利用液态三相分离回收处理废弃电路板多金属资源的机理及其控制研究

基本信息
批准号:51574216
项目类别:面上项目
资助金额:66.00
负责人:何杰
学科分类:
依托单位:中国科学院金属研究所
批准年份:2015
结题年份:2019
起止时间:2016-01-01 - 2019-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:Ivan Kaban,郝红日,王中原,孙倩,李璐,陈斌
关键词:
凝固组织金属回收快速凝固凝固行为液相分离
结项摘要

With the rapid development of science and technology, the update and replacement of electrical and electronic equipment have been immensely accelerated. The waste electrical and electronic equipment (WEEE) has become one of the fastest growing solid waste. The ever-increasing generation of the WEEE has brought enormous damage on the ecological environment. As a major constituent in WEEE, meanwhile, the waste printed circuit board (WPCB) is a source of valuable metals such as a variety of precious metals and non ferrous metals. The development of resource recycling technology for WPCBs is of great significance not only as regards environmental protection but also for the recovery of valuable materials. Although extensive efforts have been devoted to the metal resource recycling, most of them were focused on the recovery of precious metals. In recent years, a dissociation technology of metal materials from WPCBs has been developed, but these dissociated materials are still a not separated complex metal mixture containing more than ten kinds of valuable metal elements. The separation of the individual metal from the multi-component complex metal mixture remains a challenge. The mechanism of separation, enrichment, and recycling of various metal components could not be understood deeply. Thereby, some problems such as low recovery efficiency, high energy consumption, and secondary pollution are still unsolved. Essentially, the topic of metal separation, purification, and recycling belongs to the field of metallurgical engineering and process control. To our knowledge and previous investigation of liquid-liquid phase separation, and according to the problems of metal resource recycling for multi-component complex metal resource in WPCBs, in this project, we propose an efficient and environment-friendly recycling technology for the complex metal resource on the principle of liquid three-phase separation. Based on the main metal components such as Cu, Fe, and Pb in the complex metal resource, a liquid three-phase-separation Fe-Cu-Pb based system has been created. A model is built to describe the distribution of various metals in the liquid three-phase-separation system. The behavior of liquid phase separation of the Fe-Cu-Pb based system is clarified, and the metal solute distribution and enrichment in the liquid three-phase-separation system and their process control are investigated experimentally and by numerical simulation. In addition, the effects of the technology parameters and procedure on the recovery and enrichment efficiency of these metals are explored. Thereby, the investigation via this project not only develop a new route for the recovery of secondary complex metal resource and thus provides theoretical guidance and original technology for resource treatment of WPCBs, but also reveal the three-phase(zone)-separation mechanism and the formation of solidification microstructure in the Fe-Cu-Pb based alloys.

废弃电路板危害环境却又蕴藏着丰富的金属资源。近年来在资源化技术方面开展了大量研究,发展了从电路板解离金属物料的技术。但这种混合物料仍是由十余种有价金属元素组成的尚未分离的复杂资源,金属的回收往往只青睐于其中的贵金属。由于对多金属混合物分离、富集和循环机理缺乏深入研究,以致废弃电路板金属回收利用率低、二次污染严重等问题。基于申请者多年来对合金液-液相分离过程的认识和研究积累,针对电路板金属资源化技术研究的不足,本项目提出以其主要金属组分设计Fe-Cu-Pb基液相分离系统、利用液态三相分离高效综合回收处理废弃电路板多金属复杂资源的新思路;建立描述多金属组分在液相分离系统中分配的模型,实验与计算相结合,开展合金液态三相分离行为以及多金属组分在液态三相中的分布、富集过程及其控制研究;揭示分离工艺与过程对金属富集率和回收率的影响,为废弃电路板二次金属资源高效绿色回收再利用提供理论指导依据和技术原型。

项目摘要

电子废弃物已经成为一类增速快和处理难的城市固废。电路板是电子产品的关键部件,其年报废量我国2025年将达45万吨。电路板结构复杂、有害组分毒性强,但有价金属含量高,是天然矿山的几十甚至几百倍。电路板在拆解物料中处理难度最大但经济价值最高。针对电路板金属资源化技术关键问题,将热解与金属液态三相分离相结合,本项目提出了废旧电路板金属资源高效、绿色、综合回收的新方法。考察了热解工艺对电路板金属与非金属解离的影响,分析了工艺条件对热解产物及其形成过程的影响。对热解获得的电路板混合多金属组分进行了分析,研究了由其主组分Fe、Cu和Pb组成的Fe-Cu-Pb三元合金的液-液相分离及凝固行为,发现该三元合金熔体在冷却过程中先后发生L → L(Fe) + L(Cu,Pb)和 L’(Cu,Pb) → L(Cu) + L(Pb)两次液-液相分离,最终形成富Fe、富Cu和富Pb三相(区)分离的凝固组织。计算了合金组元液态不混溶区域,建立了热力学模型,理论分析了电路板混合多金属中的其他元素在主金属铁、铜和铅液态三相中的分布规律和富集过程,并建立了提升金属元素分离率和富集率的方法。结果表明,混合多金属中的 Cr、Co、Ni、Si主要富集在富Fe液相中,Zn和贵金属Au、Ag富集在富Cu相中,而低熔点金属Bi、In、Cd、Sn主要富集在富Pb相中。添加少量C,可有效增大Fe/Cu基金属液-液分离率,少量Al可促进Cu/Pb基金属液-液分离率和富集率。基于此,优化设计了混合多金属自组装分级分离系统,建立了熔盐氧化与液-液分离联合处理技术。利用超重场促进混合多金属分层,将十余种组分进行自组装分离分类,金属Cr、Co、Si、Bi、In等的回收率均超过90%,Ni、Cd的回收率超过80%,贵金属Au、Ag的回收率分别可以达到95%和92%。如结合熔盐氧化技术,Al、Pb、Si、Sn和Zn等两性金属的回收率分别可达99.5%、81.6%、97.8%、88.4%和95.7%;而剩余金属液-液分离,其中Cr和Ni富集在富Fe中,Au和Ag富集在富Cu中形成高价值集团,回收率可达98%以上。本研究为废旧电路板金属资源清洁高效循环再利用提供了理论参考和技术原型。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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