Как осуществляется переработка электроники?

Как осуществляется переработка электроники?

Значительное изменение климата и снижение биологического разнообразия являются лишь двумя из многих серьезных экологических проблем, которые продолжают расти в глобальном масштабе. Население планеты на данный момент составляет более 7 миллиардов и в связи с этим растет беспокойство по поводу нехватки продовольствия, воды, энергии и других ресурсов. Чтобы снизить вред, наносимый окружающей среде, и дефицит ресурсов, нам стоит вплотную заняться вторичной переработкой отслуживших предметов. Очень важна переработка электроники.

Что такое электронные отходы и зачем нужна переработка электроники?

К электронным отходам (по англ. e-waste) относятся все отслужившие свой срок устройства, чья работа зависит от электрического тока и / или электромагнитного поля. Телефоны, ноутбуки, телевизоры и т.д. превращаются в отходы, устаревая все быстрее и быстрее, приходя в негодность, чтобы обеспечить необходимость покупки новых устройств.

К электронным отходам относятся в том числе печатные платы, которые хотя и составляют около 3% от общего количества этого вида отходов, благодаря высокой концентрации токсичных веществ являются очень опасными. Подобные отходы без должной утилизации негативно воздействуют на экосистему, как биотическую, так и на абиотическую ее части. Наличие разнообразных высокотоксичных материалов и тяжелых металлов делает захоронение на свалке или простое сжигание неприемлемыми методами управления подобными отходами. Поэтому наиболее оптимальный способ утилизации электронных отходов — это их переработка.

Кроме того, что электронные отходы представляют собой большую опасность для окружающей среды, надо помнить, что на производство мобильных телефонов и персональных компьютеров уходят значительные доли золота, серебра и палладия, добываемых ежегодно во всем мире. Конечно, в каждом отдельном устройстве драгоценных металлов содержится мизерное количество, но если рассматривать общемировое производство (более 1,2 млрд. ежегодно), то этим количеством уже пренебрегать неразумно. Следует отметить, что концентрация этих драгоценных металлов в печатных платах более чем в десять раз превышает их концентрацию в добываемой руде. Однако переработка печатных плат технологически сложный процесс из-за неоднородности материалов, ведь они состоят из множества разнородных компонентов.

Данные о количестве электронных отходов

По некоторым оценкам, электронные отходы составляют приблизительно 8% от общего количества бытовых отходов.

К сожалению, определить точное количество производимых электронных отходов очень сложно. По оценкам ЮНЕП еще 10 лет назад электронные отходы составляли около 20-50 млн. тонн в год (2005 г.). В России они оцениваются приблизительно в 1,5 млн. тонн. Агентство США по охране окружающей среды сообщило о том, что каждая семья в США использует около 34 электронных устройств и электрических приборов (данные 2010 г.). Это в среднем приводит к образованию более 5 млн. тонн электронных отходов в год. Для ЕС было подсчитано, что в среднем каждый гражданин производит около 15 кг электронных отходов в год, что приводит к образованию 7 млн. тонн отходов (данные 2010 г.).

Также статистические данные свидетельствуют о выработке в Китае электронных отходов превышающей 1,1 млн. тонн, в частности от обрабатывающей промышленности. Недавнее исследование показало, что общее количество электронных отходов в Индии в 2007-2011 составило 2,5 млн. тонн при ежегодном темпе роста электронных отходов в 7-10%.

Кроме того, количество электронных отходов в новых индустриальных и развивающихся странах растет из-за импорта отходов из развитых стран. Согласно последним исследованиям, в настоящее время до 50- 80% электронных отходов, произведенных в развитых странах, поставляется в развивающиеся страны для повторного использования и утилизации, что зачастую противоречит международным законам.

Переработка электроники

Переработка электронных отходов производится как официально, так и неофициально. При официальной утилизации используются хорошо проработанные методы, позволяющие отделять необходимые фракции из отходов. Однако заводы, построенные с соблюдением всех необходимых требований к технологическим процессам, получаются дорогими как при постройке, так и при запуске. В различных слаборазвитых и развивающихся странах, где переработка отходов не финансируется должным образом, она зачастую реализуется неофициально и производится без соблюдения необходимых требований и норм, причем на подобных заводах могут работать беременные женщины и дети.

Опасные химические вещества при переработке электроники

Наиболее распространенные способы воздействия опасных компонентов электронных отходов при переработке — это попадание внутрь опасных веществ при контакте с кожей и при вдыхании, через загрязненный грунт, воду, пищу и воздух.

