Утилизация продуктов производства электроники (печатных плат)

 

Экономические аспекты повторного использования отходов

 

Оценить экономические факторы, заставляющие повторно использовать бракованные платы, можно по таблице 1, в которой представлена примерная действительная стоимость типичных отходов электроники.

 

Таблица 1. Примерная действительная стоимость типичных отходов электроники

 

Основные  показатели этой разбивки, касательно стоимости, следующие:

• примерно 90% действительной стоимости отходов плат заложено в содержании золота и палладия;

• коммерческие операции по переплавке обычно обходятся  в 92–98% от стоимости драгоценных  металлов;

• основная плата, взимаемая коммерческими  фирмами за переплавку в печи, составляет порядка £400–1000 за тонну, включая сбор и перевозку отходов.

Понятно, что отходы электроники, содержащие драгоценных металлов меньше такого уровня и относящиеся к низкой категории, обрабатывать плавлением экономически невыгодно.

Методы  разделения и выделения продуктов

Все существующие и потенциальные подходы к обработке твердых отходов подразумевают механические и механико-гидрометаллургические методы. Вследствие самой природы отходов гидрометаллургической обработке предшествует механическое измельчение и сепарация. Основным преимуществом систем механической очистки является сухой режим работы без использования каких-либо химических веществ, в то время как применение мокрых процессов с использованием химикатов создает опасность для окружающей среды. Необходимо отметить, что гидрометаллургический подход представляет собой хорошую альтернативу переплавке отходов, а также дает возможность получить более высокий выход восстановленных металлов.

Характерные особенности отходов  печатных плат

Отходы  печатных плат (ПП) отличаются значительной разнородностью и довольно большой сложностью состава, хотя уровень разнородности отходов плат с компонентами несколько выше. Материалы ПП отличаются особым разнообразием, при этом количество драгоценных металлов, присутствующих в осажденных покрытиях различной толщины, соединенных с медью, припоями, сплавами различного состава, из цветных и черных металлов, относительно невелико.

Кроме присущих бракованным ПП неоднородности и сложности состава, имеется так же слишком много различий в физических и химических свойствах большого количества материалов и компонентов, присутствующих в них. Поэтому общий подход к утилизации этих материалов, при котором все они разделяются на отдельные фракции, невозможен. Далее приводятся особенности составляющих ПП, которые, в конечном счете, определяют их механическое и гидрометаллургическое разделение.

 

Различия  в плотности

В основе методов  разделения материалов, присутствующих в бракованных ПП, лежит использование различия их плотности. Удельный вес типичных материалов представлен в таблице 2.

Таблица 2. Удельный вес типичных материалов

Пневмотехнологии, которые удачно сочетают в себе эффекты  псевдосжиженного слоя, вибрации среды и пневмосепарации, успешно применяются в случаях разделения разнообразных частиц из электронных отходов.

При этом очень важно, чтобы загружаемая смесь была однородной по размерам фракций, что  гарантирует эффективную сепарацию.

Различие  магнитных и электропроводных свойств

Черные  металлы легко отделяются в магнитном  сепараторе, который используется в  минералообрабатывающей отрасли. Многие цветные металлы благодаря своей  высокой электропроводности могут  отделяться в электростатическом сепараторе и сепараторе с вихревыми токами. Способ разделения с помощью вихревых токов был разработан в отрасли утилизации отходов, когда появился сильный постоянный электромагнит из сплава железо-борнеодим. Установка в виде вращающегося ремня с использованием вихревых токов наиболее широко применяется для разделения цветных металлов на фракции. В процессе ее применения переменное магнитное поле, формируемое с помощью быстро вращающегося колеса с прикрепленными к нему постоянными магнитами с переменными полюсами, создает вихревые токи в проводниках из цветных металлов, которые в свою очередь генерируют магнитное поле, отталкивающееся от первоначального магнитного поля. Результирующая сила, возникшая как результат силы отталкивания, и сила тяготения обеспечивают отделение цветных металлов от непроводящих материалов.

