回收廢棄印刷電路板焊錫的新技術(shù)

回收廢棄印刷電路板焊錫的新技術(shù)周益輝;丘克強【摘要】提出一種回收廢棄印刷電路板焊錫的有效方法.其步驟為:在整個回收過程中不會對環(huán)境造成二次污染:用油加熱廢棄印刷電路板至焊錫熔化，在離心力的作用下將焊錫分離和回收.實驗結(jié)果表明:當(dāng)油溫為2401,轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為1400r/min,采用間歇式的方式旋轉(zhuǎn)6min,廢棄印刷電路板焊錫即可回收完全.％AneffectivetechnologywithoutanegativeimpactontheenvironmentforrecyclingsolderfromWPCBswasinvestigated.Theprocedureswereasfollows:WPCBswereheatedbyimmersingintheoil,andthemoltensolderofWPCBswasseparatedandrecoveredbythecentrifugalforce.TheresultsshowthatsolderiseffectivelyseparatedfromWPCBswhentheoiltemperatureis240°C,andtherotatingdrumisrotatedfor6minintermittentlywitharotationalspeedof1400r/min.【期刊名稱】《中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》【年(卷)，期】2011(042)007【總頁數(shù)】7頁(P1883-1889)【關(guān)鍵詞】廢棄印刷電路板;焊錫;離心分離;回收【作者】周益輝;丘克強【作者單位】中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南長沙,410083;中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南長沙,410083【正文語種】中文【中圖分類】X705隨著經(jīng)濟和電子信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，電子電器產(chǎn)品更新?lián)Q代日益加劇，電子廢棄物的回收處理已成為亟需解決的全球性問題［1-3］。廢棄電路板是電子廢棄物的重要組成部分，而廢棄電路板上含有大量的焊錫，因此，分離和回收廢棄電路板中的焊錫具有重大的環(huán)保意義和經(jīng)濟效益。目前，廢棄電路板資源再生技術(shù)有火法［4-6］、濕法［7-12］、機械破碎法［13-18］和熱解法［19-22］等，但是，至今無論何種技術(shù)流程，均未能解決好焊錫的回收問題：有些技術(shù)回收焊錫十分困難，回收率甚低;有些技術(shù)回收焊錫的成本較高等。因此，如何高效、清潔、低成本回收廢棄電路板中的焊錫至今還是廢棄電路板資源回收技術(shù)中的難題之一。若不解決廢棄電路板中焊錫的回收問題，則不僅不能實現(xiàn)資源循環(huán)利用，而且不利于其他金屬（特別是貴金屬）的回收；因此，廢棄電路板中的焊錫回收也是一個必須解決的技術(shù)問題。基于上述原因，本文作者對廢棄電路板中焊錫的高效回收進行研究。1實驗1.1實驗原料典型的印刷電路板一般由基板、電子元件和焊錫組成，如圖1所示。本實驗所用廢棄印刷電路板有2種：一種為紙質(zhì)強化酚醛樹脂電路板（商業(yè)上稱為FR-2），這種電路板是單層結(jié)構(gòu)，其中不含玻璃纖維；另一種為電腦等電子產(chǎn)品的印刷電路板，它通常由玻璃纖維強化環(huán)氧樹脂制成（FR-4），這種電路板具有多層結(jié)構(gòu)。圖1典型印刷電路板示意圖Fig.1SchematicdrawingoftypicalPCB1.2實驗設(shè)備焊錫主要由錫和鉛組成。錫的熔點為232°C,鉛的熔點是327°C,合金的熔點一般比組成它的任何一種金屬的熔點低，標(biāo)準(zhǔn)焊錫的熔點為183°C。若溫度控制在焊錫熔點溫度，則廢棄電路板的其他物質(zhì)基本不會發(fā)生變化，可利用離心的方法，將熔化的焊錫從基板脫除。為此，研制一種專門設(shè)備，采用柴油作為加熱介質(zhì)將焊錫熔化，利用固液離心分離的原理將焊錫從廢棄電路板中分離，而電路板基板和電子元件則留在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)。這樣，既簡單又高效地實現(xiàn)了廢棄電路板焊錫的清潔分離和回收。該裝置由電機、轉(zhuǎn)鼓、電爐等組成，如圖2所示。實驗所用的電機在工作時能顯示轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)鼓用分離廢棄印刷電路板焊錫設(shè)計，在其底部和側(cè)面設(shè)計有均勻的濾孔；密封套和冷卻水套的設(shè)置是為了保證體系的正常工作。圖2廢棄電路板焊錫回收裝置示意圖Fig.2Schematicillustrationofequipmentofrecyclingsolderl—馬達;2—聯(lián)軸器;3—水令裝置4—溫控電爐；5—柴油;6一反應(yīng)器;7一轉(zhuǎn)鼓;8一小孔;9一轉(zhuǎn)軸在本實驗中，將待處理的帶有電子元件的廢棄印刷電路板裝入焊錫回收裝置的轉(zhuǎn)鼓中，然后，使轉(zhuǎn)鼓完全浸沒在油中，連接好裝置后，打開令卻水。升溫至焊錫熔化，控制油溫低于電路板的裂解溫度，并且待溫度恒定后旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓，使焊錫從轉(zhuǎn)鼓中迅速濾出，沉積在容器底部。待反應(yīng)器令卻后，取出廢棄印刷電路板基板、電子元件及焊錫。整個分離回收過程如圖3所示。圖3焊錫分離回收流程示意圖Fig.3Solderseparation/recoveryprocess2實驗結(jié)果與討論2.1轉(zhuǎn)速對廢棄電路板焊錫回收的影響實驗溫度為240C,旋轉(zhuǎn)時間為6min，采用間歇式旋轉(zhuǎn)，即在規(guī)定的時間內(nèi)均勻分6次旋轉(zhuǎn)。改變實驗轉(zhuǎn)速對廢棄電路板進行焊錫回收處理，實驗結(jié)果見表1。當(dāng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)廢棄電路板上處于熔融狀態(tài)的焊錫受到重力「9、離心力Fc和表面張力Fs的共同作用，如圖4所示，其中重力和離心力利于焊錫的分離，表面張力阻礙焊錫脫離。當(dāng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時，熔化的焊錫在離心力的作用下從廢棄電路板基板上脫離。設(shè)G為轉(zhuǎn)鼓的重力，3為轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速，r為旋轉(zhuǎn)半徑，g為重力加速度，則所產(chǎn)生的離心力Fc可由下式確定[23]:對于指定的裝置，G,g和r均為常數(shù)。由上式可見：離心力Fc與轉(zhuǎn)速3的平方成正比，因此，轉(zhuǎn)速3越大，離心力Fc就越大；當(dāng)轉(zhuǎn)速為800r/min時，焊錫分離差，但是，隨著轉(zhuǎn)速加快，焊錫分離效果增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速達到1400r/min時，廢棄電路板上的焊錫已完全脫除，所有焊點無焊錫殘留。表1不同轉(zhuǎn)速下廢棄電路板焊錫回收實驗結(jié)果Table1ResultsofdifferentrotationalspeedsforrecyclingsolderfromWPCBs轉(zhuǎn)速/(r-min-1)脫落焊錫的焊點數(shù)/焊點總數(shù)焊點焊錫脫落率/%基板上焊點殘留焊錫情況電路板基板裂解情況80076/36121.1大量焊錫未脫離基板未裂解1000161/36244.5較多焊點殘留焊錫未裂解1200264/35873.7少量焊點殘留焊錫未裂解1400360/360100.0所有焊點沒有焊錫殘留未裂解圖4熔融焊錫在印刷電路板基板表面的受力示意圖Fig.4Moltensolderonupside(a)andunderside(b)ofbaseplatesofWPCBs(a)上表面；(b)下表面2.2溫度對廢棄電路板焊錫回收的影響轉(zhuǎn)速恒定為1400r/min、旋轉(zhuǎn)時間為6min，采用間歇式旋轉(zhuǎn)，即在規(guī)定的時間內(nèi)均勻分6次旋轉(zhuǎn)，研究實驗溫度變化對廢棄電路板進行焊錫分離效果的影響，實驗結(jié)果見表2。