报废电气和电子设备回收研究

目的：本文介绍了当前欧洲在报废电子与电气设备回收与处理方面的基本情况，并分析了它们对环境、人类健康和经济造成的影响。

设计/方法/手段：近年来，电子与电气设备的生产制造是增长最迅速的领域之一，这种过快增速直接导致了报废电子与电气设备（Waste Electrical and Electronic Equipment, WEEE）数量的激增。因此，加强对报废电子与电气设备的回收处理可以有效减少最终报废电子与电气设备的数量。

结果：本文在全面研究分析相关文献的基础上，回顾了报废电子与电气设备的处理策略的实施情况和报废电子与电气设备的主要回收技术手段。

研究限制/含义：下一步工作重点是要研发集成的报废电子与电气设备回收与报废处理系统。

实践含义：在涉及报废电子与电气设备管理的环境问题上，许多国家和组织都已经起草了国家法规来提高回收、处理、再利用水平，以达到减少报废设备数量的目的。回收报废电子与电气设备是一项十分有意义的工作，不仅能够优化废弃设备处理，而且能够回收有价值的材料。因此，对报废电子与电气设备设备材料的回收与再利用技术进行深入研究，十分有必要。

关键词：环境管理；回收；报废处理；电子废料

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引  言

在过去的十年里，对废弃电子和电气设备的回收工作受到了大家越来越多的重视。在不远的未来，报废电子与电气设备的数量将呈现快速增长。事实上，在欧洲报废电子与电气设备数量仅占据了国内废弃品的4%，德国一年的电子废料大约有180万公斤。在澳大利亚每年报废电子与电气设备总量大约85000公斤，并且呈现逐年递增的趋势，其中5000公斤是属于有害废品。在波兰，2005年就生产了30000公斤的报废电子与电气设备，并且保持每年3%-5%的增长。

由于报废电子与电气设备中包含有害废品，如果在废物管理阶段没有得到适当处理，就会造成环境污染问题。因此，世界上许多国家通过制定相关政策指令来改善这类废品的报废、处理、与回收问题。2003年2月13日欧盟议会就通过了两部有关指令，《电子与电气设备报废指令》和《有害物质限制（Restriction of Hazardous Substances, RoHS）指令》。波兰在2005年10月开始执行有关报废电子与电气设备的法规，要求企业生产方开始逐步回收电子与电气设备。波兰有关报废电子与电气设备的法规法案要求废品回收系统做到减少80%废品排放，改善废品对环境造成的不良影响。

对报废电子与电气设备的回收一直是重要议题，不仅仅是废品处理，还有重要材料的回收问题。报废电子与电气设备包括许多复杂的材料和部件，为了研发一个性价比高的和环境友好的回收系统，非常有必要区分报废材料中的有用材料和有害物质，以便更好的理解这类报废材料的物理特性。

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报废电子与电气设备特性

在报废电子与电气设备相关指令中，电子和电气设备是指那些依靠电流或电磁场来工作的，以及那些能够产生、传输和度量电流和电磁场的设备。它们适用的额定电压范围通常为直流电的0—1000V以及交流电的0—1500V。

报废电子与电气设备相关指令规定了10类电子和电气设备，具体分类如下：

● 大型家用电器（例如：电冰箱）；

● 小型家用电器（例如：咖啡机）；

● 信息技术和通信设备（例如：电脑）；

● 消费型电子产品（例如：收音机和电视机）；

● 照明设备（例如：日光灯）；

● 电子和电气用工具，不包括大型的固定工业工具（例如：电钻和电锯）；

● 玩具、文体娱乐设备（例如：电视游戏机）；

● 医疗设备，不包括所有植入的和感染病毒的产品（例如：X光设备）；

● 监视和控制设备（例如：烟雾报警器）；

● 自动分散器。

报废电子与电气设备的成分主要取决于设备的类型和年龄，例如，信息技术和通信设备产生的报废电子与电气设备比家用电器产生的废料带有更多的贵金属（如图 1所示）。使用时间久的旧产品要比新品产生更多的有价值金属，但同时也会产生更多的危害物质。