Полиформность

Одним из важных качеств отходов ПП и  электронных отходов является разнообразие форм составляющих их материалов и  компонентов, что сказывается на эффективности разделения материалов. При разделении с помощью вихревых токов значительный эффект на генерирование сил отталкивания оказывает форма проводящих компонентов, размер их частиц и соотношение проводимость/плотность. Множество петель индуцированных токов может образовываться в проводящих частицах неправильной формы, при этом индуцированные на разных участках частиц магнитные поля, противодействуя друг другу, могут снижать результирующую силу отталкивания.

Степень отделения разнородных материалов

Решающим  моментом в производительности и  эффективности любого процесса разделения материалов является степень их отделения друг от друга при размельчении. Исследования показали, что только размельчение отходов ПП обеспечивает эффективное разделение материалов. В частности, были сообщения о разделении материалов на 96–99% после измельчения до частиц размером менее 5 мм. Но основной проблемой при механической обработке являются потери, в особенности драгоценных металлов, связанные с самой природой множества сопряжений пластик/металл.

Химическая активность

Гидрометаллургический метод разделения зависит от избирательного растворения металлов, содержащихся в бракованных ПП. Эффективность всех гидрометаллургических методов повышается с использованием предварительного измельчения, однако это делается, прежде всего, для снижения объема насыпного материала и для того, чтобы обеспечить большую поверхность травления металлов. Применяя метод избирательного растворения, можно использовать высокоэффективные травильные растворы на основе хлорида меди или сульфата аммония для растворения меди; растворы на основе азотной кислоты для растворения припоя и царскую водку для растворения драгоценных металлов.

Электропозитивность

Растворенные  металлы представляют собой диссоциированные в водной среде ионы. Их можно восстанавливать до металлического состояния путем электролиза. В случае если используется избирательное растворение, восстанавливается один металл. В этом процессе восстановления металла одновременно восстанавливается и травильный раствор для повторного использования. В случае с общим растворением всех металлов (например, в царской водке) можно использовать различия в электрохимических потенциалах металлов, содержащихся в растворе, для избирательного восстановления на дискретных уровнях прилагаемого напряжения.

Новые технологии. Механические методы

Вся работа, выполняемая с помощью механических систем, направлена, прежде всего, на увеличение эффекта разделения отходов на различные фракции. Основная технология механической переработки, применяемая при утилизации бракованных ПП и электронных блоков, была заимствована из технологий обогащения горных руд и адаптирована к процессам утилизации продуктов электроники.

В настоящее  время серийно выпускаются системы  механической очистки для переработки разнообразных материалов электронных отходов, включая платы с компонентами и пустые платы. Одна из таких систем разработана фирмой Hamos GmbH в Германии и представляет собой автоматизированную интегральную систему механической переработки, включающую следующие этапы:

• первичное  измельчение крупных фракций  с помощью измельчителя с вращающимися ножами разнообразного применения;

• отделение  крупных фракций черных металлов с помощью сильных магнитов, расположенных  над вибрирующим конвейером;

• измельчение  в порошок — в этом процессе платы превращаются в порошок  в шаровой мельнице, в которой используются шары, устойчивые к стиранию;

• просеивание  с использованием самоочищающихся  сит;

• электростатическое разделение, позволяющее фактически завершить разделение металлических  фракций путем рециркуляции фракций  частиц среднего размера;

• дальнейшее уменьшение размера, представляющее собой  вторичное измельчение в порошок  для уменьшения размера крупных  частиц.

Система Нamos может дополнительно включать устройство для разделения фракций по плотности для извлечения алюминия и других металлов. Система Нamos имеется сейчас в продаже (рис. 2). Она перерабатывает электронные отходы с производительностью до 4 т/ч. Переработанная продукция, включающая смесь пластиков, металлы, экстрагированные железистые материалы и алюминий, автоматически пакуется в мешки для дальнейшей транспортировки.

Рис 2. Общий вид установки Нamos

Ведется работа по увеличению эффективности  систем механической очистки. Представлена, например, новая технология измельчения  с использованием множества измельчающих роторов с керамическим покрытием. Это дало возможность добиться измельчения отходов до размера частиц меньше миллиметра. В свою очередь, это позволило повысить эффективность технологий последующего разделения с помощью центрифуги, что дает выход выделенной меди до 97% (рис. 3).