實驗溫度是焊錫回收的重要影響因素，它決定焊錫熔融的程度。實驗溫度越高，液態(tài)焊錫的黏度越小，從而流動性越好，越易從廢棄電路板中分離；因此，在保證廢棄電路板不發(fā)生裂解的條件下，實驗溫度應(yīng)該盡可能高。在220°C和230°C時，廢棄電路板上焊錫分離不徹底，有焊錫殘留在基板上的焊點中，但是，230C時比220°C時回收的效果好。在240°C和250°C時，廢棄電路板上的焊錫均可分離完全，焊點中無焊錫殘留，但是，當(dāng)溫度為250°C時，廢棄電路板基板上有焦炭產(chǎn)生，表面電路板有機物質(zhì)已發(fā)生裂解。因此，240°C應(yīng)為焊錫分離的理想溫度。2.3旋轉(zhuǎn)時間對廢棄電路板焊錫回收的影響在轉(zhuǎn)速恒定為1400r/min、實驗溫度為240°C的條件下，采用間歇式旋轉(zhuǎn)（在規(guī)定的時間內(nèi)均勻分6次旋轉(zhuǎn)），考查旋轉(zhuǎn)時間變化對廢棄電路板焊錫分離效果的影響，實驗結(jié)果見表3。從表3可知：當(dāng)旋轉(zhuǎn)時間在6min以下時，廢棄電路板上焊錫未能回收完全，有焊錫殘留在焊孔中；時間越長，焊點脫落率越高；當(dāng)旋轉(zhuǎn)時間在6min以上時，廢棄電路板上的焊錫已回收完全，焊點中無焊錫殘留。由此說明：旋轉(zhuǎn)時間越長，對焊錫回收更有利?？紤]到節(jié)能，本實驗中旋轉(zhuǎn)時間選擇6min為宜。表2不同溫度下廢棄電路板焊錫回收實驗結(jié)果Table2ResultsofdifferenttemperaturesforrecyclingsolderfromWPCBs溫度/C脫落焊錫的焊點數(shù)/焊點總數(shù)焊點焊錫脫落率/%基板上焊點殘留焊錫情況電路板基板裂解情況220163/35845.5大部分焊點殘留焊錫未裂解230219/36160.7部分焊點有焊錫殘留未裂解240360/360100.0所有焊點沒有焊錫殘留未裂解250363/363100.0所有焊點沒有焊錫殘留已裂解表3旋轉(zhuǎn)時間不同時廢棄電路板焊錫回收實驗結(jié)果Table3ResultsofrotationaltimeforrecyclingsolderfromWPCBs旋轉(zhuǎn)時間/min脫落焊錫的焊點數(shù)/焊點總數(shù)焊點焊錫脫落率/%基板上焊點殘留焊錫情況電路板基板裂解情況2188/36152.1大部分焊點上殘留焊錫未裂解4244/35970.0少量焊點上殘留焊錫未裂解6360/360100.0所有焊點基本沒有焊錫殘留未裂解8362/362100.0所有焊點基本沒有焊錫殘留未裂解表4不同旋轉(zhuǎn)次數(shù)下廢棄電路板焊錫回收實驗結(jié)果Table4ResultsofnumberofrotationaltimesforrecyclingsolderfromWPCBs6min內(nèi)均勻旋轉(zhuǎn)的次數(shù)脫落焊錫的焊點數(shù)/焊點總數(shù)焊點焊錫脫落率/%基板上焊點殘留焊錫情況電路板基板裂解情況1176/35949.0大多數(shù)焊點上殘留焊錫未裂解2223/36061.9部分焊點上有焊錫殘留未裂解4349/35897.5極少量焊點有焊錫殘留未裂解6360/360100.0所有焊點沒有焊錫殘留未裂解2.4旋轉(zhuǎn)次數(shù)對廢棄電路板焊錫回收的影響在轉(zhuǎn)速恒定為1400r/min、實驗溫度為240°C、旋轉(zhuǎn)時間為6min的條件下，研究旋轉(zhuǎn)次數(shù)對廢棄電路板焊錫分離效果的影響，實驗結(jié)果見表4。在總旋轉(zhuǎn)時間6min內(nèi)，分別均勻旋轉(zhuǎn)1次、2次、4次、6次。從表4可見：隨著旋轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，焊錫的分離效果增強；分6次旋轉(zhuǎn)時焊錫已能完全分離，并且分次旋轉(zhuǎn)的回收效果明顯好于一次性旋轉(zhuǎn)的回收效果。