廢電路板的熱預處理及其電解提銅的研究

來源: www.126151.tw 作者:lgg 發布時間:2015-08-01 16:04 論文字數:36958字
論文編號: sb2015080113255913889 論文地區:中國 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文 論文價格: 150
本文是工程碩士論文,本課題在現代新型電解精煉銅的基礎上與電子廢棄物資源化相結合,并且對此工藝有進一步的創新與升級,不僅變廢為寶產生了經濟效益,也減少了污染產生了生態效益。

1 緒論


1.1. 電子廢棄物概述
近年來,隨著電子科技的不斷進步與人們生活水平的不斷提高,電子產品的產量保持著穩定的增長。尤其是以電腦、手機等電子產品更新換代更快,這導致了每年都會產生大量的電子廢棄物。經濟合作與發展組織(OECD)的成員是電子廢棄物的主要生產國,并且電子電器設備市場已飽和,而發展中國家電子電器設備市場飽和度雖然不高,但是消費呈現快速增長趨勢,因而未來將產生大量的電子廢棄物[1]。2013 年 1 月至 11 月,據中國工信部公布數據表明,我國規模以上電子產品制造業增長 11.2%。據歐盟預測,電子廢棄物的增長率在 2008 年至2014 年期間將保持在 11%左右,是普通垃圾的 4 倍[2]。中國自改革開放以來,各地區加快工業化進程,取得了舉世矚目的成就.以移動通信手機和微型計算機為例,國家統計局數據顯示,自 1990 年開始,微型計算機工業在中國開始投資生產,生產量僅 8.21 萬臺,而后逐年增加;隨著計算機的普及,2000 年生產量達 672 萬臺;至 2007 年,計算機產品生產總量突破一億臺;至 2011 年,計算機生產總量已高達三億多臺.移動通信手機自 2000 年開始在國內投資生產,生產總量以平均每年 34%的速率增長.隨著人們生活水平的提高,以及市場需求,至 2011 年,手機生產量已突破 11 億臺,比計算機生產總量高出 3 倍[3]。
………..


1.2 廢棄電路板的危害及從中提取銅的意義
廢棄線路板是玻璃纖維、強化樹脂和多種金屬的混合物,屬典型的電子廢棄物。普通線路板中含有大量對人體有毒有害的化學物質,比如個人電腦(PC),制造一臺 PC 需要 700 多種化學原料,其中半數以上對人體有害[13]。生產一臺電腦所用的 1000 多種化學原料中,大約有 40 種原料是對人體有較大毒害和對環境有較大破壞作用的物質。電腦廢棄后,這些物質如果沒有得到合理處置,對環境的危害極大[14-15]。廢棄線路板中除了價值不菲的貴金屬和稀有金屬之外,也有一些對環境造成很大危害的重金屬,如鉛、鉻、鎘、汞等。此外,還有含鹵族元素的阻燃劑等有害物質。這意味著:廢棄線路板如果隨意堆放或填埋,所含的重金屬可能會滲入地下水,造成潛在危害;如果燃燒,線路板中的含鹵族元素的阻燃劑會產生致癌物質,能放出大量有害廢氣,破壞臭氧層并能形成酸雨,對人類的健康和周圍環境都會造成嚴重的威脅。銅是一種應用十分廣泛的金屬,加之我國人口眾多,隨著經濟的持續快速發展,銅消費量也逐年劇增。銅已被廣泛應用于軍事工業、電子電氣、通訊、建筑、輕工、機械制造和交通運輸等諸多領域,是僅次于石油的第二大戰略原料,也是我國國民經濟發展中不可替代的一種重要原料。我國對銅資源的需求逐年增加,但由于銅資源并不豐富,供需缺口持續擴大,對進口的依賴程度逐年加深,銅原料的供應已成為制約銅工業發展的“瓶頸”。而從逐年增多的電子廢棄物中回收銅有助于緩解銅資源短缺的緊迫局勢。同時由于電子廢棄物具有雙重屬性,不當的處置會導致環境污染、生態惡化,而采用合理的方法將其中有價值的金屬如銅有效回收,既滿足環保要求,又能變廢為寶,繼續創造價值。
………….


