熱解是在缺氧或無氧條件下將有機(jī)物加熱至一定溫度,使其分解生成氣體、液體(油)、固體(焦)并加以回收的過程。近年來有機(jī)廢棄物熱解技術(shù)以其較低的污染排放和較高的能源回收率得到越來越多的應(yīng)用。采用熱解技術(shù)處理廢線路板,不僅能回收線路板中的金屬,同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)樹脂、玻璃纖維等非金屬成分的資源化,具有一定的吸引力。因此一些學(xué)者相繼開展廢線路板熱解技術(shù)的理論研究和工程實(shí)踐。
熱解過程研究廢線路板熱解的一般工藝流程如所示。先拆除線路板上的元件,然后將板材粉碎至一定尺寸送入反應(yīng)器中熱解。環(huán)氧樹脂等聚合物材料在惰性氣體保護(hù)下加熱到一定溫度發(fā)生熱分解,生成低相對分子質(zhì)量的物質(zhì)。冷凝由反應(yīng)器出來的熱解油氣,得到不凝性氣體和液態(tài)熱解油。金屬和玻璃纖維等成分基本不發(fā)生性質(zhì)變化,留在反應(yīng)器中作為固相殘?jiān)捎煤唵蔚奈锢矸椒纯煞蛛x回收。
熱解產(chǎn)物線路板熱解氣體主要成分是CO2、CO、HBr、低級脂肪烴和一些低相對分子質(zhì)量的芳烴。熱解氣體具有一定的熱值,可對其進(jìn)行熱量回收,作為熱解過程的熱源。
熱解油成分復(fù)雜,沸點(diǎn)范圍大,熱值高,具有類似原油的性質(zhì)。熱解油含有許多有價(jià)值成分,如能得到合理回收利用,必將大大提高整個(gè)熱解工藝的經(jīng)濟(jì)性。目前熱解油的回收利用有以下兩方面。
作為燃油使用當(dāng)處理規(guī)模不大、熱解油產(chǎn)量較低時(shí),將其作為燃料利用簡單可行。Chien等通過常壓蒸餾熱解油,得到輕石腦油、重石腦油、輕質(zhì)油氣和重質(zhì)油氣4種餾分。具有較高熱值的高溫餾分作為低級燃油出售,經(jīng)過適度氫化和脫氧、脫水處理的低溫餾分石腦油和輕質(zhì)油氣可作為汽油和柴油的主要成分回收使用。
提取高附加值物質(zhì)作為化工原料熱解油主要成分苯酚和異丙基苯酚等都是重要的有機(jī)化工原料,廣泛應(yīng)用于塑料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、涂料等領(lǐng)域。這些物質(zhì)如能分離提取應(yīng)用的話,會比單純的燃油更具回收價(jià)值。王清等通過間歇精餾試驗(yàn),探索了熱解油中苯酚、異丙基苯酚和水的分離工藝條件,分離得到的產(chǎn)品異丙基苯酚含量不小于90,苯酚符合GB3079―1997標(biāo)準(zhǔn)。Iji等采用回轉(zhuǎn)窯熱解玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂廢棄物,得到高純度的玻璃纖維,并將其用作環(huán)氧樹脂聚合物填料和絕緣材料回收使用,取得很好的效果。
二次污染防治和脫溴由于電子元件的阻燃要求,線路板基板樹脂和塑料中往往加入溴阻燃劑。因此線路板在熱解或燃燒時(shí)會生成較多的遮蔽性煙霧、單質(zhì)溴和溴化氫氣體、溴代酚、多溴聯(lián)苯并二口惡英/呋喃等有毒有害物質(zhì)。這些物質(zhì)不僅污染環(huán)境,腐蝕處理設(shè)備,還降低燃油品質(zhì)。所以二次污染防治和產(chǎn)物脫溴是線路板熱解研究必須重視的問題。