2.5離心分離焊錫前、后的照片對比圖5所示為FR-4型廢棄印刷電路板在不同條件下進行焊錫回收實驗前、后的對比照片。從圖5可見：在焊錫回收效果較差的實驗中，只有極少量的焊錫和電子元件從基板上脫落(如圖5(a)所示)；焊錫回收效果一般的實驗(圖5(b))中，仍有少量焊錫殘留在基板上，少量電子元件仍連接在廢棄電路板上；在焊錫回收效果好的實驗中，電路板基板表面非常干凈，電子元件全部脫離基板(如圖5(c)所示)。部分實驗收集的焊錫如圖6所示。從圖6可見：回收的焊錫性質(zhì)未發(fā)生變化，可直接再次利用或用于精煉錫和鉛的原料。為了確定使用本方法回收焊錫的回收效果，采用掃描電鏡對實驗后的基板殘留焊錫狀況進行分析。2種脫焊后的廢棄印刷電路板表面SEM照片如圖7所示。從圖7可以看出：電路板表面非常干凈，所有焊錫已脫離基板。這證實在本實驗中焊錫已完全分離。圖5不同條件下FR-4型廢棄電路板焊錫回收實驗照片F(xiàn)ig.5PhotographsofexamplesofseparatingsolderfromFR-4typeofWPCBsunderdifferentexperimentalconditions(a1)220°C,1000r/min,6min,實驗前；(a2)220°C,1000r/min,6min,實驗后;(b1)230°C,1400r/min,6min,實驗前;(b2)230°C,1400r/min,6min,實驗后;(c1)240°C,1400r/min,6min,實驗前；(c2)240°C,1400r/min,6min,實驗后圖6本實驗收集的部分焊錫Fig.6Recoveredsolderobtainedfromsomeexperiments圖72種廢棄電路板焊錫分離后表面SEM照片F(xiàn)ig.7SEMphotographsoftwotypesofWPCBsbaseplatesaftersolderseparation(a)FR-2;(b)FR-43結(jié)論離心分離廢棄電路板焊錫的影響因素有轉(zhuǎn)速、溫度、旋轉(zhuǎn)時間、旋轉(zhuǎn)次數(shù)。其中，最主要的影響因素為實驗溫度和轉(zhuǎn)速。當(dāng)油溫為240°C、轉(zhuǎn)速為1400r/min時，在6min內(nèi)均勻旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓6次，廢棄印刷電路板焊錫即可實現(xiàn)分離回收?！鞠嚓P(guān)文獻】LeeJC,SongHT,YooJM.PresentstatusoftherecyclingofwasteelectricalandelectronicequipmentinKorea:Areview[J].Resources,ConservationandRecycling,2007,50(4):380-397.HUANGKui,GUOJie,XUZhen-ming.Recyclingofwasteprintedcircuitboards:areviewofcurrenttechnologiesandtreatmentstatusinChina[J].JournalofHazardousMaterials,2009,164(2/3):399-408.HEWen-zhi,LIGuang-ming,MAXing-fa,etal.WEEErecoverystrategiesandtheWEEEtreatmentstatusinChina[J].JournalofHazardousMaterials,2006,136(3):502-512.VeldbuizenH,SippelB.Miningdiscardedelectronics[J].Industryandenvironment,1994,17(3):7-11.ChristianHageluken.Recyclingofelectronicscrapatumicore’sintegratedmetalssmelterandrefinery[J].WorldofMetallurgy-Erzmetall,2006,59(3):152-161.CUIJi-rang,ZHANGLi-feng.Metallurgicalrecoveryofmetalsfromelectronicwaste:Areview[J].JournalofHazardousMaterials,2008,158(2/3):228-256.