Опасные химические вещества в электронных отходах могут иметься либо в их компонентах, либо выделяться при их переработке. Основными загрязняющими веществами в электронных отходах являются стойкие органические загрязнители (СОЗ), которые обладают большим периодом полураспада. Некоторые из наиболее распространенных СОЗ, выделяющиеся в процессе переработки, — бромированные антипирены (BFRS) (полибромированные ди-фенил эфиры), полихлорированные бифенилы, гексабромциклододеканы, поли-бромдифенилы, ди-бромированного ди-фенил эфиры, поли-хлорированные или поли-бромированные диоксины и ди-бензо фураны диоксинов. СОЗ, образующиеся в процессе разборки и плавки, состоят из полихлорированных дибензофуранов, полихлорированных бифенилов и диоксинов. Полициклические ароматические углеводороды появляются из-за неполного сгорания топлива, такого как уголь, газ, нефть и т.д. Тяжелые металлы, такие как свинец, кадмий, хром, ртуть, медь, марганец, никель, мышьяк, цинк, также несут в себе опасность.

Технологии переработки печатных плат

Печатные платы является одним из наиболее важных компонентов электронного оборудования. Они представляют собой платформу, на которой устанавливаются и связываются между собой микроэлектронные компоненты, такие как полупроводниковые микросхемы и конденсаторы. Переработка плат включает в себя три типа обработки: предварительная обработка, физическая переработка и химическая переработка. Предварительная обработка включает в себя демонтаж многоразовых и токсичных элементов, измельчение или разделение. Затем следует физическая переработка. Потом материалы извлекают путем химического процесса переработки.

Физические методы

Механическая переработка

Это физический метод переработки, при котором разобранные детали размалываются до необходимых размеров, после чего они поступают на установку тонкого измельчения. Полученный порошок подвергают воздействию вихревых токов в сепараторах, где металлы отделяют благодаря их электропроводности. Затем порошок разделяют в зависимости от плотности и размеров частиц. Расслоение на различные материалы можно наблюдать на столбе жидкости.

Механическая переработка печатных плат

Метод воздушной сепарации

В этом методе разделение диспергированных твердых частиц происходит благодаря различным размерам частиц и их различным плотностям. Подвешенные в газе частицы, в основном в воздухе, занимают разные положения в сепараторе под воздействием различных сил в зависимости от материала. У тяжелых частиц предельная скорость осаждения больше, чем скорость воздуха, в то время как у более легких частиц предельная скорость осаждения меньше скорости воздуха. Следовательно тяжелые частицы перемещаются вниз против воздушного потока, в то время как легкие частицы поднимаются вместе с воздушным потоком в верхнюю часть сепаратора.

Воздушная сепарация материалов печатных плат
Принцип воздушной сепарации отходов печатных плат

 

Электростатический метод разделения

В этом методе для разделения сыпучих материалов используется электростатическое поле, которое воздействует не заряженные или поляризованные тела. Эти технологии применяются для переработки металлов и пластмасс из промышленных отходов. Электростатические технологии разделения могут использоваться для отделения Cu, Al, Pb, Sn и железа, и некоторых благородных металлов и пластика.

Магнитная сепарация

Магнитные сепараторы широко используются для отделения ферромагнитных металлов от цветных металлов и других немагнитных отходов. Недостатком магнитного разделения является агломерация частиц, вследствие которой магнит вытягивает вместе с ферромагнитными металлами и неметаллические включения. Следовательно этот метод не очень эффективен.

Химические методы

Пиролиз

Пиролиз — это химической метод, который широко используется для переработки синтетических полимеров, включая полимеры со стекловолокном. При пиролизе таких полимеров образуются газы, углеводороды и обугленный остаток. Эти вещества в дальнейшем можно использовать в качестве химического сырья или топлива. Платы нагревают до достаточно высокой температуры, чтобы расплавить припой, используемый для связывания электрических компонентов. Обугленный конгломерат, который называется также «черным металлом», содержит в себе большой процент меди, а также небольшое количество железа, кальция, никеля, цинка и алюминия, которые можно затем восстановить.

Гидрометаллургический метод

Этот метод главным образом используется для переработки плат с целью извлечения металлической фракции. Метод заключается в выщелачивании металлов с применением растворов кислот и щелочей, за которым следует электрорафинирование желаемых металлов. Этот метод считается более гибким и энергосберегающим, следовательно, экономически эффективным. Широко используемыми выщелачивателями являются царская водка, азотная кислота, серная кислота и цианистые растворы. В случае неметаллических подложек металлы выщелачиваются в раствор с подложки. В случае металлической подложки для восстановления металлов может применяться электрохимическая обработка. Таким образом, гидрометаллургический метод позволяет восстанавливать металлы без какой-либо дополнительной обработки, остальные же материалы в плате перед повторным использованием или захоронением должны подвергаться дополнительной термической обработке. Основным недостатком этого метода является едкость и ядовитость используемых жидкостей.