對煙氣進(jìn)行高溫處理可以減少二口惡英類物質(zhì)和鹵代烴的排放。Iji等利用二次燃燒方法處理溴化環(huán)氧樹脂熱解過程中產(chǎn)生的氣體。在1100℃的高溫下,不僅有機(jī)溴化物發(fā)生分解,濃度降至安全標(biāo)準(zhǔn)以下,煙氣中由部分無機(jī)阻燃劑生成的SbBr3也轉(zhuǎn)化成Sb2O3,便于后續(xù)干法回收。為避免鹵化氣體產(chǎn)物排放對環(huán)境造成污染,可采用濕式凈化系統(tǒng)進(jìn)行氣體洗滌。研究表明,用堿性溶液能夠高效洗脫煙氣中的溴和溴化氫氣體。
熱解油中濃度過高的溴代酚類物質(zhì)限制了油品作為燃料或化工原料的進(jìn)一步使用,因此脫溴成為油品精制的一個(gè)重要工序。Hornung等以熱解油成分2,6二溴苯酚、四溴雙酚A等物質(zhì)作為研究對象,發(fā)現(xiàn)加入聚丙烯共熱解能脫除熱解油中的溴,得到主要成分是苯酚和烷基苯酚的產(chǎn)物。在350℃,停留時(shí)間20min的條件下,脫溴效果最好。Blazso等研究了線路板粉末(主要成分溴化環(huán)氧樹脂)分別與各種堿性添加劑(Na2SiO3、5A分子篩、13X分子篩、NaOH)的共熱解吸附脫溴情況。發(fā)現(xiàn)這些堿性添加劑不僅能與HBr反應(yīng),還能脫去芳烴上的溴,顯著減少熱解油中溴代酚類物質(zhì)含量。Yoshiki等以四氫化萘和十氫化萘作為氫源,在反應(yīng)溫度為400~440℃、氮?dú)獬跏級毫?MPa的條件下加氫處理熱解油,反應(yīng)后熱解油中的溴含量從2600mg/kg分別降至102mg/kg和54mg/kg;在此基礎(chǔ)上又分別加入CaCO3、Na2CO3、K2CO3等堿性物質(zhì),溴含量更可降至1mg/kg以下,油品質(zhì)量得到改善。
線路板中通常含有5~15的溴,比海水、鹵水中的溴含量高幾百倍。溴是寶貴的資源,若能選擇合適的回收途徑實(shí)現(xiàn)溴的循環(huán)利用,不僅能減少溴資源消耗,還可降低熱解的經(jīng)濟(jì)成本。國外學(xué)者提出了所示的溴回收工藝,采用這些技術(shù),歐洲每年有望從電子廢棄物塑料中回收11kt的溴。
影響因素?zé)峤馐且粋€(gè)受傳熱、傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)共同影響的過程。溫度、加熱速率、顆粒大小、熱解氣氛、催化劑等因素都會影響產(chǎn)物的產(chǎn)量和分布。
溫度熱解溫度是影響熱解產(chǎn)物產(chǎn)量和分布的最主要因素。熱解是個(gè)吸熱過程,提高溫度能加速熱解反應(yīng)。Chien等在固定床上考察了溫度對廢線路板樹脂熱解產(chǎn)物的影響,研究表明提高熱解溫度能使氣相和液相產(chǎn)物產(chǎn)量增加,固體產(chǎn)物減少。然而到達(dá)一定溫度后,溫度繼續(xù)升高會使液相產(chǎn)物發(fā)生二次分解,出現(xiàn)氣體產(chǎn)量增加、液相產(chǎn)量減少的趨勢。因此針對目標(biāo)產(chǎn)物選擇合適的熱解溫度相當(dāng)重要。
加熱速率加熱速率提高,熱解的特征溫度(起始溫度、反應(yīng)終溫等)都相應(yīng)提高,主反應(yīng)區(qū)間增加。達(dá)到相同溫度,低加熱速率下的試樣反應(yīng)時(shí)間延長,反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率增高,反應(yīng)進(jìn)行更加完全。
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