]。热解主要分为常规热解、共热解、催化热解、真空热解、微波消解热解及等离子热解[68]。热解反应器主要有热重分析仪、固定床反应器、间歇式反应器、微波反应器及螺旋反应器。固定床反应器结构简单,操作难度低,是目前使用范围最大的反应器。
在热解过程中,废电路板在无氧条件下被加热到预设温度,并发生脱水、脱溴、脱氢、焦化等多种化学反应,生成一系列小分子。重质组分被转化为焦炭和金属的混合物,一些挥发性物质被重新冷凝成热解油,不可冷凝气体被收集或直接释放到空气中[69]。废电路板热解产生的热解油的主要成分包括苯酚和异丙酚等,这些物质不仅热容低,还存在很多污染物[70]。热解油不宜作为燃料,但可作为化工原料进行回收利用。热解油可合成油基树脂用于制备碳纳米管和活性炭。废电路板中的溴化阻燃剂在热解过程中会产生二噁英或其他有毒溴化有机物[71],脱溴在热解过程中十分重要。在热解过程中使用添加剂(钙基化合物、生物质)可有效减少产物中的溴含量[72]。此外,脱氯也十分重要。一方面,氯会形成高腐蚀性气体,会腐蚀设备;另一方面,氯化有机物出现在热解油中会降低产品的稳定性。利用赤泥或其他添加剂可有效去除热解油中的氯[73]。
综上所述,热解法可实现非金属组分的增值回收,但热解反应器类型繁多,过程影响因素众多,废电路板热解的工业化和商业化尚未实现。
3.2.2 超临界流体法
超临界流体是指温度和压力均处于临界温度和压力之上的流体。该流体兼具了气液两相的特点,不仅具有与液体相接近的密度和溶解能力,还具有与气体相接近的低黏度和高扩散性。利用超临界流体的特殊性能可破坏废电路板的树脂黏结材料层,使电路板发生分层现象,进而实现各组分的回收[74]。各种超临界流体,如水、甲醇、二氧化碳、丙酮等,已用于回收废电路板。
超临界水是一种绿色反应介质,主要用于清除废电路板上的溴。在半间歇式反应器中分解废电路板的研究显示,495 ℃、33 MPa和305 min的最佳反应条件下,90%以上的溴经超临界水氧化处理后被分解,同时金属回收率可达99.8%[75]。此外,可利用NaOH或H2O2增强超临界水的氧化性,使超95%的溴保留在液相中,而铜则以CuO和Cu(OH)2的形式保留在固体残留物中[76]。虽然超临界水在除溴方面表现优异,但是该工艺存在很多限制,无法应用于实践。超临界二氧化碳工艺使用超临界二氧化碳再加入少量的水(7%),可以在较低的温度和压力下将废电路板分解成铜箔、玻璃纤维及有机聚合物[77]。该工艺可高效分离溴化阻燃剂,有利于废电路板的后续利用[78]。
超临界流体法可以环保、高效、经济地回收废电路板中的非金属组分,然而难以实现工业化应用。一方面,现有技术的发展还不够成熟;另一方面,反应堆的设计和建造需要投入大量资金,且后期维护困难。因此,需要进一步改进或与其他技术相结合,才能实现超临界流体的工业化。
4 结论
废电路板资源化利用过程中,不应该只局限于一种成分,而是应该寻找合适的组合方法,将其中几种成分转变为增值产品。环境效益是限制废电路板回收技术最重要的问题之一,除了应关注公众熟知的污染物外,还应注意控制毒性相对较低的Br和HBr等,以及毒性强、浓度低的二噁英等新污染物。废电路板的资源化应坚持“全利用、零污染、高增值”的原则,综合考虑工艺技术特点、废电路板类型和污染物的治理,从而实现零浪费,助力发展循环经济。
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