图1 报废电子与电气设备

通常情况下，报废电子与电气设备是由40%金属、30%塑料和30%耐火氧化物组成。如图 2所示，典型的金属废料组成包括：20%的铜、8%的铁、4%的锡、2%的镍、2%的铅、1%的锌、0.02%的银、0.1%的金以及0.005%的钯。典型的塑料成分包括：聚乙烯、聚丙烯、聚酯和聚碳酸酯。

图2 报废电子与电气设备的特殊材料组成

在处理报废电子与电气设备过程中一个重要的问题是对其中所包含的重金属和有机物的处理问题。因为它们与塑料成分中的卤素结合后可以形成具有挥发性的金属卤化物，同时它们也会对二噁英和呋喃的形成起催化作用。

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报废电子与电气设备

的回收流程

事实上，现有的电子废料回收流程主要着眼于铁类金属、有色金属和贵金属的分离。一个典型的电子和电气废品回收流程如图 3所示。通常，电子产品被手动分为多个产品组，或者被直接转移到另一个回收实体。如果这些废弃产品仍然具备部分功能，或是超出了回收者的能力、容量和允许，它们会被转移。该流程接收的产品会被分类分阶段拆解。

图3 典型报废电子与电气设备回收流程示意图

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机械分离

不同的部件和设备第一步通过机械分离为不同的部分，例如按材质分解为：金属（铁、铜和铝等）、塑料、陶瓷、纸质、木材和设备，例如电容器、电池、显像管、液晶显示屏、印制电路板等等。这些材料可以做进一步处理，例如：塑料材料因为其卤素含量较高会被进一步处理，金属材料可以通过不同的冶金流程被进一步处理。其中，印制电路板的分解处理过程比较复杂，这是由于金属相和非金属相是高度交联的

在手动分拣，去掉污染物（例如水银开关、电容器中的五氯苯酚等）之后对材料进行第一步的粉碎。材料的分离手段通常包括电磁法、静电法、密度法、视觉法和其他方法。例如采用一系列磁铁，可以从传送带上分离出含铁的材料，与传统的电磁体相比永磁体的使用可以大大降低能源的消耗。对上述报废品进行多次的粉碎和磁铁分离、再加工程序，可以大大增加含铁材料分离程度。在分离出铁类金属之后，剩下的材料再通过传送带进行缓慢挑拣，去掉一些大型碎片，例如玻璃渣或塑料渣。在使用研磨机和筛选器依据材料的大小进行分离之后，使用涡流法、静电法、空气法、浮沉法和离心力法等对非铁类金属进行分离。在报废品进行大小分离的过程中，还可能会用到撕扯、研磨、锤击等方法，通过传送带将它们连接起来。而废料的组成决定了具体使用哪种方法。分离出来的材料还要采用特定的加工方法进一步处理，如火法冶金技术与湿法冶金技术。

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 热处理技术

火法冶金技术主要包括焚化、等离子弧熔炉熔化、撇渣、烧结、融化和高温气相反应。焚化通常是指去除去塑料和其他有机材料，进一步浓缩金属。压碎的废品可在熔炉中焚化来去除塑料，得到熔化的金属残渣。塑料燃烧后，耐火氧化物最终会形成熔渣。

在熔化反应阶段，会用到金属收集器，例如铜和铅。但是在熔化未经提炼金属过程中，仍会不可避免的收集到一些不纯的合金。电子废品中包含的金和银元素可以在铜铸熔炉中提炼，但是银和其它贵金属往往会需要较长的过程来提炼。绝大多数再生铜和大部分的电子废品都可以在铜铸熔炉中进行火法冶金提炼，其主要过程和步骤包括：金属熔化与还原、吹炉中原铜生成或起泡、火法精炼、电解提炼、阳极泥处理。在现代的再生铜熔炉中，许多各类型含铜材料都可以进行回收处理。图 4展示了一个典型的含铜报废电子与电气废品的回收流程。除了铜元素，报废电子与电气废品还会含有镍、铅、锡、锌、铁、砷、锑和其它贵金属元素。待处理材料（如报废的电子产品）需要根据其纯度和物理状态进入不同的处理流程。阳极成分组成、粉尘和炉渣的质量由于材料的不均匀性而产生剧烈波动。这一过程同电解精炼中产生阳极泥的情况是类似的。另外一种从电子废品中复原氢氧化物和贵金属的方法是通过铅熔炼处理。