2 廢電路板的預處理及成分分析


2.1 引言
印刷電路板是由基板光蝕刻或化學銅沉淀加工而成,在其生產制造工藝中會應用到大量的金屬元素,如銅、鐵、鋁、鉛、錫、鎳、鉻、鎘、金、銀、鈀、釕等,這些金屬元素可大致分為兩大類:①基本金屬:如銅、鋁、鐵、鎳、錫和鉛等;②貴金屬和稀有金屬:如金、銀、鈀、鉑、釕、銠、硒等[65-67]。印刷電路板的覆銅箔厚度一般在 0.8~5mm 之間,銅在印刷電路板中是含量最高的元素,約占總重量的(Wt)15%~30%,其它的金屬主要是以合金或氧化物的形式存在于電路板中,如鐵鎳合金、氧化鋁、砷化鎵等,錫、鉛、鉍主要作為合金焊料用于電路板元件焊接處,在元件焊接處等接觸性能要求高的地方則使用了一定量的金、銀、鈀、鉑、釕等稀貴金屬,在涂覆工藝的電鍍中使用了鉻、鎘、鉛等重金屬,此外為使印刷電路板具有更好的抗高溫性和抗氧化性還在基材上添加了溴化阻燃劑等材料。由上述可知,印刷電路板中含有大量可回收利用的金屬和貴金屬等,是一種寶貴的資源,同時也含汞、鎘、鉻、鉛和鹵素阻燃劑等對環境和人體健康有害的物質[68-72]。不難看出印刷電路板類型復雜,種類繁多,不同電器電子產品所用的印刷電路板的組成元件和所含物質的量都相差很大,并且隨著電子產業化的發展會變得更加復雜。因此,要對廢電路板進行回收,就必須全面而準確的分析出廢電路板的組成,這對了解廢棄電路板的回收價值,合理設計回收工藝流程和降低對環境的污染具有十分重要的意義。
………..


2.2 樣品來源
本課題所使用廢電路板是由山東拓金再生資源有限公司提供,主要為電腦主機印刷電路板基板。本實驗中廢電腦的電路板基板,為方便后續實驗的記錄將其記為 1#樣品。用鉗子將 1#樣品夾住,放到通風櫥內電熱板上低溫加熱使電路板上的焊錫脫落,冷卻后用錘子將其破碎成小塊,清洗烘干后將小塊樣品放入傾斜式高速萬能破碎機中破碎,然后過篩,制得樣品。將經機械處理后的 1#樣在電子天平上稱 30.00g 放入石英舟中。將石英舟放入管式爐中,初始溫度設為室溫,以 10℃/min 升溫速率,升到 600℃,停留 30min后自然冷卻 2h。此實驗分兩種情況做,一種是在 N2氛圍下,通過管式爐加熱過程中以 0.6L/min 的流量持續通 N2。另一種則在空氣氛圍下進行,兩組實驗所得樣品分別記為 2#和 3#。用電子天平稱取 1.0000g 冷卻后的樣品,于四氟乙烯燒杯內,加入濃硝酸10mL,樣品與硝酸發生劇烈反應并產生大量棕黃色煙,待劇烈反應停止后,將燒杯移至低溫電熱板上加熱,并補加適量硝酸,加熱至液面平靜并不再產生棕黃色煙為止。取下燒杯,稍冷,加入氫氟酸 5mL,蒸發至近干,殘渣為灰白色。冷卻,加入 3mL 鹽酸(1+1),再蒸發至干,稍冷后加入適量蒸餾水,并用三角漏斗過濾。將濾液轉移至 1000mL 聚四氟乙烯容量瓶中,用蒸餾水定容至標線,用于測定鉻、錳、鐵、鎳、銻、鋇、鈣、鎘、錫、鎵、銦、鋅、鎂、鉀,原液稀釋 10 倍測定銅、鋁。同時采取相同的步驟和方法配置空白溶液。
……….