巫協(xié)森.由廢印刷電路板及含銅廢液中回收銅金屬的方法:CN1534111A[P].2004-10-06.WUXie-sen.Methodofrecoveringcoppermetalfromwasteprintedcircuitboardandcoppercontainingwasteliquidanditsdevice:CN1534111A[P].2004-10-06.李登新,張武學(xué)，鐘非文,等.印刷電路板中提取金屬的方法:CN1858277A[P].2006-11-08.LIDeng-xin,ZHANGWu-xue,ZHONGFei-wen,etal.Methodforextractingmetalfromprintedcircuitboard:CN1858277A[P].2006-11-08.OishiT,KoyamaK,AlamS,etal.Recoveryofhighpuritycoppercathodefromprintedcircuitboardsusingammoniacalsulfateorchloridesolutions[J].Hydrometallurgy,2007,89(1/2):82-88.LeeMS,AhnJG,AhnJW.Recoveryofcopper,tinandleadfromthespentnitricetchingsolutionsofprintedcircuitboardandregenerationoftheetchingsolution[J].Hydrometallurgy,2003,70(1/3):23-29.KinoshitaT,AkitaS,KobayashiN,etal.Metalrecoveryfromnon-mountedprintedwiringboardsviahydrometallurgicalprocessing[J].Hydrometallurgy,2003,69(1/3):73-79.YoungJP,DerekJF.Recoveryofhighpuritypreciousmetalsfromprintedcircuitboards[J].JournalofHazardousMaterials,2009,164(2/3):1152-1158.趙躍民，溫雪峰，何亞群,等.廢棄電路板中金屬富集體的物理回收工藝:CN1563440A[P].2005-01-12.ZHAOYue-ming,WENXue-feng,HEYa-qun,etal.TechniqueforreclaimingmetalconcentrateinobsoletePCBphysically:CN1563440A[P].2005-01-12.路邁西,周翠紅,潘永泰,等.一種回收廢舊印刷電路板中有價資源的方法:CN1611309A[P].2005-05-04.LUMai-xi,ZHOUCui-hong,PANYong-tai,etal.Methodforrecoveringvaluableresourcefromwasteprintedcircuitboard:CN1611309A[P].2005-05-04.李佳,許振明.廢舊印刷電路板破碎顆粒的高壓靜電分離裝置及分離方法:CN1654129A[P].2005-08-17.LIJia,XUZhen-ming.Hightensionelectrostaticseparatingapparatusandmethodforworn-outbrokenprintedcircuitboardgranules:CN1654129A[P].2005-08-17.路邁西，關(guān)杰，劉文禮,等.一種廢舊印刷電路板資源回收的方法:CN1899712A[P].2007-01-24.LUMai-xi,GUANJie,LIUWen-li,etal.Methodforrecoveringwasteprintedcircuitboardresource:CN1899712A[P].2007-01-24.EswaraiahC,KavithaT,VidyasagarS,etal.Classificationofmetalsandplasticsfromprintedcircuitboards(PCB)usingairclassifier[J].ChemicalEngineeringan