图4 含有铜的报废电子与电气设备回收流程示意图

热解技术是指将待处理材料在惰性气体环境下进行加热，在达到特定温度后，材料中的有机物（如塑料、橡胶、纸、木材等等）就会分解，并形成挥发性物质，可以进一步用于化学工业或者与油气混合后产生能源。但是现阶段而言，工业领域并没有采用这种方式来处理废品。

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湿法冶金技术

湿法冶金技术的主要方法是通过酸或腐蚀性液体对固态金属进行淋洗。这一过程通常需要小的粒度尺寸来增加金属的产量。按照这一方案，目标金属元素便会被剥离出来，然后通过溶剂萃取、化学沉淀、渗碳处理、离子交换、过滤和蒸馏等过程进行浓缩。其中，淋洗溶剂主要有H2SO4、H2O2、HNO3、NaOH、HCl等等。

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电化学处理技术

绝大多数电化学处理技术通常都是精炼处理，并且是在电解质溶液中进行的，有时也可在熔盐中进行。阅读文献可以发现只有少数经粉碎的废料可以直接用电解处理。例如，在碘化物电解时，碘化钾/氢氧化钾溶液常用来从镀金或是涂金废品中回收金、银和钯元素。另外一项处理过程是铁-流程，在这个流程中含铜废品在硫酸铁溶液中进行淋洗，而淋洗液是电解过程产生的废液。

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讨  论

上述所有提到的方法都有其各自的优点和缺点。使用机械分离技术有个显著的优势，即对于简单的设备而言，通过机械分离处理可以得到不同的成分，例如：铁、有色金属、轻量材料（如塑料等）；缺点就是会产生噪音和粉尘污染；回收的步骤主要取决于回收材料，并且分离过程中高的剪切力会导致温度上升，伴随着热解效应和其它反应还会排放出一些气体（如二噁英和呋喃等）；因此，机械分离技术得到的分离物必须进行进一步的处理，或是采用和塑料一样的填埋处理。现有的热处理工厂能够处理得到高纯度的金属——通常不止一种金属，例如：在一个铜加工厂中可以得到贵金属镍。另外，处理复合材料也不成问题，因为在加工过程中，许多元素都随着金属融化过程而破坏分离。

缺点是会产生废气与烟道灰。并且其中的卤素成分还会导致二噁英问题，因此必须采用废气处理系统。贵金属要在冶金过程中存留很长时间，直到处理过程结束时才能获得。另外，对金属进行浓缩也是十分必要的，这是因为氧化物的增加会导致矿渣的产生，而矿渣会加剧金属的流失。少量的贵金属就不能通过这类方法获得（例如：铝）。相反地，铝元素还会一定程度影响矿渣性质，多数情况下这也是我们不希望发生的事情。湿法冶金技术同样能够通过选择在不同的溶液中进行淋洗来获得高纯度的金属；缺点是这一过程需要大量的淋洗液，而且这些溶液可能是腐蚀性的或者是有毒性的。复合材料本身会造成一定的金属元素损失。最后一个问题是，这一方法还会产生大量的废水。

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结  论

由于《电子与电气设备报废指令》和《有害物质限制指令》的颁布，对报废电子与电气设备回收工作的重要性变得显而易见。如今，铜炉火法冶金技术在电子废品处理过程中已是十分常见。但是，在处理高金属含量电子废品，特别是含有塑料物的电子废品时，往往还需要采用多种处理方法结合手段，例如：机械分离技术、热处理技术和湿法冶金技术，与此同时还要考虑环境影响因素。但是对碱金属和贵重金属废品的采集和分析过程往往花费巨大，甚至比对其处理过程花费都要多。而且废品的质量与组成成分不同，会直接影响它的市场价格。另外，对废品处理过程中的环境影响限制以及废品处理方式都是必要重点考虑的事项，例如：对水银开关和电容器的处理。大型铜或者铅冶炼厂，它们都具备处理大量废弃品的能力。但是，随着废弃电子产品质量的下降和塑料含量的上升，这将会对未来废弃品的处理增加许多难度。

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