Биометаллургический метод сепарации

Этот метод используется для извлечения драгоценных металлов и меди из руды уже давно, однако до сих пор он не очень хорошо развит. Микроорганизмы используют металлы, присутствующие во внешней среде и на поверхности клеток, для своих внутриклеточных функций. Каждый тип микроорганизма имеет характерную тенденцию переносить конкретный металл в определенной среде. Биовыщелачивание и биосорбция — в целом два основных направления биометаллургии, используемые для извлечения металлов. Биовыщелачивание успешно применяется для извлечения драгоценных металлов и меди из руд в течение многих лет. Та же методика может применяться для извлечения меди и других ценных металлов из отходов печатных плат.

Газификация

Основное применение процесса газификации — это генерация синтез-газа (CO, H2). Газификация протекает приблизительно при температуре 1600 ° С и давлении около 150 бар. Богатый водородом синтез-газ — основной продукт газификации, который является ценным сырьем для производства метанола. После соответствующей обработки некоторые фракции этого газа могут использоваться для производства тепловой и электрической энергии.

Газификация для получения синтез-газа
Принцип процесса газификации отходов печатных плат

 

Применение физических и химических методов переработки

Преимущества физических методов переработки, таких как магнитные сепараторы, сепараторы, отделяющие материалы в зависимости от плотности, и т.д., относительно химической переработки заключаются в том, что они не требуют больших финансовых вложений, они относительно просты, удобны, меньше загрязняют окружающую среду, требуют меньших затрат энергии. Металлические фракции, полученные физическими методами переработки, можно использовать в коммерческих целях без значительных процедур восстановления. Однако для использования в коммерческих целях неметаллических фракций они должны подвергнуться химической переработке. Таким образом, физические методы переработки являются более экономически выгодными для переработки металлических фракций, чем неметаллических. Основная цель химических методов переработки, таких как пиролиз, заключается в преобразовании полимеров, содержащихся в неметаллических фракциях, в химическое сырье или топливо. Химические методы переработки имеют преимущества в преобразовании бром антипиренов и извлечении тяжелых металлов, оставшихся после физических методов переработки.

Использование неметаллических фракций печатных плат

Большое количество неметаллических отходов печатных плат, которые зачастую являются опасными для людей и окружающей среды (из-за наличия бромированных антипиренов и тяжелых металлов, таких как свинец, кадмий, бериллий и т.п.),сбрасываются на свалках. Чтобы это предотвратить, необходимо найти им оптимальное применение.

Неметаллические фракции получаются легче, чем цемент и песок, их гранулы гораздо меньше, следовательно, они обладают более надежной микроструктурой. Механическая прочность материала повышается в присутствии грубых стекловолокон. Поэтому, благодаря вышеуказанным свойствам, неметаллические фракции могут успешно использоваться в качестве наполнителя в строительных материалах, для изготовления клеев и декоративных агентов.

Разработана методика использования неметаллических фракций печатных плат в производстве неметаллических пластины, которые могут использоваться для получения композитных плит. Композитные плиты находят применение во многих областях, включая автомобильную промышленность, мебель, различное оборудование и отделочные материалы.

Неметаллические пластины, полученные из отходов печатных плат
Неметаллические пластины, полученные из отходов печатных плат

 

Фенольные компаунды используется в производстве радиодеталей и кухонной утвари. В связи с уменьшением лесных ресурсов и повышение их стоимости производители ищут альтернативы деревянному полу. Неметаллические фракции печатных плат на бумажной основе кажутся хорошим вариантом замены деревянному полу.

Заключение

Переработка электроники очень важна, так как компоненты технических средств и предметов электроники – это скорее ресурсы, чем отходы. В компонентах электроники, подлежащих переработке, достаточно высокое содержание полезных ресурсов, что делает их извлечение экономически выгодным. Но минимизация вреда, наносимого окружающей среде, которую мы достигаем при переработке электроники, гораздо важнее!

Автор: Татьяна Киселева, Анастасия Литвинова

В статье использовались материалы обзора «A review on various electronic waste recycling techniques and hazards due to its improper handling».

Оставить ответ