 

Рис 3. Утилизация отходов с использованием процесса дробления

 

На  предприятии Daimler-Benz в городе Ульм (Германия) разработали метод механической очистки, который дает возможность  повысить эффективность отделения металлов. Основной задачей этой работы являлось увеличение степени чистоты выделяемых металлов до такого уровня, чтобы при последующей плавке было минимальное количество загрязняющих выбросов в атмосферу. Процесс включает первоначальное уменьшение частиц большого размера до фракции размером примерно 2х2 см с последующим магнитным извлечением черных металлов. Далее следует этап перемалывания при низких температурах. Здесь используется эффект перехода в хрупкое состояние полимерных компонентов при температурах ниже 70 °C

В шаровую  мельницу подается жидкий азот при температуре –196 °C, который придает хрупкость пластиковым составляющим загружаемого сырья. Кроме того, размалывание материалов в такой инертной атмосфере исключает какую-либо вероятность образования токсичных побочных продуктов из пластика, таких как диоксины и фураны. Далее следует этап разделения черных и цветных металлов с помощью магнитной и электростатической сепарации. Анализ затрат, проведенный инженерами фирмы Daimler-Benz, показал, что такой процесс может быть экономически целесообразным даже при переработке отходов ПП относительно низкой категории, имеющих малое содержание драгоценных металлов.

Проводились также исследования систем разделения материалов на пневмостоле с целью улучшения отделения металлических и пластиковых компонентов от загружаемого сырья в виде просеянных через сито с отверстиями 7 мм размельченных частиц отходов ПП после ферромагнитной сепарации. Уровни восстановления для меди, золота и серебра—76, 83 и 91% соответственно—позволили утвердить этот метод утилизации не только для отходов электронной продукции, но и для ПП низкой категории.

Гидрометаллургический метод

Гидрометаллургические методы традиционно применяются  для восстановления золота с контактных поверхностей разъемов. Золото высвобождалось либо в виде металлических чешуек посредством растворения в кислоте медных подложек, либо посредством растворения золота в растворах на основе цианида или тиомочевины, с последующим электролитическим осаждением или химическим замещением с использованием цинка.

Были  также предприняты различные  исследования возможности использования разбавленных неорганических кислот в сочетании с последующими технологиями восстановления металлов методами концентрационного разделения, экстракции, ионного обмена и т. п.

Разработан ряд гидрометаллургических методов и опытных установок переработки отходов, показавших возможность получения прибыли в процессе переработки (процессинг) примерно $200 на тонну, не считая стоимости извлеченных драгметаллов.

Демонтаж

Демонтаж  считается неотъемлемой операцией утилизации бракованных плат с компонентами. Он проводится на нескольких уровнях: либо OEM; либо самими производителями оборудования для восстановления компонентов с бракованной продукции или произведенной в избыточном количестве для повторного использования или замены; либо специальными подрядчиками, выполняющими эту функцию для производителя; либо фирмами по рециркулированию или по демонтажу для повторной продажи на рынке вторичных материалов. Практически все подобного рода операции демонтажа выполняются вручную, что само по себе накладывает ограничения на эту операцию из-за расходов на трудозатраты.

Технологии  механического, автоматизированного  и роботизированного демонтажа  рассматривались как с точки  зрения сокращения трудозатрат, так и для обеспечения комфортных условий труда. Компания SAT (Австрия) разработала методику автоматизированного демонтажа компонентов с избыточных или неисправных плат с компонентами (рис. 4).

Рис 4. Схема утилизации плат с компонентами по технологии SAT

 

Эта методика используется в первую очередь для  демонтажа дорогих компонентов. Однако существует вероятность развития этой технологии для выполнения демонтажа  всех компонентов. Компания SAT считает, что демонтаж компонентов любым ручным способом требует много времени и финансовых затрат и в будущем не найдет широкого применения в общем процессе переработки отходов электроники, объемы которых в Европе, по оценке организации SAT, в настоящее время составляют 400 000 т в год. Технология SAT использует автоматический поиск и снятие припоя двойным лучом лазера с последующим снятием выбранных компонентов вакуумным пинцетом. Операция по демонтажу компонентов включает следующие этапы: