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Efficient recovery of valuable metals from waste printed circuit boards by microwave pyrolysis
Yubo Liu (刘玉博), Jialiang Zhang (张家靓), Xu Yang (杨旭), Wenguang Yang (杨文广), Yongqiang Chen (陈永强), Chengyan Wang (王成彦)
Volume 40, December 2021, Pages 262-268
https://doi.org/10.1016/j.cjche.2020.11.008
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Chinese Journal of Chemical Engineering
研究背景
目前，随着电子产品的广泛应用，产生了大量的电子垃圾。印刷电路板（PCBs）作为各类电子设备和元器件的载体，是电子器件的重要组成部分。随着电子垃圾的大量生产，废弃电路板（WPCBs）的数量也在迅速增加。WPCBs通常含有大量的稀有和贵重金属，需要对其进行回收以避免矿产资源的过度使用。此外，WPCBs含有多种有害元素，包括重金属和阻燃剂(多溴联苯醚)，在传统的垃圾填埋和焚烧过程中会对生态系统造成严重破坏。因此，开发一种高效、环保的废弃电路板回收方法具有十分重要的意义。
本文比较了微波热解与传统热解的效率，验证了微波热解回收WPCBs中有价金属的可行性。研究了不同热解温度和时间下金属的回收效率。为了解释结果，我们使用SEM-EDS分析观察了热解残渣的形貌和表面元素分布。最后，采用GC-MS和GC-TCD分析方法对回收油气的主要成分进行了初步研究。
成果展示
本文提出了微波热解与人工分离相结合回收废旧线路板中有价金属的方法。与常规热解相比，微波热解失重率更高，说明WPCBs中有机物分解更彻底，有价油气产率更高。在热解温度为700℃、热解时间为60 min的最佳条件下，Cu、Sn和Pb的回收率均最高，回收率分别为91.2%、96.1%和94.4%。残渣中Cu、Sn和Pb含量最低，分别为2.75%、0.74%和0.68%。SEM-EDS分析表明，当温度和时间不足时，热解过程不完整，金属和残渣分离困难。此外，温度过高、时间过长，导致纤维板严重熔化，导致金属粘附和回收率低。产生的气体90%以上为可燃气体，可作为高价值的燃料使用。生产的石油主要由碳氢化合物组成，可作为有机化学品的原料。该工艺为从WPCBs中回收有价金属提供了一种高效、节能的技术。随着大型微波设备在冶金化工领域的成熟应用，该方法在工业规模方面具有很大的潜力。
图文导读
图1为微波热解前后WPCBs的照片。残渣中主要是片状碳纤维和玻璃纤维布，没有可见金属。分选金属中，铜主要以铜片和铜丝的形式存在，铅、锡等金属元素主要以小球的形式存在。非金属物质很少混入金属中。
图1 (a), (b) 微波热解前后的WPCBs; (c), (d) 手工分选残渣和金属
利用SEM-EDS对分选残渣进行表征，研究不同温度下微波热解后残渣的形貌和金属分布（图2）。结果表明：温度较低时，线路板的纤维结构仍排列有序，组织保存十分完整。反之温度较高时，一些金属颗粒被熔化的纤维板包裹导致其难以手工分离，结果很好地解释了热解前后失重和回收率变化的原因。
图2 (a) 500℃、(b), (d) 700℃、(c), (e) 900℃下微波热解后残渣的SEM-EDS图片
GC-TCD分析结果（表1）表明，微波热解产生的气体主要为H2、CO、CO2、CH4和有机烃。除CO2外，其余均为可燃气体，其体积比例均在90%以上。GC-MS结果表明热解油的成分分为酚类、酮类、苯基类、呋喃类、含溴物质等6类，如图3所示。其中酚类有机化合物所占比例最高，达57.4%，可以用来合成有机化学品。
表1 GC-TCD分析700℃微波热解60分钟后的气体产物主要成分
图3 700℃微波热解60分钟后油产物的主要成分
作者及团队介绍
通讯作者：王成彦，男，教授/博士生导师，百千万人才工程国家级人选，国家有突出贡献中青年专家，享受国务院特殊津贴专家。长期从事多元复杂矿产资源/二次金属资源高效综合利用和清洁生产的工程化研究，在多金属复杂矿的短流程冶金、多金属高效分离与提取、过程工程放大与关键装置研发等方面做出了突出贡献。
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