3 熔融電極與不銹鋼陰極法從電子廢棄物中制備電解銅......23
3.1 引言........23
3.2 主要實驗試劑及設備....23
3.3 實驗原理........24
3.4 實驗方法........25
3.5 實驗結果與討論....2
3.6 本章小結........34
4 預處理后廢電路板粉末直接電解提銅..........35
4.1 引言........35
4.2 主要實驗藥劑及設備....35
4.3 實驗原理........36
4.4 實驗方法.......36
4.5 實驗結果與討論...........37
4.6 本章小結........42
5 預處理對電解法的影響以及兩種電解法的比較..........44
5.1 引言........44
5.2 預處理對電解法從廢電路板中回收銅的影響....44
5.3 兩種電解法比較....46
5.4 本章小結........47


5 預處理對電解法的影響以及兩種電解法的比較


5.1 引言
第 2 章中對樣品進行了預處理的實驗研究,通過分析測試得到了 Cu 含量最高的預處理方法,本章則由第 3 章中得到的最佳電解條件下研究不同預處理的方法對電解實驗的影響,同時,對第 3 章以及第 4 章中的不同方法通過 SEM 等的測試手段以及計算分析的方法對其進行比較及優化。機械處理后的樣品再進行不同條件的熱預處理,結合本課題組相關研究的結論最終選定以下條件進行熱處理實驗,分別為氮氣氛圍下的熱解以及空氣氛圍下的焚燒預處理。以 10℃/min 的升溫速率升溫,終溫分別為 300℃、600℃。實驗放法與第 2 章中所述類似,樣品先經過機械破碎過篩,然后放入管式電阻爐中進行實驗,分別改變條件N2氛圍下以10℃/min升溫速率從室溫升至300℃和 600℃,所得樣品記為 N2樣 1 和 N2樣 2;空氣條件下相同升溫速率終溫 300℃和 600℃,所得樣品記為空氣樣 1 和空氣樣 2。再利用第 2 章中方法進行溶解利用 ICP-AES 體系進行元素的定量測試,實驗結果如表 5-1、2、3、4 中所示:

………..


結論


研究從電子廢棄物中回收金屬銅對電子廢棄物的資源化利用以及緩解銅資源日益匱乏的形勢都有重要的意義。本文以廢電腦電路板為原料,經過機械以及熱預處理后通過與不銹鋼陰極技術相結合的方法利用電解的手段實驗回收銅的目的。通過實驗研究,主要得出以下結論:
(1)廢電腦電路板經過拆選以及機械破碎后,通過濕法浸取得到浸取液,利用電感耦合等離子體原子發射光譜儀(ICP-AES)技術得出廢電腦電路板中主要金屬元素為銅、鐵、鉛等,其中銅含量最高在 28%左右。
(2)在本課題組對電子廢棄物熱處理的研究基礎上,本文在最佳的熱處理條件下進行實驗分別探討了 N2熱解方法與空氣焚燒方法所得產物金屬元素含量,結果表明 N2氛圍下的熱解的方法所得銅含量最高為 75%。
(3)含銅量最高的預處理樣品與傳統銅電解精煉相結合經高溫熔融制成陽極板,陰極采用新型不銹鋼陰極技術用雙相不銹鋼做陰極進行直流電解,經過單因素實驗結果表明電解溫度為 50℃、電流密度 300A/m2、極間距為 5cm、電解液中銅酸配比為 150g/L:180g/L 時為最佳電解條件,銅的產量及質量最好。通過ICP-AES 分析測試產物得出銅純度 99.5%,經計算分析得電解電流效率 98%,電解實驗單位能耗 0.258W/g。
(4)在之前研究的基礎上,本文探討了用預處理后的廢電路板粉末與不銹鋼陰極技術結合進行電解的研究,經過正交實驗得出電解實驗中電流密度是對其影響最大的因素,其次為電解溫度、電解液中銅酸比以及極間距;單因素實驗結果表明最佳電解條件為:電解溫度為 50℃、電流密度 400A/m2、極間距為 5cm、電解液中銅酸配比為 150g/L:180g/L。陰極銅純度為 99.6%,經計算得其電流效率為 97%,電解實驗的單位能耗為 0.2608W/g。
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參考文獻(略)


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